Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das
Wachsen eines Halbleiter-Einkristalis durch das Vorgehen,
daß ein Impfkristall mit einem geschmolzenen Halbleiter in
Berührung gebracht wird, der in einem Quarz-Schmelztiegel
gehalten wird, und daß ein Stab eines
Halbleiter-Einkristalls aus dem geschmolzenen Halbleiter nach oben gezogen
wird. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein
Verfahren für das Wachsen eines Halbleiter-Einkristalls,
welches durch die Übertragung einer vorgeschriebenen
Verteilung auf die Konzentration von Sauerstoff in der
Zielrichtung des Halbleiter-Einkristalls durch die Einstellung
der Stärke des Magnetfeldes gekennzeichnet ist, das an den
geschmolzenen Halbleiter angelegt ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bei dem Wachsen eines Siliziumeinkristalls durch das
Czochralski-Verfahren (cZ Ziehverfahren) wird ein
Quarz-Schmelztiegel (SiO&sub2;) als Behälter zum Halten von geschmolzenem
Silizium verwendet. Es ist bekannt, daß der gewachsene
Siliziumeinkristall eine beträchtlich große Menge an
Sauerstoff enthält, weil das Silizium bei dem Schmelzpunkt
chemisch aktiv ist, sodaß es dazu kommt, daß er mit dem
Quarz des Schmelztiegels reagiert und diesen in das
geschmolzene Silizium einschmelzt. Wenn der Quarz des Schmelztiegels
in das geschmolzene Silizium einschmelzt, dann nimmt die
Schmelze auch gleichzeitig die in dem eigentlichen
Schmelztiegel enthaltenen Verunreinigungen auf, die damit ihren
Weg hinein in den gewachsenen Siliziumeinkristall finden.
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Der Sauerstoff in dem Siliziumeinkristall manifestiert in
Abhängigkeit von seiner Konzentration und Verteilung
verschiedene Wirkungen auf die Eigenschaften eines
Halbleitergerätes, das von dem Einkristall hergestellt ist, oder auf
die Wärmebehandlung, die an dem Gerät im Verlauf der
Herstellung ausgeführt wird. Wenn die Sauerstoffkonzentration
relativ hoch ist, induziert bspw. die Wärmebehandlung einen
Stapelfehler oder erzeugt Sauerstoffabscheidungen und übt
gegensätzliche Wirkungen auf die Eigenschaften des
Halbleitergerätes aus.
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Wenn die Wärmebehandlung tatsächlich mit dem Fehler dieser
Art durchgeführt wird, der außerhalb des aktiven Bereichs
des Halbleitergerätes vorhanden ist, dann ergibt sich
daraus die sog. innere Getterung-Wirkung, nämlich die
Wirkung der Getterung von schädlichen Verunreinigungen, wie
bspw. Verunreinigungen von Metallen, wie bpsw. Fe, Cu und
Au, sodaß es zu einer Wirkung auf die Verbesserung der
Eigenschaften des Halbleitergerätes kommt.
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Wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist, jedoch nicht in
dem Ausmaß einer Induzierung des Auftretens von
Sauerstoffabscheidungen, dann ist sie wirksam hinsichtlich der
Verhinderung des Auftretens und Wachstums von Schäden als
Folge einer Zusammenballung von Sauerstoff. Tatsächlich ist
sie dazu fähig, das Auftreten und Wachsen von Schäden
während der Wärmebehandlung zu unterdrücken, die im Verlauf
der Herstellung des Halbleitergerätes durchgeführt wird.
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Bei diesen Tatbeständen wurde die Entwicklung von Techniken
erzwungen, welche die Verteilung von Sauerstoff in dem
Siliziumeinkristall bei einem relativ hohen Niveau erlauben,
wie bspw. in dem Bereich von 15 bis 20 ppma völlig
gleichmäßig über die gesamte Länge, wie es zugestanden werden
kann. Die Japanische Patentveröffentlichung SHO
60(1985)6,911 beschreibt bspw. ein Verfahren, bei welchem in der
Stufe des Hochziehens eines Einkristallstabes aus einem
geschmolzenen Halbleitermaterial, das in einem
Quarz-Schmelztiegel gehalten wird, durch das Czochralski-Verfahren der
Gradient des Drehzahlprofils des Schmelztiegels umgekehrt
proportional zu der axialen Konzentration von Sauerstoff
des Kristalls während des Ziehprozesses gesteuert wird.
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Die Japanische Patentveröffentlichung SHO 57(1982)-135,796
beschreibt weiterhin ein Verfahren, welches aus einer
Drehung des zu einer Größe für das Hochziehen gewachsenen
Siliziumimpfkristalls um seine Achse in der Richtung
entgegengesetzt zu der Drehung des Schmelztiegels besteht, der
einen geschmolzenen Halbleiter hält, und zwar bei einer
anfänglichen Drehzahl größer als diejenige des Schmelztiegels
sowie aus einer Erhöhung der Drehzahl des Schmelztiegels in
Übereinstimmung mit der Verringerung des Volumens des
geschmolzenen Halbleiters, der in dem Schmelztiegel
enthalten ist.
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Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die
Konvektion des geschmolzenen Halbleiters für das Kristallwachstum
und die Vibration der Oberfläche des geschmolzenen
Halbleiters in einem auffallenden Auftreten von Wirbelschäden und
in einer Riefenbildung des Wachstums resultieren, wobei die
Drehung des Schmelztiegels in der Koppelung mit der
Konvektion einen forcierten Strom und einen Wirbelstrom innerhalb
des geschmolzenen Halbleiters ergibt, sodaß als ein Ergebnis
die Konzentration von Sauerstoff in einem beträchtlich
weiten Bereich in der Längsrichtung des Zuges variiert wird.
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Für den Zweck einer Vermeidung dieses Nachteils ist daher
ein Verfahren für das Wachsen eines Kristalls vorgeschlagen
worden, welches während des Betriebs des Hochziehens eines
Einkristalls aus einem geschmolzenen Halbleiter die
Konzentration von Sauerstoff in dem Einkristall durch eine
Veränderung der Drehzahl des Behälters steuert, während der
geschmolzene Halbleiter mit einem Magnetfeld beaufschlagt
wird und der Behälter mit dem geschmolzenen Halbleiter in
Drehung versetzt bleibt Japanische Patentanmeldung SHO
58(1983)-74,594
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Dieses Verfahren kann das Auftreten einer verwirbelten
Riefenbildung des Wachstums vermeiden und bewirkt eine
Steuerung der Sauerstoffkonzentration, jedoch zu einem
begrenzten Ausmaß.
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Der Versuch zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration durch
eine Einstellung der Drehzahl des Schmelztiegels ergibt
trotzdem noch den Nachteil, daß die Verteilung der
Sauerstoffkonzentration in der Richtung des Ziehens des
Einkristalls noch immer in einem ziemlich weiten Bereich variiert.
Durch die Steuerung der Drehzahl des Schmelztiegels kann
jedoch eine präzise Steuerung der Sauerstoffkonzentration
innerhalb ± 5 bis 10 % in der Richtung des Ziehens des
Einkristalls erfolgreich erzielt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Erfindung bezweckt eine Überwindung dieser Nachteile
und hat als Aufgabe die Bereitstellung eines Verfahrens,
welches das Ziehen eines Einkristallstabes aus Silizium
umfaßt, während die Sauerstoffkonzentration in der
Längsrichtung des Ziehens präzise gesteuert wird, sodaß dadurch
ein Halbleiter-Einkristallsstab mit einer hohen
Sauerstoffkonzentration von im wesentlichen mehr als 15 ppma über die
gesamte Länge des gewachsenen Einkristalls hergestellt
wird, bei welchem die Konzentration des Sauerstoffs mit
einem vorgeschriebenen Gradienten in der Längsrichtung des
Ziehens des Einkristalls verteilt ist und welcher bei einer
gleichmäßigen Verteilung der Sauerstoffkonzentration eine
Steuergenauigkeit von ± 5 bis 10 % ergibt.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Ziehen eines
Einkristallstabes aus einer Halbleiterschmelze
bereitgestellt, die in einem rotierenden Quarzglas-Schmelztiegel
enthalten ist, unter Anwendung eines horizontalen
Magnetfeldes
(wie bekannt aus Solid State Technology; Band 33,
No. 4, Seiten 163-167, April 1990), gekennzeichnet durch
eine Veränderung der Stärke des horizontalen Magnetfeldes
innerhalb des Bereichs von 500 bis 5.000 Gauss während des
Ziehens des Kristallstabes, um so die Konzentration von
Sauerstoff in dem Kristallstab entlang der axialen Richtung
zu steuern, wobei die Veränderung der Stärke in
Übereinstimmung mit vorbestimmten Messungen der
Sauerstoff-Konzentration und der Stärke des Magnetfeldes vorgenommen wird,
und wobei die Drehzahl des Kristalls höher als 5 U/min und
nicht größer als 16 U/min ist.
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Vorzugsweise wird die Stärke des Magnetfeldes derart
verändert, daß die Konzentration des Sauerstoffs in dem
Kristallstab entlang der axialen Richtung im wesentlichen konstant
ist.
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Ebenfalls vorzugsweise wird die Konzentration des die
Zwischenräume füllenden Sauerstoffs in einem Kristallstab
durch Vergrößerung des horizontalen Magnetfeldes in dem
Ausmaß gesteuert, wie sich die Länge des Kristallstabes
beim Ziehen vergrößert.
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Ebenfalls vorzugsweise wird die Stärke des Magnetfeldes
derart verändert, daß sich die Konzentration des Sauerstoffs
in dem Kristallstab entlang der axialen Richtung in einer
vorbestimmten Art und Weise verändert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Teilquerschnitt, der schematisch die
Konstruktion einer Vorrichtung darstellt, die für die
Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung verwendet
wird.
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Fig. 2 ist eine Vorderansicht zur Darstellung eines
Silizium-Einkristallstabes, der durch die Vorrichtung
der Fig. 1 geformt wurde.
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Fig. 3 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen
der Ziehlänge eines Silizium-Einkristallstabes und
der Sauerstoff-Konzentration zeigt, wobei die
Stärke des Magnetfeldes ein Parameter ist.
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Fig. 4 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem
durch das Muster auf dem Schaubild der Fig. 3
erhaltenen Einkristallstabes und der Stärke des
Magnetfeldes für ein gleichmäßiges Axialprofil der
Sauerstoff-Konzentration zeigt.
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Fig. 5 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der
Ziehlänge des Silizium-Einkristallstabes und der
Konzentration des die Zwischenräume füllenden
Sauerstoffs zeigt, wie erhalten bei dem Experiment
des Ausführungsbeispieles, wobei die Stärke des
Magnetfeldes ein Parameter ist.
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Fig. 6 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der
für das Fixieren der Sauerstoff-Konzentration in
dem Bereich von 18 bis 19 ppma benötigten Stärke
des Magnetfeldes und der Ziehlänge des
Einkristallstabes zeigt, wie erhalten in Übereinstimmung mit
dem in der Darstellung der Fig. 5 gezeigten Muster.
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Fig. 7 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen
der Ziehlänge des Einkristallstabes und der
Konzentration des die Zwischenräume füllenden Sauerstoffs
zeigt, wie erhalten durch eine Veränderung der
Stärke des Magnetfeldes relativ zu der Ziehlänge in
Übereinstimmung mit dem in der Darstellung der Fig. 6
gezeigten Muster.
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Fig. 8 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen
der Drehzahl des Schmelztiegels und der
Konzentration des die Zwischenräume füllenden Sauerstoffs
des Silizium-Einkristallstabes zeigt, wie erhalten
bei einem Betrieb, der in Abwesenheit eines
Magnetfeldes durchgeführt wurde, und einem Betrieb, der
bei Anlegung eines Magnetfeldes von 3.000 G
durchgeführt wurde.
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Fig. 9 ist ein Schaubild, welche die Verteilung der
Konzentration des die Zwischenräume füllenden Sauerstoffs
in der Längsrichtung des Ziehens eines Silizium-
Einkristallstabes zeigt, wie erhalten durch das
herkömmliche Verfahren, das eine Steuerung der
Sauerstoff-Konzentration durch eine Veränderung der
Drehzahl des Einkristallstabes bei Anlegung eines
Magnetfeldes umfaßt.
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Bei den Darstellungen bezeichnet 1 einen
Silizium-Einkristallstab, 2 einen Quarz-Schmelztiegel, 3 eine geschmolzene
Masse, 4 einen Impfkristall, 5 einen hermetisch
verschlossenen Ofen, 6 eine Argon-Gasquelle, 7 eine Heizeinrichtung, 8
ein Ziehwerkzeug, 9 eine Drehwelle, 10 und 11 jeweils einen
Motor, 12 eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
13 eine elektrische Stromquelle und 14 eine Konvektion.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hochziehen eines
Halbleiter-Einkristallstabes aus einem geschmolzenen
Halbleiter, der in einem Quarz-Schmelztiegel enthalten ist,
unter Anwendung eines Magnetfeldes, wobei das Verfahren
gekennzeichnet ist durch eine Fixierung der Drehzahl des Quarz-
Schmelztiegels auf eine Größe von mehr als 5 U/min und eine
Veränderung der Stärke des Magnetfeldes, das an den
geschmolzenen Halbleiter angelegt ist, in Übereinstimmung mit der
Ziehlänge des Einkristallstabes.
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Diese Erfindung erreicht die Herstellung eines Silizium-
Einkristalls mit einer höheren Konzentration des die
Zwischenräume füllenden Sauerstoffs in dem Bereich von 15 bis
20 ppma im Vergleich zu derjenigen, die durch das
herkömmliche CZ Verfahren erreicht wird durch eine Ausführung des
Ziehens des Einkristalls unter Anwendung eines Magnetfeldes
(MCZ Verfahren), während die Drehzahl des
Quarz-Schmelztiegels auf eine Größe von mehr als 5 U/min fixiert wird.
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Der Begriff "Sauerstoff-Konzentration", wie er hier
verwendet wird, ist durch die folgende Formel definiert:
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Sauerstoff-Konzentration (Atome/cm²) = 3.01 x 10¹&sup7;α
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In dieser Formel gibt α einen
Infrarot-Absorptionskoeffizienten (cm&supmin;¹) an.
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Das für die Erhöhung der Konzentration des die Zwischenräume
ausfüllenden Sauerstoffs verantwortliche Prinzip bei dem
MCZ Verfahren mit einer Drehzahl des Schmelztiegels von
mehr als 5 U/min wird nachfolgend erörtert. Als Folge der
Zersetzung des Quarz-Schmelztiegels wird der freigesetzte
Sauerstoff in das geschmolzene Silizium eingeführt und
vermengt sich mit dem Silizium-Einkristall während dessen
Wachstum. Die Geschwindigkeit, mit welcher der
Quarz-Schmelztiegel in das Siliziumfluid aufgelöst wird, ist vermutlich
abhängig von dem Ausmaß, in welchem die Oberfläche des
Quarz-Schmelztiegels durch das viskose Fluid abgerieben
wird. Die wirksame kinematische Viskosität eines
elektroleitfähigen Fluids unter dem Einfluß eines Magnetfeldes
wird durch die folgende Formel ausgedrückt (Kinji Hoshi et
al: Nikkei Electronics, 5. 160, September 15, Ausgabe 1980):
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νeff = (µ HD)² /
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worin νeff die effektive kinematische Viskosität angibt,
µ die magnetische Permeabilität eines Fluids, H die Stärke
eines Magnetfeldes, D den Durchmesser eines Schmelztiegels,
die Elektroleitfähigkeit des Fluids und die Dichte des
Fluids.
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Die Formel gibt an, daß sich die effektive kinematische
Viskosität des Fluids im Verhältnis zu dem Quadrat der
Stärke des Magnetfeldes H erhöht. Es wird angenommen, daß
wenn sich der Wert von H erhöht, sich dann das Ausmaß der
Reibung, die an dem Quarz-Schmelztiegel erzeugt wird,
proportional zu der nachfolgenden Erhöhung der effektiven
kinematischen Viskosität des geschmolzenen Siliziums erhöht,
daß die Geschwindigkeit, bei welcher das geschmolzene
Silizium den Quarz-Schmelztiegel zersetzt, vergrößert wird,
und daß die Sauerstoff-Konzentration in dem
Silizium-Einkristall folglich größer wird als dann, wenn kein Magnetfeld
angelegt ist.
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Diese Erfindung erfordert weiterhin eine Veränderung der
Stärke des Magnetfeldes in Übereinstimmung mit der Ziehlänge
des Einkristalls. Diese Veränderung des Magnetfeldes ist
ein Verfahren, das hinsichtlich der Einfachheit der
Steuerung ungewöhnlich reich vorhanden ist. Der Grund für die
einfache Steuerung wird nachfolgend angegeben.
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Während des Ziehens des Silizium-Einkristalls in dem
Magnetfeld erniedrigt sich die Sauerstoff-Konzentration des
Silizium-Einkristalls wegen der Erniedrigung der
Berührungsfläche zwischen dem geschmolzenen Silizium und dem Quarz-
Schmelztiegel, und die Menge des zu lösenden
Quarz-Schmelztiegels erniedrigt sich allmählich mit dem Fortschritt des
Ziehens. Das vorerwähnte Verfahren der Japanischen
Patentanmeldung SHO 58(1983)-74,594 ist dafür bekannt, daß es
eine im wesentlichen gleichförmige Sauerstoff-Konzentration
über die gesamte Länge des Silizium-Einkristalls erzielt
durch eine allmähliche Erhöhung der Drehzahl des
Schmelztiegels mit dem Fortschritt des Ziehens. Durch dieses
Verfahren wird jedoch die Verteilung der
Sauerstoff-Konzentration in dem Silizium-Einkristall nicht gleichmäßig in
der axialen Richtung, wie gezeigt in Fig. 9. Dieser Mangel
an einer Gleichmäßigkeit der Verteilung der Sauerstoff-
Konzentration kann logisch erklärt werden durch ein Postulat,
daß nämlich die Bewegung des Fluids, weil das Fluid an
Viskosität in einem starken Magnetfeld gewinnt, von einem
stationären Verhalten während der Erhöhung der Drehzahl des
Schmelztiegels beraubt ist und daher als ein Ergebnis der
Sauerstoff, der innerhalb des Fluids ungleichmäßig verteilt
ist, schließlich in den Kristall im Verlauf der Zeit
eingegliedert wird.
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Das geschmolzene Silizium in dem Schmelztiegel ergibt einen
ungewöhnilch komplizierten Zustand, der die Koexistenz von
solchen sich spontan einstellenden Strömen umfaßt, wie
bspw. die thermische Konvektion und den Strom an der
Oberfläche des geschmolzenen Siliziums, der von dem Umfang zu
der Mitte des Kristalls ausgerichtet ist, den forcierten
Strom als Folge der Drehung des Schmelztiegels und den
Wirbelstrom, der aus den vorerwähnten Strömen resultiert.
Diese Ströme werden durch das außen angelegte Magnetfeld
etwas behindert. Wenn die Drehzahl des Schmelztiegels wie
vorbeschrieben geändert wird, dann werden die verschiedenen
Ströme in dem Schmelztiegel gestört, und der forcierte
Strom und der als Folge erzeugte Wirbelstrom, die verstärkt
verschärft werden, ergeben dann einen größeren Beitrag als
die spontan erzeugten Strome, wie bspw. die Konvektion. Es
ergibt sich so der unkontrollierbare Zustand ohne jedes
stationäre Verhalten.
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Es wird daher erforderlich, dem Fluid einen stationären
Strom aufzuerlegen und gleichzeitig die
Sauerstoff-Konzentration in dem Fluid zu erhöhen, ohne daß eine Veränderung
der Drehzahl des Schmelztiegels bewirkt wird. Die
vorliegenden Erfinder haben gefunden, daß ein Silizium-Einkristall,
bei dem die Konzentration des Sauerstoffs in der
Längsrichtung des Ziehens des Kristalls gleichmäßig verteilt ist,
wobei sich die Veränderung nur auf einen sehr engen Bereich
beschränkt, hochgezogen werden kann bei einer Veränderung
der Stärke des Magnetfeldes anstelle einer Veränderung der
Drehzahl des Schmelztiegels. Diese Erfindung ist als
Ergebnis davon perfektioniert worden.
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Diese Erfindung wird nun speziell unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen nachfolgend beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Konstruktion einer Vorrichtung,
die für das Wachstum eines Halbleiter-Kristallstabes 1 der
vorliegenden Erfindung betrieben wird.
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Aus einer Argon-Gasquelle 6 wird Argongas mit einer
angegebenen Fließrate in das Innere eines hermetisch
verschlossenen Ofens 5 angeliefert. Das Argongas wird über einen
Abgabeauslaß (nicht gezeigt) freigesetzt und wird begleitet
von gasförmigem SiO, welches innerhalb des hermetisch
verschlossenen Ofens 5 erzeugt wird. Ein Quarz-Schmelztiegel 2,
der so gestaltet ist, daß er eine Öffnung an der Oberseite
aufweist, ist im wesentlichen in der Mitte des hermetisch
verschlossenen Ofens 5 angeordnet. Das durch eine
Heizeinrichtung 7, die um den Quarz-Schmelztiegel 2 herum
angeordnet ist, thermisch geschmolzene Silizium wird als eine
geschmolzene Masse 3 im Innern des Quarz-Schmelztiegels 2
gehalten. Ein Silizium-Impfkristall 4 ist für eine Berührung
mit der Oberfläche der geschmolzenen Siliziummasse 3
angeordnet. Der Impfkristall 4 ist über eine Ziehspannstange 8
mit einer Drehwelle 9 verbunden, die für eine Drehung durch
einen Motor 10 angepaßt ist. Die Drehwelle 9 wird durch den
Motor 10 gedreht und gleichzeitig durch eine Zieheinrichtung
(nicht gezeigt) mit einer fixen langsamen Geschwindigkeit
hochgezogen. Der Quarz-Schmelztiegel 2 ist an der
Bodenfläche des hermetisch verschlossenen Ofens 5 drehbar
abgestützt und wird durch einen Motor 11 mit einer fixen
Drehzahl (ausgedrückt als CR) von mehr als 5 U/min gedreht, was
in den Bereich von mehr als 5 und bis zu 16 U/min fällt.
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Wenn die Drehzahl weniger als 5 U/min beträgt, dann wird
die hohe Sauerstoff-Konzentration nur mit Schwierigkeit
erhalten. Wenn die Drehzahl mehr als 16 U/min beträgt, dann
wird der forcierte Strom als Folge der Drehung ungewöhnlich
groß und verursacht eine Turbulenz des geschmolzenen
Sihziums. Die Abweichung der Drehzahl von dem vorstehend
angegebenen Bereich ergibt so die Möglichkeit, daß die
gleichmäßige Verteilung der Sauerstoff-Konzentration und
die Verhinderung eines Gitterschadens gefährdet werden.
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Während der Untersuchung der Beziehung zwischen der Drehzahl
des Schmelztiegels und der Stärke des angelegten
Magnetfeldes haben die Erfinder Betriebsdaten für das Hochziehen
eines Silizium-Einkristalls unter Anwendung eines
Magnetfeldes erhalten sowie für den Betrieb des Bewirkens des
Ziehens bei Abwesenheit eines Magnetfeldes, und sie haben
die Daten für die Sauerstoff-Konzentration in dem Kristall
und diejenigen für die Drehzahl des Schmelztiegels für das
in Fig. 8 gezeigte Schaubild berücksichtigt. Sie haben
folglich gefunden, daß sich die Kurven der Daten der beiden
Betriebsarten bei der Drehzahl von 3 U/min kreuzen, daß
wenn die Drehzahl niedriger als 3 U/min ist, die Sauerstoff-
Konzentration höher ist bei Abwesenheit eines Magnetfeldes
als bei Anwesenheit des Magnetfeldes, und daß wenn die
Drehzahl höher ist als 3 U/min, die Sauerstoff-Konzentration
höher ist in Gegenwart des Magnetfeldes als in dessen
Abwesenheit. Die vorliegende Erfindung erzielt die hohe
Sauerstoff-Konzentration durch die Verwendung der Drehzahl
bei einer Höhe von mehr als 5 U/min, was höher ist als der
vorerwähnte kritische Punkt von 3 U/min.
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Außerhalb des hermetisch verschlossenen Ofens 5 ist die ein
Magnetfeld erzeugende Einrichtung 12 angeordnet, die als
ein Elektromagnet ausgebildet ist, bei dem die Stärke des
Magnetfeldes durch einen Gleichstrom I verändert wird. Eine
Stromquelle zur Lieferung des Stromes I an die ein
Magnetfeld erzeugende Einrichtung 12 ist mit der Bezugsziffer 13
bezeichnet.
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Der in Fig. 2 dargestellte Silizium-Einkristallstab 1 ist
durch ein Hochziehen des Impfkristalls 41 der mit der
Oberfläche der geschmolzenen Masse 3 in Berührung gehalten
ist, mit einer niedrigen Geschwindigkeit v in einer
Aufwärtsrichtung ausgebildet, während der Quarz-Schmelztiegel 2 und
der Impfkristall 4 mit einer fixen niedrigen Geschwindigkeit
gedreht werden. Da der Quarz-Schmelztiegel 2 und die
geschmolzene Masse 3 sich an der Innenwand des
Quarz-Schmelztiegels berühren, wie dargestellt in Fig. 1, wird in diesem
Berührungsbereich eine Reibung erzeugt, und der Quarz
Schmelztiegel 2 wird abgerieben und wird Sauerstoff in die
geschmolzene Masse 3 gelöst.
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Der in die geschmolzene Masse 3 aufgelöste Sauerstoff wird
in flüchtiges SiO umgewandelt und wird von der geschmolzenen
Masse 3 freigesetzt und entfernt, während er von dem
Argongas mitgerissen wird. Der Silizium-Einkristallstab 1 enthält
daher allmählich Sauerstoff, weil der Teil des Sauerstoffs,
der entweicht, in der Form von SiO entfernt wird und in der
geschmolzenen Masse 3 verbleibt. Weil der in dem Silizium-
Einkristallstab 1 enthaltene Sauerstoff hauptsächlich aus
solchem Sauerstoff besteht, der die Zwischenräume füllt,
kann die Konzentration des Sauerstoffs, der sich in dem
Silizium-Einkristall vermengt, im wesentlichen gefunden
werden durch eine Untersuchung des Silizium-Einkristalls
auf die Konzentration des die Zwischenräume füllenden
Sauerstoffs (Oi). Da die Menge des Sauerstoffs, der sich in
der geschmolzenen Masse 3 vermengt, direkt proportional ist
zu dem Ausmaß, mit welchem die Innenwand des
Quarz-Schmelztiegels 2 durch die geschmolzene Masse abgerieben wird,
erniedrigt sie sich in dem Ausmaß, wie sich die Menge der
geschmolzenen Siliziummasse erniedrigt.
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Wenn die Bedingungen des Ziehbetriebes festgesetzt sind und
die Länge des Silizium-Einkristallstabes 1 in der
Ziehrichtung mit Li angegeben wird, wie dargestellt in Fig. 2, dann
ergeben die Ziehlänge Li und die Konzentration des die
Zwischenräume füllenden Sauerstoffs Oi begrifflich eine
Beziehung, die mit der Graphik der Fig. 3 dargestellt ist,
bei welcher die horizontale Achse den Maßstab für Li und
die vertikale Achse den Maßstab Oi angibt. Aus den im
wesentlichen geradlinigen Zügen der Graphik ist klar
ableitbar, daß sich der Wert von Oi erniedrigt im umgekehrten
Verhältnis zu der Erhöhung von Li.
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Durch die ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung 12, die um
den Quarz-Schmelztiegel 2 herum angeordnet ist, wird eine
Magnetkraft auf die geschmolzene Masse 3 ausgeübt. Wenn die
Drehzahl CR des Quarz-Schmelztiegels 2 klein ist, dann
verhindert die folgerichtige Erhöhung der Stärke des
Magnetfeldes die im Innern der geschmolzenen Masse 3 erzeugte
Konvektion 14 und verringert die Auflösung des Sauerstoffs
aus dem Quarz-Schmelztiegel 2. Wenn die Drehzahl CR eine
bestimmte Grenze überschreitet, dann wird die Stärke des
Magnetfeldes erhöht und gleichzeitig die Konvektion
verringert. Als Folge der Vergrößerung der augenscheinlichen
Viskosität als Folge des angelegten Magnetfeldes wird
jedoch die Reibung zwischen der Innenwand des
Quarz-Schmelztiegels 2 und der geschmolzenen Masse 3 vergrößert und wird
die Menge des herauszulösenden Sauerstoffs umgekehrt
vergrößert.
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Fig. 3 zeigt die Betriebsdaten unter Verwendung von
Drehzahlen, welche die vorerwähnte Grenze unveränderlich
überschreiten. Die Linie A&sub1; veranschaulicht die Betriebsdaten
unter Verwendung eines Magnetfeldes von 500 G, die Linie A&sub2;
ergibt diejenigen eines Betriebs unter Verwendung eines
Magnetfeldes von 1.000 G, die Linie A&sub3; ergibt diejenigen
eines Betriebs unter Verwendung eines Magnetfeldes von
2.000 G und die Linie A&sub4; ergibt diejenige eines Betriebs
unter Verwendung eines Magnetfeldes von 3.000 G. Die Linien
A&sub1; bis A&sub4; sind nach oben versetzt. Aus der Graphik ist klar
ersichtlich, daß wenn das Magnetfeld an Stärke gewinnt, die
Sauerstoff-Konzentration Oi zu einer Erhöhung neigt, während
die Steigung des Oi Profils in Bezug auf das negative
Ausmaß nicht geändert wird (obwohl geringfügige Änderungen
der Werte der eigentlichen Neigung zu beobachten sind).
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Aus den vorbeschriebenen Daten ist ableitbar, daß durch
eine Veränderung des numerischen Wertes der Stärke Gi des
Magnetfeldes in Übereinstimmung mit der Veränderung von Li
die Sauerstoff-Konzentration Oi auf einem feststehenden
Wert beibehalten werden kann, wie gezeigt in Fig. 3.
Speziell kann die Sauerstoff-Konzentration Oi auf einem
fixierten Niveau Oio beibehalten werden durch eine Festsetzung
der Größe des Magnetfeldes bei 500 G, was auf den
Kreuzungspunkt B&sub1; fällt, wenn Li gleich Lo ist, und wenn die Größe
von Li sich erhöht durch eine allmähliche Veränderung der
Stärke des Magnetfeldes nach B&sub2; bis B&sub4;, also auf die Werte
von 1.000 G, 2.000 G und 3.000 G.
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Bei dieser Erfindung ergibt die ein Magnetfeld erzeugende
Einrichtung 12 ein horizontales Magnetfeld und wird die
Stärke dieses Magnetfeldes in den Bereich von 500 G bis
5.000 G verändert. Der Grund für die Verwendung des
horizontalen Magnetfeldes besteht darin, daß das horizontale
Magnetfeld eine direkte Steuerung der Konvektion erlaubt
und als solches eine präzise und rasche Einstellung
garantiert.
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Wenn die Stärke des Magnetfeldes weniger als 500 G beträgt,
dann kann die Kovektion der geschmolzenen Masse nicht
wirksam verhindert werden. Wenn die Stärke höher als 5.000 G
ist, dann ermangelt der erzeugte Kristall einer guten
Qualität, weil die augenscheinliche Viskosität der
geschmolzenen Masse eine sehr hohe Viskosität besitzt und die
geschmolzene Masse in einem im wesentlichen beruhigten
Zustand verbleibt und ein Umrühren durch die Konvektion
extrem behindert, sodaß als ein Ergebnis die Oberfläche des
Wachstums des Kristalls auffallend konkav ausgebildet ist
relativ zu der geschmolzenen Masse, sodaß dadurch die
Qualität des Produktes gegensätzlich beeinfluß wird. Eine
solche Stärke des Magnetfeldes manifestiert möglicherweise
gegensätzliche Wirkungen auf das menschliche System und
verursacht Schwierigkeiten bei den Meßinstrumenten und den
Geräten, die in der Nähe betrieben werden.
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Durch das Zeichnen einer Linie von Oio auf der Graphik der
in Fig. 3 gezeigten Daten und ein Abtragen der Größen der
Stärke des Magnetfeldes, die an den Kreuzungspunkten relativ
zu der Ziehlänge des Einkristallstabes zu finden sind, wird
die Graphik der Fig. 4 erhalten. Durch ein Hochziehen des
Einkristallstabes gemäß dem Muster der Fig. 4 ergibt der
erzeugte Einkristallstab eine fixierte
Sauerstoff-Konzentration über die gesamte Länge von oben bis unten.
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Die bis jetzt beschriebene Ausführungsform hat die
Eingliederung einer fixierten Sauerstoff-Konzentration an dem
gewachsenen Silizium-Einkristall bezweckt. Wenn die
Herstellung so verallgemeinert wird, daß die
Sauerstoff-Konzentration bspw. die Funktion von Li bildet, ausgedrückt durch
die Formel Oi = f(Li), dann kann der erzeugte Einkristall
eine gewünschte Verteilung der Konzentration des Sauerstoffs
erfahren durch das Ziehen einer Linie von Oi = f(li) auf
der Graphik der Fig. 3 in derselben Art und Weise wie
vorbeschrieben, ein Auffinden der Kreuzungspunkte, ein Abtragen
der Größen der Stärke des Magnetfeldes bei diesen
Kreuzungspunkten relativ zu der Länge des Ziehens des
Einkristallstabes und ein Hochziehen des Einkristalls während der
Veränderung der Starke des Magnetfeldes in Übereinstimmung
mit der Ziehlänge.
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Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf ein
Ausführungsbeispiel nachfolgend näher beschrieben.
Beispiel 1
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Im Betrieb des Hochziehens eines Silizium-Einkristalls durch
das Czochralski Verfahren (CZ Verfahren) wurden 60 kg
Polysiliziumin einen Quarz-Schmelztiegel mit 45.72 cm
(18 inches) Durchmesser eingebracht und darin geschmolzen
und wurde ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser
von 15.24 cm (6 inches) in der Richtung des Wachstums
hochgezogen. In diesem Fall wurde das sog. MCZ (HMCZ)
Verfahren mit einem horizontalen Magnetfeld verwendet. Die
Ergebnisse dieses Experiments waren die folgenden.
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Fig. 5 zeigt die Konzentration des die Zwischenräume
ausfüllenden Sauerstoffs in dem Kristall relativ zu der Stärke
des Magnetfeldes, wie erhalten bei einem Betrieb, der unter
den Bedingungen einer Drehzahl des Schmelztiegels von
10 U/min und einer Drehzahl des Impfkristalls von 20 U/min
durchgeführt wurde. Die Stärke des Magnetfeldes war zwischen
500 und 3.000 G geändert worden. Aus der Graphik ist
erkennbar, daß die Sauerstoff-Konzentration abnahm im umgekehrten
Verhältnis zu der Vergrößerung der Ziehlänge (Verhältnis der
Verfestigung).
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Aus der Graphik der Fig. 5 wurde ein Muster zur Veränderung
der Stärke des Magnetfeldes mit der Ziehlänge vorbereitet,
um die Sauerstoff-Konzentration in dem Bereich von 18 bis
19 ppma zu fixieren. Dieses Muster ist in Fig. 6 gezeigt.
Bei dem tatsächlichen Ziehbetrieb wurde die Stärke des
Magnetfeldes verändert, wobei die Ziehlänge mit der
Ziehbewegung in Übereinstimmung mit dem Muster der Fig. 6
synchronisiert wurde gemäß der Speicherung in einem Rechner. Die
Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Bei dem hergestellten
Silizium-Einkristallstab war die Konzentration des
Sauerstoffs generell in dem Bereich von 18 bis 19 ppma verteilt.
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Aus der bis jetzt gegebenen Beschreibung ist klar, daß die
vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen ergibt.
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(1) Diese Erfindung erlaubt das Hochziehen eines Silizium-
Einkristallstabes mit einer frei gesteuerten Verteilung
der Konzentration des die Zwischenräume ausfüllenden
Sauerstoffs. Sie erlaubt daher die Herstellung eines
Einkristallstabes mit einer gleichmäßigen Konzentration
des die Zwischenräume ausfüllenden Sauerstoffs über
dessen Gesamtlänge, eines Einkristallstabes mit einem
mäßigeren Gradienten der Sauerstoff-Konzentration als
das herkömmliche Produkt und eines Einkristallstabes
mit einer veränderten Verteilung der
Sauerstoff-Konzentration.
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(2) Diese Erfindung erlaubt die Herstellung von Silizium-
Einkristallstäben mit generell höheren Sauerstoff-
Konzentrationen.