DE69831618T2

DE69831618T2 - Freistellenbeherrschendes Silizium mit niedriger Fehlerdichte

Info

Publication number: DE69831618T2
Application number: DE69831618T
Authority: DE
Inventors: Robert Falster; Steve A. Chandler Markgraf; Seamus A. Mcquaid; Joseph C. St. Charles Holzer; Paolo Mutti; Bayard K. Johnson
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: CN1936113A; JP2001518874A; EP1209259B1; MY120036A; EP1209259A2; EP0972094A1; JP4291559B2; CN100547122C; JP2003192492A; JP4299523B2; US20020139294A1; EP1273684B1; DE69840690D1; US6409827B2; DE69807676D1; MY132874A; DE69807676T2; JP4274973B2; CN1936112A; DE69824647D1

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
Die Erfindung betrifft generell die Herstellung von Einkristallsilizium für Halbleiterzwecke, das bei der Herstellung elektronischer Bauteile verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einkristalline Siliziumrohlinge und Wafer die einen axialsymmetrischen Bereich von freistellendominiertem Material welches frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Einkristallsilizium, das Ausgangsmaterial für die meisten Verfahren bei der Herstellung von elektronischen Halbleiterkomponenten, wird üblicherweise mittels des sogenannten Czochralski-Verfahrens („Cz") erzeugt. Nach diesem Verfahren wird polykristallines Silizium („Polysilizium") in einen Tiegel gefüllt und geschmolzen, ein Impfkristall wird in Kontakt mit dem geschmolzenen Silizium gebracht und ein Einkristall wird durch langsames Herausziehen gezüchtet. Nachdem die Bildung eines Halses vollständig ist, wird der Durchmesser des Kristalls durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Schmelzetemperatur vergrößert, bis der erwünschte oder Solldurchmesser erreicht ist. Der zylindrische Hauptkörper des Kristalls, der einen ungefähr konstanten Durchmesser aufweist, wird dann durch Steuern der Ziehgeschwindigkeit und der Schmelzetemperatur gezüchtet, während das Abnehmen der Schmelzeniveau ausgeglichen wird. Nahe am Ende des Züchtungsverfahrens, bevor jedoch der Tiegel mit geschmolzenem Silizium geleert ist, muss der Kristalldurchmesser schrittweise verringert werden, um einen Endkonus zu bilden. Typischerweise wird der Endkonus dadurch gebildet, dass die Kristallziehgeschwindigkeit und die Wärme, die dem Tiegel zugeführt wird, erhöht werden. Sobald der Durchmesser klein genug ist, wird der Kristall von der Schmelze getrennt.
In den letzten Jahren wurde erkannt, dass eine Reihe von Defekten in Einkristallsilizium in der Kristallzüchtungskammer gebildet werden, sobald der Kristall nach der Verfestigung abkühlt. Derartige Defekte entstehen teilweise aufgrund der Anwesenheit eines Überschusses (d. h. einer Konzentration oberhalb der Löslichkeitsgrenze) an intrinsischen Punktdefekten, die als Gitterlücken (Leerstellen, Freistellen) und Selbsteinlagerungsstellen (self-interstitials) bekannt sind. Aus einer Schmelze gezüchtete Siliziumkristalle werden typischerweise mit einem Überschuss der einen oder anderen Art von intrinsischen Punktdefekten gezüchtet, entweder mit Kristallgitterlücken („V") oder Siliziumselbsteinlagerungsstellen („I"). Es wurde vorgeschlagen, dass die Art und die Anfangskonzentration dieser Punktdefekte in Silizium zum Zeitpunkt der Verfestigung festgelegt werden, und dass, wenn diese Konzentrationen ein Niveau der kritischen Übersättigung im System erreichen und die Mobilität der Puntdefekte ausreichend hoch ist, eine Reaktion, oder ein Agglomerierungsvorfall wahrscheinlich auftritt. Agglomerierte intrinsische Punktdefekte im Silizium können das Ausbeutepotenzial des Materials bei der Herstellung von komplexen und hochintegrierten Schaltkreisen beträchtlich verschlechtern.
Defekte vom Gitterlückentyp wurden als Ursprung von beobachtbaren Kristalldefekten wie D-Defekte, Feldbilddefekte (Flow Pattern Defects), (FPDs), Gate Oxid Integritätsdefekte (GOI), kristallerzeugte Teilchendefekte (COP), kristallerzeugte Lichtpunktdefekte (LPDs), wie auch von bestimmten Klassen von Festkörperdefekten, die mittels Infrarotlichtstreuungstechniken, wie etwa Rasterinfrarotmikroskopie und Laserrastertomographie beobachtet werden. In Bereichen mit überschüssigen Gitterlücken liegen auch Defekte vor, die als nuklei für die Ringoxidations-induzierten Packungsfehler (OISF) agieren können. Es wird darüber spekuliert, dass dieser besondere Defekt ein Hochtemperatur-nukleiertes Sauerstoffagglomerat ist, das durch die Gegenwart von überschüssigen Gitterlücken katalysiert wird.
Defekte im Zusammenhang mit Selbsteinlagerungsstellen sind weniger gut untersucht. Sie werden im allgemeinen als niedrige Dichten von zwischengitterartigen Versetzungsschleifen oder Netzwerken angesehen. Diese Defekte sind nicht verantwortlich für Gateoxidintegritäts-Ausfälle, einem wichtigen Gütekriterium für Wafer, jedoch werden sie weithin als die Ursache anderer Arten von Vorrichtungsmängeln angesehen, die gewöhnlich mit Leckstromproblemen verbunden sind.
Die Dichte dieser agglomerierten Gitterlücken und Selbsteinlagerungsdefekte im Czochralski-Silizium liegt üblicherweise im Bereich von etwa 1 × 10³/cm³ bis etwa 1 × 10⁷/cm³. Obwohl diese Werte relativ niedrig sind, sind agglomerierte intrinsische Punktdefekte von schnellwachsender Bedeutung für Vorrichtungshersteller und werden inzwischen tatsächlich als die Ausbeute beschränkte Faktoren bei Vorrichtungsherstellungsverfahren angesehen.
Bis heute existieren generell drei Hauptansätze um das Problem der agglomerierten intrinsischen Punktdefekte anzugehen. Der erste Ansatz umfasst Verfahren die auf Kristallziehtechniken fokussiert sind, um die Zahlendichte der agglomerierten intrinsischen Punktdefekte in dem Rohling zu verringern. Dieser Ansatz kann weiter unterteilt werden in solche Verfahren mit Kristallziehbedingungen die zur Bildung von Material führen, das gitterlückendominiert ist, und jene Verfahren mit Kristallziehbedingungen, die zur Bildung von Material führen, das durch Selbsteinlagerungsstellen dominiert ist. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, dass die Zahldichte der agglomerierten Defekte verringert werden kann durch: (i) Steuerung von v/G₀, um einen Kristall zu züchten in dem Kristallgitterlücken der dominierende intrinsische Punktdefekt sind, und (ii) Beeinflussung der Keimbildungsgeschwindigkeit der agglomerierten Defekte durch Änderung (generell durch Verlangsamung) der Kühlgeschwindigkeit des Siliziumrohlings von etwa 1100°C auf etwa 1050°C während des Kristallziehverfahrens. Obwohl dieser Ansatz die Zahlendichte der agglomerierten Defekte verringert, verhindert er nicht deren Bildung. Da die Anforderungen durch die Vorrichtungshersteller im schärfer werden, wird die Gegenwart dieser Defekte ein zunehmend größeres Problem.
Andere haben vorgeschlagen, die Ziehgeschwindigkeit während des Wachstums des Kristallkörpers auf einen Wert von weniger als etwa 0,4 mm/Minute zu verringern. Dieser Vorschlag ist jedoch auch nicht zufriedenstellend, weil eine so geringe Ziehgeschwindigkeit zu einem verringernden Durchsatz bei jedem der Kristallziehgeräte führt. Noch wichtiger ist, dass diese Ziehgeschwindigkeiten zur Bildung von einkristallinem Silizium führen, das eine hohe Konzentration an Selbsteinlagerungsstellen aufweist. Diese hohe Konzentration führt wiederum zur Bildung von agglomerierten Selbsteinlagerungsdefekten und all den mit diesen Defekten verbundenen, resultierenden Problemen.
Ein zweiter Ansatz um mit dem Problem der agglomerierten intrinsischen Punktdefekte fertig zu werden umfasst Methoden, die auf der Auflösung oder Annihilierung von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten nach ihrer Bildung gerichtet sind. Im allgemeinen wird dies durch Verwendung von Hochtemperaturwärmebehandlungen des Siliziums in der Wafer-Form erreicht. Beispielsweise schlagen Fusegawa et al. in der europäischen Patentanmeldung EP 503 816 A1 vor, den Siliziumrohling mit einer Wachstumsgeschwindigkeit oberhalb von 0,8 mm/Minute zu züchten, und die aus dem Rohling geschnittenen Wafer bei einer Temperatur im Bereich von 1150°C bis 1280°C mit Wärme zu behandeln, um die Defektdichte in einem dünnen Bereich nahe der Waferoberfläche zu verringern. Die erforderliche spezifische Behandlung variiert in Abhängigkeit von der Konzentration und dem Ort der agglomerierten intrinsischen Punktdefekte in dem Wafer. Verschiedene aus einem Kristall geschnittene Wafer, die keine gleichmäßige axiale Konzentration dieser Defekte haben, erfordern unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen nach dem Züchtungsvorgang. Außerdem sind diese Wafer-Wärmebehandlungen relativ teuer, sie beinhalten die Gefahr der Einführung metallischer Verunreinigungen in die Silizium-Wafer und sie sind nicht für alle Typen kristallbezogener Defekte universell wirksam.
Ein dritter Weg zur Behandlung des Problems der agglomerierten intrinsischen Punktdefekte ist die epitaxiale Abscheidung einer dünnen kristallinen Siliziumschicht auf der Oberfläche eines Einkristallsilizium-Wafers. Dieses Verfahren liefert eine Einkristallsiliziumscheibe mit einer Oberfläche, die im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist. Die epitaxiale Abschaltung erhöht jedoch beträchtlich die Kosten des Wafers.
Angesichts dieser Entwicklungen besteht weiterhin ein Bedarf ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallsilizium, das die Bildung agglomerierter intrinsischer Punktdefekte verhindert, indem die Agglomerierungsreaktionen unterdrückt werden, welche diese erzeugen. Statt einfach die Geschwindigkeit zu begrenzen, bei der sich diese Defekte bilden, oder zu versuchen einige der Defekte zu beseitigen nachdem sie sich gebildet haben, will ein Verfahren mit der Wirkung einer Unterdrückung der Agglomerierungsreaktionen ein Siliziumsubstrat liefern, das im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist. Ein solches Verfahren würde auch Einkristallsiliziumwafer mit epi-artigem Ausbeutepotential, ausgedrückt in der pro Wafer enthaltenen Anzahl integrierter Schaltungen, ergeben, ohne die mit einem epitaxialen Verfahren verbundenen hohen Kosten aufzuweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter den Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Einkristallsiliziums in Rohling- oder Wafer-Form mit einem axial symmetrischen Bereich von im wesentlichen radialen Ausdehnung, der im wesentlichen frei von Defekten ist, die aus der Agglomerierung von Kristallgitterlücken oder Silizium-Selbsteinlagerungsstellen ist; sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Einkristallsiliziumrohlings, in dem die Konzentration an Gitterlücken und Selbsteinlagerungsstellen gesteuert wird, um eine Agglomerierung von intrinsischen Punktdefekten in einem axial symmetrischen Segment eines Teils des Rohlings mit einem konstanten Durchmesser zu verhindern, wenn der Rohling von der Erstarrungstemperatur abkühlt.
Kurz gesagt, ist die vorliegende Erfindung daher auf einen Einkristallsilizium-Wafer gerichtet, mit einer zentralen Achse, einer Vorderseite und einer Rückseite, die im allgemeinen senkrecht zur zentralen Achse stehen, einer umlaufenden Kante und einem sich von der Zentralachse zum umlaufenden Rand des Wafers erstreckenden Radius. Der Wafer weist einen ersten axialsymmetrischen Bereich auf, in dem Gitterlücken die vorherrschenden intrinsischen Punktdefekte sind, und der im wesentlichen frei von agglomerierten Gitterlücken-intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich eine Zentralachse umfasst oder eine Breite von mindestens etwa 15 mm aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Einkristallsiliziumrohling mit einer Zentralachse, einem Impfkristallkonus, einem Endkonus, sowie einem Teil mit konstantem Durchmesser zwischen dem Impfkristallkonus und dem Endkonus, mit einer umlaufenden Kante und einem Radius, der sich von der zentralen Achse zu der umlaufenden Kante erstreckt. Der Einkristallsiliziumrohling ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wachstum und Abkühlen des Rohlings von der Erstarrungstemperatur, der Teil mit konstantem Durchmesser einen ersten axialsymmetrischen Bereich enthält, in dem Gitterlücken die vorherrschenden intrinsischen Punktdefekte sind, der im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich eine Zentralachse umfasst oder eine Breite von mindestens etwa 15 mm aufweist, und eine Länge, gemessen entlang der Zentralachse, von mindestens etwa 20% der Länge des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser hat.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Züchten eines Einkristallsiliziumrohlings, bei dem der Rohling eine Zentralachse, einen Impfkristallkonus, einen Endkonus und einen Teil mit konstantem Durchmesser zwischen dem Impfkristallkonus und dem Endkonus aufweist, mit einer umlaufenden Kante und einem sich von der Zentralachse zur umlaufenden Kante erstreckenden Radius. In diesem Verfahren wird der Rohling aus einer Siliziumschmelze gezogen und anschließend gemäß dem Czochralski-Verfahren von der Erstarrungstemperatur abgekühlt. Das Verfahren umfasst die Steuerung einer Wachstumsgeschwindigkeit v und eines mittleren axialen Temperaturgradienten G₀ während des Wachstums des Kristallteils mit konstantem Durchmesser über einen Temperaturbereich von der Erstarrung bis zu einer Temperatur von nicht weniger als 1325°C, um die Bildung eines erstenaxial symmetrischen Segmentes zu bewirken, in dem Gitterlücken bei Abkühlung des Rohlings von der Erstarrungstemperatur der vorherrschende intrinsische Punktdefekt sind, und der im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich eine Breite von wenigstens etwa 15 mm aufweist oder die zentrale Achse enthält.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden teilweise nachfolgend offensichtlich und teilweise im Folgenden ausgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel dafür zeigt, wie die Anfangskonzentration von Selbsteinlagerungsstellen [I] und Gitterlücken [V] sich mit einem Anstieg des Wertes des v/G₀-Verhältnisses ändert, wobei v die Wachstumsgeschwindigkeit und G₀ der mittlere axiale Temperaturgradient sind.
2 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel dafür zeigt, wie ΔG_I, die für die Bildung agglomerierter Einlagerungsstellendefekte erforderliche Änderung der freien Energie, bei gegebener Anfangskonzentration von Selbsteinlagerungsstellen [I] zunimmt, wenn die Temperatur T abnimmt.
3 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel dafür zeigt, wie sich die Anfangskonzentration der Selbsteinlagerungsstellen [I] und Gitterlücken [V] entlang des Radius eines Rohlings oder Wafers ändern können, wenn infolge eines Anstiegs des G₀-Wertes der Wert des v/G₀-Verhältnisses abnimmt. Anzumerken ist, dass an der V/I-Grenze ein Übergang von Gitterlücken-dominiertem Material zu Selbsteinlagerungsstellen-dominiertem Material ist.
4 ist eine Draufsicht eines Einkristallsiliziumrohlings oder Wafers, der Bereiche von Gitterlücken V und Selbsteinlagerungsstellen I dominierten Materialien sowie die dazwischen existierende V/I-Grenze zeigt.
5 ist ein längsseitiger Querschnitt eines Einkristallsilizumrohlings, der im Detail einen axial symmetrischen Bereich eines Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser zeigt.
6 ist eine durch einen Scan an der Minoritätsträger-Lebensdauer eines axialen Schnitts des Rohlings nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungen erzeugten Abbildung, die im Detail einen im Allgemeinen zylindrischen Bereich aus Gitterlücken-dominiertem Material, einen im Allgemeinen ringförmigen, axial symmetrischen Bereich von Selbsteinlagerungsstellen-dominiertem Material, die zwischen diesen bestehende V/I-Grenze und einen Bereich von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten zeigt.
7 ist eine graphische Darstellung der Ziehgeschwindigkeit (d. h. der Impfkornanhebung) als Funktion der Kristalllänge, welche zeigt wie die Ziehgeschwindigkeit über einen Teil der Kristalllänge linear erniedrigt wird.
8 ist eine durch einen Scan der Minoritätsträger-Lebensdauer eines axialen Schnitts des Rohlings nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungen erzeugte Abbildung, wie in Beispiel 1 beschrieben.
9 ist eine graphische Darstellung der Ziehgeschwindigkeit als Funktion der Kristalllänge für jeden von vier jeweils mit 1 bis 4 bezeichneten Einkristallsiliziumrohlingen, die zur Aufstellung einer mit v*(Z) bezeichneten Kurve verwendet wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben.
10 ist eine graphische Darstellung des mittleren axialen Temperaturgradienten G₀ an der Grenzfläche Schmelze/Feststoff als Funktion der radialen Position für zwei verschiedene Fälle wie in Beispiel 2 beschrieben.
11 ist eine graphische Darstellung der Anfangskonzentration der Gitterlücken in [V] oder der Selbsteinlagerungsstellen [I] als Funktion der radialen Position für zwei verschiedene Fälle wie in Beispiel 2 beschrieben.
12 ist eine graphische Darstellung der Temperatur als Funktion der axialen Position, die das axiale Temperaturprofil in Rohlingen für zwei verschiedene Fälle zeigt, wie in Beispiel 3 beschrieben.
13 ist eine graphische Darstellung der Selbsteinlagerungsstellenkonzentrationen, die sich aus den in 12 dargestellten zwei Abkühlbedingungen ergeben, wie eingehender in Beispiel 3 beschrieben.
14 ist eine durch einen Scan der Minoritätsträger-Lebensdauer eines axialen Schnitts eines gesamten Rohlings nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungen erzeugte Abbildung, wie in Beispiel 4 beschrieben.
15 ist eine graphische Darstellung, welche die Position der V/I-Grenze als Funktion der Länge des Einkristallsiliziumsrohlings zeigt, wie in Beispiel 5 beschrieben.
16a ist eine durch einen Scan der Minoritätsträger-Lebensdauer eines axialen Schnitts eines von etwa 100 mm bis 250 mm von der Schulter des Rohlings reichenden Rohlingssegments nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungen, wie in Beispiel 6 beschrieben.
16b ist eine durch einen Scan der Minoritätsträger-Lebensdauer eines axialen Schnitts eines von etwa 250 mm bis etwa 400 mm von der Rohlingsschulter reichenden Rohlingssegments nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungen erzeugte Abbildung, wie in Beispiel 6 beschrieben.
17 ist eine graphische Darstellung des axialen Temperaturgradienten G₀ an verschiedenen axialen Positionen für einen Rohling, wie in Beispiel 7 beschrieben.
18 ist eine graphische Darstellung der radialen Variationen des mittleren axialen Temperaturgradienten G₀ an verschiedenen axialen Positionen eines Rohlings, wie in Beispiel 7 beschrieben.
19 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Ausdehnung des axial symmetrischen Bereichs und der Kühlgeschwindigkeit veranschaulicht, wie in Beispiel 7 beschrieben.
20 ist eine Fotografie eines axialen Schnitts eines von etwa 235 mm bis etwa 350 mm von der Rohlingsschulter reichenden Segments des Rohlings nach Kupferdekoration und einer die Defekte darstellenden Ätzung, wie in Beispiel 7 beschrieben.
21 ist eine Fotografie eines axialen Schnitts eines von etwa 305 mm bis etwa 460 mm von der Rohlingsschulter reichenden Segments des Rohlings nach Kupferdekoration und einer die Defekte darstellenden Ätzung, wie in Beispiel 7 beschrieben.
22 ist eine Fotografie eines axialen Schnitts eines von etwa 140 mm bis etwa 275 mm von der Rohlingsschulter reichenden Segments des Rohlings nach Kupferdekoration und einer die Defekte darstellenden Ätzung, wie in Beispiel 7 beschrieben.
23 ist eine Fotografie eines axialen Schnitts eines von etwa 600 mm bis etwa 730 mm von der Rohlingsschulter reichenden Segments des Rohlings nach Kupferdekoration und einer die Defekte darstellenden Ätzung, wie in Beispiel 7 beschrieben.
24 ist eine graphische Darstellung, welche die radialen Variationen des mittleren axialen Temperaturgradienten G₀(r) zeigt, die in heißen Zonen verschiedener Konfigurationen auftreten können.
25 ist eine graphische Darstellung, welche das axiale Temperaturprofil eines Rohlings den vier verschiedenen heißen Zonen Konfigurationen veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Aufgrund der bisherigen experimentellen Belege scheint es, dass die Art und Anfangskonzentration von intrinsischen Punktdefekten bestimmt wird, wenn der Rohling von der Erstarrungstemperatur (d. h. etwa 1410°C) auf eine Temperatur von mehr als 1300°C (d. h. wenigstens etwa 1325°C, wenigstens etwa 1350°C oder sogar wenigstens etwa 1375°C) abkühlt. Das heißt, die Art und Anfangskonzentration dieser Defekte werden durch das v/G₀-Verhältnis kontrolliert, wobei v die Wachstumsgeschwindigkeit und G₀ der mittlere axiale Temperaturgradient in diesem Temperaturbereich ist.
Unter Bezugnahme auf 1 tritt bei steigenden Werten von v/G₀ ein Übergang von abnehmend Selbsteinlagerungsstellen dominierten Wachstum zu zunehmend Gitterlücken dominiertem Wachstum nahe eines kritischen Werts von v/G₀ auf, der basierend auf gegenwärtig verfügbaren Informationen bei etwa 2,1 × 10^–5 cm²/sK, zu liegen scheint, wobei G₀ unter Bedingungen bestimmt wird, bei denen der axiale Temperaturgradient in dem oben definierten Temperaturbereich konstant ist. Bei diesem kritischen Wert sind die Konzentrationen dieser intrinsischen Punktdefekte im Gleichgewicht.
Wenn der Wert von v/G₀ den kritischen Wert übersteigt, nimmt die Konzentration der Gitterlücken zu. In gleicher Weise steigt die Konzentration von Selbsteinlagerungsstellen, wenn der Wert von v/G₀ unter den kritischen Wert fällt. Wenn diese Konzentrationen ein Niveau der kritischen Übersättigung in dem System erreichen und wenn die Mobilität der Punktdefekte ausreichend hoch ist, tritt mit gewisser Wahrscheinlichkeit eine Reaktion, oder ein Agglomerierungsvorgang ein. Agglomerierte intrinsische Punktdefekte im Silizium können das Ausbeutepotential des Materials bei der Herstellung komplizierter und hochintegrierter Schaltkreise beträchtlich verschlechtern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die Reaktionen bei den Gitterlücken innerhalb der Siliziummatrix miteinander reagieren um agglomerierte Gitterlückendefekte zu erzeugen und bei Selbsteinlagerungsstellen innerhalb der Siliziummatrix miteinander reagieren um agglomerierte Einlagerungsstellendefekte zu erzeugen, unterdrückt werden können. Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt werden zu wollen, wird angenommen, dass die Konzentration der Gitterlücken und Selbsteinlagerungsstellen während des Wachstums und der Abkühlung des Kristallrohlings beim erfindungsgemäßen Verfahren so gesteuert wird, dass die Änderung der freien Energie des Systems niemals einen kritischen Wert überschreitet, bei dem die Agglomerierungsreaktionen unter Bildung agglomerierter Gitterlücken- oder Selbsteinlagerungsstellendefekte spontan auftreten.
Im allgemeinen wird die Änderung der freien Energie des Systems, die für den Reaktionstrieb verfügbar ist, bei der im Einkristallsilizium agglomerierten Gitterlückendefekte aus Gitterlückenpunktdefekten oder agglomerierte Selbsteinlagerungsdefekte aus Selbsteinlagerungsatomen gebildet werden, durch die folgende Gleichung (1) bestimmt:
wobei
ΔG_V/I die Änderung der freien Energie für die Reaktion ist, welche agglomerierte Gitterlückendefekte bildet, oder die Reaktion welche Einlagerungsstellendefekte bildet, je nach Anwendung,
k die Boltzmannkonstante ist,
T die Temperatur in K ist,
[V/I] die Konzentration der Gitterlücken oder Selbsteinlagerungsstellen, je nach Anwendung, an einem Raum- und Zeitpunkt in dem Einkristallsilizium ist, und
[V/I]^eq die Gleichgewichtskonzentration der Gitterlücken oder Einlagerungsstellen, je nach Anwendung, am gleichen Raum- und Zeitpunkt ist, an dem [V/I] auftritt, und bei der Temperatur T.
Gemäß dieser Gleichung führt bei einer gegebenen Gitterlückenkonzentration [V] eine Abnahme der Temperatur T im allgemeinen infolge eines scharfen Abfalls von [V]^eq mit der Temperatur zu einem Ansteigen von ΔG_V. Auf ähnliche Weise fährt bei einer gegebenen Konzentration von Einlagerungsstellen [I] eine Verringerung der Temperatur T im allgemeinen aufgrund eines scharfen Abfalls von [I]^eq mit der Temperatur zu einem Ansteigen von ΔG_I.
2 zeigt schematisch die Änderung von ΔG_I und die Konzentration von Siliziumselbsteinlagerungsstellen für einen Rohling, der von der Erstarrungstemperatur ohne gleichzeitige Anwendung irgendwelcher Mittel zur Unterdrückung der Konzentration der Siliziumselbsteinlagerungsstellen abgekühlt wird. Wenn der Rohling abkühlt, steigt ΔG_I gemäß Gleichung (1) aufgrund der ansteigenden Übersättigung von [I] an, und die Energiebarriere für die Bildung agglomerierter Einlagerungsdefekte wird angenähert. Mit fortschreitender Kühlung wird diese Energiebarriere gegebenenfalls überschritten, und an diesem Punkt setzt eine Reaktion ein. Diese Reaktion führt zur Bildung von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten und zur gleichzeitigen Abnahme von ΔG_I, wenn sich das übersättigte System entspannt, das heißt mit abnehmender Konzentration von [I].
Auf ähnliche Weise steigt ΔG_V gemäß Gleichung (1) infolge der wachsenden Übersättigung von [V] an, wenn ein Rohling von der Erstarrungstemperatur ohne gleichzeitige Verwendung irgendwelcher Maßnahmen zur Unterdrückung der Gitterlückenkonzentration abgekühlt wird, und die Energiebarriere für die Bildung agglomerierter Gitterlückendefekte wird angenähert. Mir fortschreitender Kühlung wird diese Energiebarriere gegebenenfalls überschritten, und an diesem Punkt tritt eine Reaktion auf. Diese Reaktion führt dann zur Bildung von agglomerierten Gitterlückendefekten und der gleichzeitigen Verringerung von ΔG_V, wenn sich das übersättigte System entspannt.
Die Agglomerierung von Gitterlücken und Einlagerungsstellen kann in Bereichen von Gitterlücken- bzw. Einlagerungsstellendominiertem Material beim Abkühlen des Rohlings von der Erstarrungstemperatur vermieden werden, indem die freie Energie des Gitterlückensystems und des Einlagerungsstellensystems bei Werten gehalten wird, die kleiner sind als jene, bei denen Agglomerierungsreaktionen auftreten. Mit anderen Worten, das System kann so kontrolliert werden, das es niemals mit Gitterlücken oder Einlagerungsstellen kritisch übersättigt wird. Dies kann erreicht werden durch Etablieren von Anfangskonzentrationen von Gitterlücken und Einlagerungsstellen (gesteuert durch v/G₀(r), wie im Folgenden definiert), welche genügend niedrig liegen, so dass eine kritische Übersättigung niemals erreicht wird. In der Praxis sind diese Konzentrationen jedoch über den gesamten Kristallradius schwer zu erreichen, und deshalb kann im allgemeinen die kritische Übersättigung durch Drücken der Gitterlückenanfangskonzentration und der Einlagerungsstellenanfangskonzentration nach der Kristallverfestigung, das heißt im Anschluss an die Etablierung der durch v/G₀(r) bestimmten Anfangskonzentration, vermieden werden.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass aufgrund der relativ großen Mobilität der Selbsteinlagerungsstellen, die im allgemeinen etwa 10^–4 cm²/Sekunde beträgt, sowie in einem geringeren Ausmaß der Mobilitätsgitterlücken es möglich ist, die Niederhaltung der Einlagerungsstellen und Gitterlücken über relativ große Distanzen, das heißt Distanzen von etwa 5 cm bis etwa 10 cm oder mehr, mittels der radialen Diffusion von Selbsteinlagerungsstellen zu senken die an der Kristalloberfläche angeordnet sind, oder zu in dem Kristall angeordneten Gitterlücken-dominierten Bereichen zu wirken. Die radiale Diffusion kann in wirksamer Weise dazu benutzt werden die Konzentration für Selbsteinlagerungsstellen und Gitterlücken zu unterdrücken, vorausgesetzt, dass genügend Zeit für die radiale Diffusion der Anfangskonzentration der intrinsischen Punktdefekte gegeben wird. Im allgemeinen hängt die Diffusionszeit von der radialen Variation der Anfangskonzentration der Selbsteinlagerungsstellen und Gitterlücken ab, wobei geringere radiale Variationen kürzere Diffusionszeiten erfordern.
Typischerweise nimmt der mittlere axiale Temperaturgradient G₀ als Funktion eines wachsenden Radius des Einkristallsiliziums zu, welches nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wird. Dies bedeutet, dass der Wert von v/G₀ über den Radius eines Rohlings typischerweise nicht singulär ist. Als Ergebnis dieser Variation ist die Art und Anfangskonzentration der intrinsischen Punktdefekte nicht konstant. Wenn der kritische Wert von v/G₀, der in den 3 und 4 als V/I-Grenze 2 bezeichnet ist, an irgendeinem Punkt entlang des Radius 4 des Rohlings erreicht wird, wird das Material von Gitterlücken-dominiert zu Selbsteinlagerungsstellen-dominiert wechseln.
Außerdem enthält der Rohling eine axialsymmetrischen Bereich aus Selbsteinlagerungsstellen-dominiertem Material 6 (in dem die Anfangskonzentration der Siliziumselbsteinlagerungsatome als Funktion des steigenden Radius zunimmt) der einen im allgemeinen zylindrischen Bereich aus Gitterlücken-dominiertem Material umgibt (in welchem die Anfangskonzentration der Gitterlücken mit zunehmendem Radius abnimmt).
Wenn ein Rohling der eine V/I-Grenze enthält, von der Erstarrungstemperatur abgekühlt wird, verursacht die radiale Diffusion von Einlagerungsatomen und Gitterlücken infolge einer Rekombination von Selbsteinlagerungsstellen mit Gitterlücken eine radial nach innen gerichtete Verschiebung der V/I-Grenze. Außerdem erfolgt eine radiale Diffusion von Selbsteinlagerungsstellen zur Oberfläche des Kristalls, wenn der Kristall abkühlt. Die Oberfläche des Kristalls kann beim Abkühlen des Kristalls Konzentrationen an Punktdefekten beibehalten, die nahe des Gleichgewichts sind. Eine radiale Diffusion von Punktdefekten wird dazu führen, die Selbsteinlagerungsstellenkonzentration außerhalb der V/I-Grenze und die Gitterlückenkonzentration innerhalb der V/I-Grenze zu verringern. Wenn für die Diffusion genügend Zeit zur Verfügung steht, wird deshalb die Konzentration an Gitterlücken und Einlagerungsstellen überall so sein, dass ΔG_V und ΔG_I kleiner sind als die kritischen Werte, bei welchen die Gitterlückenagglomerierungsreaktion und die Einlagerungsstellen-Agglomerierungsreaktionen auftreten.
Nunmehr bezugnehmend auf 5 wird ein Einkristallsiliziumrohling 10 gemäß dem Czochralski-Verfahren in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezüchtet. Der Siliziumrohling umfasst eine Zentralachse 12, ein Impfkonus 14 und einen Endkonus 16, und zwischen dem Impfkonus und dem Endkonus einen Teil 18 mit konstantem Durchmesser. Der Teil mit konstantem Durchmesser hat eine umlaufende Kante 20 und eine sich von der zentralen Achse 12 zu der umlaufenden Kante 20 erstreckenden Radius 4.
Die Kristallwachstumsbedingungen einschließlich der Wachstumsgeschwindigkeit v, dem durchschnittlichen axialen Temperaturgradienten G₀ und die Kühlgeschwindigkeit werden vorzugsweise so gesteuert, dass die Bildung eines axialsymmetrischen Bereichs aus Einlagerungsstellen-dominiertem Material 6, sowie ein im allgemeinen zylindrischer Bereich von Gitterlücken-dominiertem Material 8 bewirkt wird, welcher einen axialsymmetrischen Bereich aus agglomerierten intrinsischen Punktdefekten mit freiem Material 9 enthält. Der axialsymmetrische Bereich 9 hat eine Breite, gemessen entlang des sich von der V/I-Grenze zur Achse 12 erstreckenden Radius, die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wenigstens etwa 15 mm breit ist und vorzugsweise eine Breite hat, die wenigstens 7,5%, insbesondere wenigstens etwa 15%, stärker bevorzugt wenigstens etwa 25% und bei der am meisten bevorzugten Form wenigstens etwa 50% des Radius des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser beträgt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der axialsymmetrische Bereich 9 die Achse 12 des Rohlings, das heißt der axialsymmetrische Bereich 9 und der im Allgemeinen zylindrische Bereich 8 fallen zusammen. Anders gesagt umfasst der Rohling einen im allgemeinen zylindrischen Bereich aus Gitterlücken-dominiertem Material 8, von dem wenigstens ein Teil frei von agglomerierten Defekten ist. Außerdem erstreckt sich der axialsymmetrische Bereich 9 über eine Länge von wenigstens etwa 20%, vorzugsweise von wenigstens etwa 40%, insbesondere wenigstens etwa 60% und stärker bevorzugt wenigstens etwa 80% der Länge des Teils des Rohlings mit konstantem Durchmesser.
Der axialsymmetrische Bereich 6 hat (wenn er vorliegt) im Allgemeinen eine von der umlaufenden Kante 20 radial nach innen zur zentralen Achse 12 gemessene Breite von wenigstens etwa 30%, in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 40%, besonders wenigstens etwa 60%, oder sogar wenigstens etwa 80% des Radius des Teils des Rohlings mit konstantem Durchmesser. Darüber hinaus erstreckt sich der axialsymmetrische Bereich im allgemeinen über eine Länge von wenigstens etwa 20%, vorzugsweise von wenigstens etwa 40%, stärker bevorzugt wenigstens etwa 60%, und noch mehr bevorzugt wenigstens etwa 80% der Länge des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser.
Die Breite der axial symmetrischen Bereiche 6 und 9 kann einige Variationen entlang der Länge der zentralen Achse 12 aufweisen. Für eine axialsymmetrischen Bereich gegebener Länge wird daher die Breite des axialsymmetrischen Bereichs 6 durch Messung des Abstands von der umlaufenden Kante 20 des Rohlings 10 in radialer Richtung bis zu einem Punkt bestimmt, der von der Zentralachse am weitesten entfernt ist. Mit anderen Worten, die Breite wird so gemessen, dass der minimale Abstand innerhalb der gegebenen Länge des axialsymmetrischen Bereichs 6 bestimmt wird. Auf gleiche Weise wird die Breite des axial symmetrischen Bereichs 9 durch Messung des Abstands von der V/I-Grenze 2 in radialer Richtung zu einem Punkt bestimmt, der von der Zentralachse am weitesten entfernt ist. Mit anderen Worten, die Breite wird so gemessen, dass der minimale Abstand innerhalb der gegebenen Länge des axialsymmetrischen Bereichs 9 bestimmt wird.
Die Wachstumsgeschwindigkeit v und der mittlere axiale Temperaturgradient G₀ (wie vorher definiert) werden typischerweise so kontrolliert, dass das Verhältnis v/G₀ in dem Bereich des etwa 0,5 bis etwa 2,5-fachen des kritischen Wertes von v/G₀ ist (das heißt etwa 1 × 10^–5 cm²/sK bis etwa 5 × 10^–5 cm²/sK, basierend auf gegenwärtig verfügbare Information über den kritischen Wert von v/G₀). Vorzugsweise liegt der Wert des Verhältnisses v/G₀ in dem Bereich des etwa 0,6 bis etwa 1,5-fachen des kritischen Wertes von v/G₀ (das heißt etwa 1,3 × 10^–5 cm²/sK bis etwa 3 × 10^–5 cm²/sK, basierend auf gegenwärtig verfügbaren Informationen über den kritischen Wert von v/G₀). Besonders bevorzugt liegt der Wert des v/G₀-Verhältnisses beim etwa 0,75 bis etwa 1,25-fachen des kritischen Wertes von v/G₀ (das heißt etwa 1,6 × 10^–5 cm²/sK bis etwa 2,1 × 10^–5 cm²/sK, basierend auf den gegenwärtigen Informationen über den kritischen Wert von v/G₀). Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat v/G₀ in dem im allgemeinen zylindrischen Bereich 8 einen Wert, der zwischen den kritischen Wert von v/G₀ und den 1,1-fachen des kritischen Wertes von v/G₀ fällt.
Um die Breite des axialsymmetrischen Bereichs 9 zu maximieren, wird der Rohling vorzugsweise von der Erstarrungstemperatur auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1050°C über einen Zeitraum von (i) wenigstens etwa 5 Stunden, vorzugsweise wenigstens etwa 10 Stunden und stärker bevorzugt wenigstens etwa 15 Stunden, bei Siliziumkristallen von 150 mm Nominaldurchmesser, (ii) wenigstens etwa 5 Stunden, vorzugsweise wenigstens etwa 10 Stunden, eher bevorzugt wenigstens etwa 20 Stunden und noch stärker bevorzugt wenigstens etwa 25 Stunden und insbesondere wenigstens etwa 30 Stunden, bei Siliziumkristallen mit 200 mm Nominaldurchmesser, und (iii) wenigstens etwa 20 Stunden, vorzugsweise wenigstens etwa 40 Stunden, stärker bevorzugt wenigstens etwa 60 Stunden und insbesondere wenigstens etwa 75 Stunden bei Siliziumkristallen mit einem Nominaldurchmesser von mehr als 200 mm, gekühlt. Die Steuerung der Kühlgeschwindigkeit kann durch Verwendung beliebiger Maßnahmen erreicht werden, die gegenwärtig im Stand der Technik zur Minimierung des Wärmeübergangs bekannt sind, einschließlich der Verwendung von Isolatoren, Heizern, Strahlungsschirmen und Magnetfeldern.
Die Steuerung des durchschnittlichen axialen Temperaturgradienten G₀ kann durch die Ausdehnung einer „heißen Zone" des Kristallziehgerätes erreicht werden, das heißt des Graphits (oder anderer Materialien), welches den Heizer, die Isolierung, die Wärme- und Strahlungsabschirmung unter anderem ausmacht. Obwohl die Einzelheiten des Designs je nach Herstellung und Modell des Kristallziehgerätes variieren können, kann G₀ im allgemeinen durch Verwendung beliebiger Maßnahmen gesteuert werden, welche zur Zeit im Stand der Technik zur Steuerung des Wärmeübergangs der Grenzfläche Schmelze/Feststoff bekannt sind, einschließlich von Reflektoren, Strahlungsschirmen, Spülrohre, Lichtrohre und Heizer. Im allgemeinen werden die radialen Variationen von G₀ minimiert, indem eine solche Vorrichtung innerhalb von etwa einem Kristalldurchmesser oberhalb der Grenzfläche von Schmelze/Feststoff positioniert wird. G₀ kann außerdem dadurch kontrolliert werden, dass man die Position der Vorrichtung relativ zur Schmelze und zum Kristall einstellt. Dies wird entweder durch Einstellung der Position der Vorrichtung in der heißen Zone erreicht, oder durch Einstellung der Position der Oberfläche der Schmelze in der heißen Zone. Außerdem kann, wenn ein Heizer verwendet wird, G₀ durch Einstellung der dem Heizer zugeführten Energie gesteuert werden. Beliebige oder alle diese Methoden können während eines satzweisen Czochralski-Verfahrens verwendet werden, bei dem sich das Volumen der Schmelze während des Verfahrens erschöpft.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es im allgemeinen bevorzugt, dass der mittlere axiale Temperaturgradient G₀ als Funktion des Durchmessers des Rohlings relativ konstant bleibt. Da jedoch Verbesserungen beim Heißzonen-Design eine Minimierung der Veränderung von G₀ erlauben, sollte angemerkt werden, dass mit der Aufrechterhaltung einer konstanten Wachstumsgeschwindigkeit verbundene mechanische Probleme, ein Faktor von zunehmender Bedeutung werden. Dies ist deshalb so, weil das Wachstumsverfahren gegenüber den Veränderungen der Ziehgeschwindigkeit viel empfindlicher wird, die ihrerseits direkt auf die Wachstumsgeschwindigkeit v einwirken. Hinsichtlich der Verfahrenssteuerung bedeutet dies, dass es günstig ist, Werte für G₀ zu haben, die über den Radius des Rohlings differieren. Signifikante Unterschiede im Wert von G₀ können jedoch zu einer hohen Konzentration von Selbsteinlagerungsstellen führen, die im allgemeinen zum Rand des Wafers hin zunehmen und deshalb die Schwierigkeit erhöhen, die Bildung agglomerierter intrinsischer Punktdefekte zu vermeiden.
Angesichts des Vorgenannten beinhaltet die Steuerung von G₀ einen Ausgleich zwischen der Minimierung radialer Variationen von G₀ und der Aufrechterhaltung günstiger Bedingungen bei der Verfahrenssteuerung. Typischerweise wird daher die Ziehgeschwindigkeit nach etwa einem Durchmesser der Kristalllänge im Bereich von etwa 0,2 mm/Minute bis etwa 0,8 mm/Minute liegen. Vorzugsweise liegt die Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 0,2 mm/Minute bis etwa 0,6 mm/Minute, und insbesondere bei 0,3 mm/Minute bis etwa 0,5 mm/Minute. Anzumerken ist, dass die Ziehgeschwindigkeit vom Kristalldurchmesser und der Bauart der Kristallziehvorrichtung abhängt. Die angegebenen Bereiche sind typisch für Kristalle von 200 mm Durchmesser. Im allgemeinen wird die Ziehgeschwindigkeit abnehmen, wenn der Kristalldurchmesser zunimmt. Das Kristallziehgerät kann jedoch so gebaut sein, dass Ziehgeschwindigkeiten möglich sind die über den oben angegebenen liegen. Im Ergebnis wird das Kristallziehgerät insbesondere so konstruiert sein, dass möglichst hohe Ziehgeschwindigkeiten möglich sind, bei denen noch ein axial symmetrischer Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann.
Die Menge der Selbsteinlagerungsstellendiffusion wird durch Steuerung der Kühlgeschwindigkeit kontrolliert, wenn der Rohling von der Erstarrungstemperatur (etwa 1410°C) auf die Temperatur abgekühlt wird, bei der Siliziumselbsteinlagerungsstellen immobil werden, aus wirtschaftlich-praktischen Gründen. Siliziumselbsteinlagerungsstellen scheinen bei Temperaturen in der Nähe der Verfestigungstemperatur des Siliziums, das heißt bei 1410°C, extrem beweglich zu sein. Diese Beweglichkeit nimmt jedoch ab, wenn die Temperatur des einkristallinen Siliziumrohlings abnimmt. Im allgemeinen verlangsamt sich die Diffusionsgeschwindigkeit der Selbsteinlagerungsstellen so deutlich, dass diese in kommerziell-praktischen Zeiträumen bei Temperaturen unter etwa 700°C und vielleicht bei so hohen Temperaturen wie 800°C, 900°C, 1000°C oder sogar 1050°C im wesentlichen immobil werden. In dieser Hinsicht muss angemerkt werden, dass, obwohl die Temperatur bei der eine Selbsteinlagerungsstellenagglomerierung eintritt, in der Theorie in einem breiten Temperaturbereich variieren kann, dieser Bereich in der Praxis für übliches, nach Czochralski gezüchtetes Silizium relativ eng zu sein scheint. Dies ist eine Konsequenz des relativ engen Bereiches der Anfangskonzentrationen der Selbsteinlagerungsstellen, die man typischerweise bei Silizium erhält, das nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde. Im allgemeinen kann daher eine Agglomerierungsreaktion von Selbsteinlagerungsstellen, wenn überhaupt, bei Temperaturen im Bereich von etwa 1100°C bis etwa 800°C, und typischerweise einer Temperatur von etwa 1050°C auftreten.
In dem Bereich von Temperaturen, in dem Selbsteinlagerungsstellen beweglich zu sein scheinen, und abhängig von der Temperatur in der heißen Zone wird die Kühlgeschwindigkeit typischerweise im Bereich von etwa 0,1°C/Minute bis etwa 3°C/Minute liegen. Vorzugsweise wird die Kühlgeschwindigkeit im Bereich von etwa 0,1°C/Minute bis etwa 1,5°C/Minute liegen, stärker bevorzugt von etwa 0,1°C/Minute bis etwa 1°C/Minute und noch mehr bevorzugt von etwa 0,1°C/Minute bis etwa 0,5°C/Minute.
Durch Steuerung der Kühlgeschwindigkeit des Rohlings in einem Temperaturbereich in dem Selbsteinlagerungsstellen mobil zu sein scheinen, kann den Selbsteinlagerungsstellen mehr Zeit gegeben werden, um an in der Kristalloberfläche befindliche Senken oder zu Gitterlücken-dominierten Bereichen zu diffundieren, wo sie vernichtet werden können. Die Konzentration dieser Einlagerungsstellen kann daher mit dem Effekt abgesenkt werden, dass das Auftreten eines Agglomerierungsvorgangs verändert wird. Die Nutzung der Diffusivität von Einlagerungsstellen durch Steuerung der Kühlgeschwindigkeit hat die Wirkung, die sonst strengen v/G₀-Anforderungen zu entspannen, die erforderlich sind um einen von agglomerierten defektfreien, axialsymmetrischen Bereich zu erhalten. Anders gesagt, ist als Ergebnis der Tatsache, dass die Kühlgeschwindigkeit gesteuert werden kann, um Einlagerungsstellen mehr Zeit zum Diffundieren zu geben, ein großer Bereich von v/G₀-Werten relativ zu dem kritischen Wert akzeptabel, um einen von agglomerierten defektfreien axial symmetrischen Bereich zu erhalten.
Um solche Kühlgeschwindigkeiten über beträchtliche Längen des Kristallteils mit konstantem Durchmesser zu erreichen, muss auch dem Wachstumsprozess des Endkonusrohlings, sowie der Behandlung des Rohlings nach vollständigem Wachstum des Endkonus Beachtung geschenkt werden. Nach dem Ende des Wachstums des Rohlingteils mit konstantem Durchmesser wird die Ziehgeschwindigkeit typischerweise erhöht, um die zur Bildung des Endkonus nötige Kegelbildung zu beginnen. Dieser Anstieg der Ziehgeschwindigkeit führt jedoch dazu, dass der untere Abschnitt des Teils mit konstantem Durchmesser in dem Temperaturbereich, in dem die Selbsteinlagerungsstellen ausreichend mobil sind, schneller abgekühlt wird wie oben diskutiert wurde. Im Ergebnis können diese Selbsteinlagerungsstellen nicht genügend Zeit haben um zur Annihilierung in die Senken zu diffundieren; das heißt die Konzentration in diesem unteren Abschnitt kann nicht in ausreichender Menge unterdrückt werden, und eine Agglomerierung von Einlagerungsdefekten kann daraus resultieren.
Um die Bildung dieser Defekte vom Auftreten in diesem unteren Abschnitt des Rohlings zu verhindern, hat daher der Rohlingteil mit konstantem Durchmesser gemäß dem Czochralski-Verfahren eine gleichmäßige thermische Geschichte. Eine gleichmäßige thermische Vorgeschichte kann erreicht werden, indem man den Rohling mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit nicht nur während des Züchtens des Teils mit konstantem Durchmesser aus der Siliziumschmelze zieht, sondern auch während des Wachstums des Endkonus des Kristalls, und möglicherweise auch nach dem Wachstum des Endkonus. Die relativ konstante Geschwindigkeit kann beispielsweise erreicht werden durch: (i) Verringerung der Drehgeschwindigkeiten des Tiegels und Kristalls während des Wachstums des Endkonus, relativ zu den Tiegel- und Kristall-Drehgeschwindigkeiten während des Wachstums des Kristallshals mit konstantem Durchmesser, und/oder (ii) Erhöhung der dem Heizer zugefügten Energie zur Erwärmung der Siliziumschmelze während des Wachstums des Endkonus, relativ zu der Energie die üblicherweise während des Endkonuswachstums zugeführt wird. Diese zusätzlichen Einstellungen der Prozessvariablen können einzeln oder in Kombination miteinander vorgenommen werden.
Sobald das Wachstum des Endkonus begonnen hat, wird eine Ziehgeschwindigkeit für den Endkonus so eingestellt, dass jedes Segment des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser, das bei einer Temperatur oberhalb von etwa 1050°C bleibt, die gleiche thermische Vorgeschichte wie andere Segmente des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser erfährt, die einen von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten freien, axialsymmetrischen Bereich enthalten, und bereits auf eine Temperatur von weniger als etwa 1050°C abgekühlt sind.
Wie vorher angegeben existiert ein minimaler Radius des Gitterlücken-dominierten Bereiches, bei dem eine Unterdrückung der agglomerierten Einlagerungsstellendefekte erreicht werden kann. Der Wert des minimalen Radius hängt von v/G₀(r) sowie der Kühlgeschwindigkeit ab. Sobald das Kristallziehgerät und die Heißzonen-Designs variieren, werden auch die oben für v/G₀(r) angegebenen Bereiche, die Ziehgeschwindigkeit und die Kühlgeschwindigkeit variieren. Ebenso können diese Bedingungen entlang der Länge eines wachsenden Kristalls variieren. Wie ebenfalls oben angegeben, wird die Breite des von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten freien, Einlagerungsstellen-dominierten Bereichs vorzugsweise maximiert. Daher ist es erwünscht, die Breite dieses Bereichs auf einem Wert zu halten, der möglichst nahe an der Differenz zwischen dem Kristallradius und dem minimalen Radius des Gitterlücken-dominierten Bereichs entlang der Länge des wachsenden Kristalls in einem vorgegebenen Kristallziehgerät liegt, ohne diese zu überschreiten.
Die optimale Breite der axialsymmetrischen Bereiche 6 und 9 und das erforderliche optimale Kristallziehgeschwindigkeitsprofil für ein gegebenes Heißzonen-Design der Kristallziehvorrichtung können empirisch bestimmt werden. Allgemein gesagt umfasst diese empirische Lösung als erstes die Beschaffung leicht verfügbarer Daten über das axiale Temperaturprofil für einen in einem bestimmten Kristallziehgerät gezüchteten Rohling, sowie über die radialen Variationen des mittleren axialen Temperaturgradienten für einen im selben Ziehgerät gezüchteten Rohling. Zusammen werden diese Daten verwendet, um einen oder mehrere Einkristallsiliziumrohlinge zu ziehen, die dann auf die Anwesenheit agglomerierter Einlagerungsstellendefekte analysiert werden. Auf diese Weise kann ein optimales Ziehgeschwindigkeitsprofil bestimmt werden.
6 ist eine Abbildung, die durch einen Scan der Minoritätsträgerlebensdauer eines Abschnitts von einem Rohling mit 200 mm Durchmesser nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlungen erzeugt wurde, welche Defekt-Verteilungsmuster aufzeigen. Sie zeigt ein Beispiel, in dem für ein gegebenes Heißzonen-Design eines Kristallziehgeräts ein nahezu optimales Ziehgeschwindigkeitsprofil verwendet wird. In diesem Beispiel erfolgt ein Übergang von einem v/G₀(r), bei dem die maximale Breite des Einlagerungsstellen-dominierten Bereichs überschritten ist (mit dem Ergebnis der Erzeugung von Bereichen mit agglomerierten Einlagerungsdefekten 28), bis zu einem Optimum von v/G₀(r), bei dem der axialsymmetrische Bereich die maximale Breite aufweist.
Zusätzlich zu den radialen Veränderungen von v/G₀, die aus einem Anstieg von G₀ über den Radius des Rohlings hinaus resultieren, kann v/G₀ auch infolge einer Änderung von v oder als Ergebnis natürlicher Variationen von G₀ während des Czochralski-Verfahrens axial veränderlich sein. Bei einem Standard-Czochralski-Verfahren ändert sich v, wenn die Ziehgeschwindigkeit im Verlauf des Wachstumszyklus eingestellt wird, um den Durchmesser des Rohlings konstant zu halten. Diese Einstellungen oder Änderungen in der Ziehgeschwindigkeit bewirken wiederum, dass sich v/G₀ über die Länge des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser verändert. Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Ziehgeschwindigkeit deshalb gesteuert, um die Breite des axialsymmetrischen Bereichs des Rohlings zu maximieren. Jedoch können deshalb Variationen des Rohlingsradius auftreten. Um sicher zu stellen, dass der resultierende Rohling einen konstanten Durchmesser hat, wird dieser daher auf einen Durchmesser gezüchtet, der größer als gewünschte Durchmesser ist. Der Rohling wird dann im Stand der Technik bekannten Standardverfahren unterzogen, um überschüssiges Material von der Oberfläche zu entfernen und so sicher zu stellen, dass der Rohling mit einem Teil mit konstantem Durchmesser erhalten wird.
Im allgemeinen ist es einfacher Gitterlücken-dominiertes Material, das frei von agglomerierten Defekten ist, herzustellen, wenn die radiale Veränderung des axialen Temperaturgradienten G₀(r) minimiert wird. Bezugnehmend auf 25, sind axiale Temperaturprofile für vier separate Heißzonen-Designs dargestellt. 24 zeigt die Veränderung des axialen Temperaturgradienten G₀(r) von der Mitte des Kristalls bis zu einer Hälfte des Kristallradius, bestimmt durch Mittelung des Gradienten von der Erstarrungstemperatur bis zu der auf der x-Achse angegebenen Temperatur. Wenn Kristalle in den mit Ver. 1 und Ver. 4 bezeichneten Heißzonen, die eine größere radiale Variation von G₀(r) haben, gezogen wurden, war es nicht möglich Kristalle mit von der Mitte zum Rand Gitterlücken-dominiertem Material beliebiger axialer Länge zu erhalten, das frei von agglomerierten Defekten war. Wenn Kristalle in den mit Ver. 2 und Ver. 3 bezeichneten Heißzonen gezogen wurden, die eine kleinere radiale Variation von G₀(r) haben, war es dennoch möglich Kristalle aus von der Mitte zum Rand Gitterlücken-dominiertem Material zu erhalten, das für eine bestimmte axiale Länge des Kristalls frei von agglomerierten Defekten war.
Bei einem Rohling, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und eine V/I-Grenze hat, das heißt einem Rohling, der Gitterlücken-dominiertes Material enthält, hat die Erfahrung gezeigt, das Material mit niedrigem Sauerstoffgehalt, das heißt weniger als etwa 13 PPMA (Atomteile pro Million, ASTM Standard F-121-83) bevorzugt ist. Besonders bevorzugt enthält das einkristalline Silizium weniger als etwa 12 PPMA Sauerstoff, stärker bevorzugt weniger als etwa 11 PPMA Sauerstoff und insbesondere bevorzugt weniger als 10 PPMA Sauerstoff. Dies ist deshalb so, weil bei Wafern mit mittlerem bis hohem Sauerstoffgehalt, das heißt 14 PPMA bis 18 PPMA, die Bildung von sauerstoffinduzierten Packungsfehlern und Banden mit verstärkter Sauerstoffclusterbildung gerade innerhalb der V/I-Grenze stärker ausgeprägt wird. Jede dieser Ursachen ist eine potentielle Quelle für Probleme bei einem gegebenen Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise.
Die Wirkungen der verstärkten Sauerstoffclusterbildung können durch eine Reihe von Verfahren weiter reduziert werden, die einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden können. Beispielsweise bilden sich Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren typischerweise in Silizium, das bei einer Temperatur im Bereich von etwa 350°C bis etwa 750°C getempert wird. Bei einigen Anwendungen ist es daher bevorzugt, dass der Kristall ein „kurzer" Kristall ist, das heißt ein Kristall der in einem Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde, bis das Impfkornende vom Schmelzpunkt des Siliziums (etwa 1410°C) bis etwa 750°C abgekühlt hat, wonach der Rohling schnell abgekühlt wird. Auf diese Weise wird die Zeit in dem für die Bildung von Keimbildungszentren kritischen Temperaturbereich auf einem Minimum gehalten, und die Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren haben nicht ausreichend Zeit um sich in dem Kristallziehgerät zu bilden.
Vorzugsweise werden jedoch die Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren, die sich während des Wachstums des Einkristalls gebildet haben, durch tempern des Einkristallsiliziums aufgelöst. Vorausgesetzt, dass sie nicht einer stabilisierenden Wärmebehandlung unterworfen wurden, können die Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren durch schneller Erhitzen des Siliziums auf eine Temperatur von wenigstens etwa 875°C, und vorzugsweise Fortsetzung der Temperaturerhöhung auf wenigstens 1000°C, wenigstens 1100°C oder mehr aus dem Silizium herausgetempert werden. Wenn das Silizium 1000°C erreicht, wurden im wesentlichen alle (das heißt > 99%) dieser Defekte ausgetempert. Wichtig ist, dass die Wafer schnell auf diese Temperaturen erhitzt werden, das heißt dass die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs mindestens etwa 10°C pro Minute und insbesondere mindestens etwa 50°C pro Minute beträgt. Andernfalls können einige oder alle der Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren durch die Wärmebehandlung stabilisiert werden. Das Gleichgewicht scheint nach relativ kurzen Zeiträumen, das heißt in einer Größenordnung von etwa 60 Sekunden oder weniger erreicht zu werden. Dementsprechend können die Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren in dem Einkristallsilizium durch tempern bei einer Temperatur von mindestens etwa 875°C, vorzugsweise mindestens etwa 975°C und insbesondere mindestens etwa 1100°C während eines Zeitraums von mindestens etwa 5 Sekunden und vorzugsweise mindestens etwa 10 Minuten aufgelöst werden.
Die Auflösung kann in einem herkömmlichen Ofen oder in einem thermischen Schnelltempersystem (RTA) durchgeführt werden. Die thermische Schnelltemperung von Silizium kann in beliebigen aus einer Reihe von im Handel erhältlichen thermischen Schnelltemperungsöfen (RTA) durchgeführt werden, in dem Wafer einzeln durch Reihenanordnungen von Hochleistungslampen erhitzt werden. RTA-Öfen können einen Siliziumwafer schnell erhitzen, das heißt sie können in wenigen Sekunden von Raumtemperatur auf 1200°C erhitzt werden. Ein derartiger im Handel erhältlicher RTA-Ofen ist der Ofen Modell 610, erhältlich von AG Associates (Mountain View, CA). Darüber hinaus kann die Auflösung bei Siliziumrohlingen oder bei Siliziumwafern vorzugsweise bei Wafern durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anfangskonzentration der Siliziumselbsteinlagerungsstellen in dem axial symmetrischen, Selbsteinlagerungsstellen-dominierten Bereich 6 des Rohlings 10 gesteuert. Wiederum bezugnehmend auf 1 wird im allgemeinen die Anfangskonzentration der Siliziumselbsteinlagerungsstellenatome dadurch kontrolliert, dass man die Kristallwachstumsgeschwindigkeit v und den mittleren axialen Temperaturgradienten G₀ so kontrolliert, dass der Wert des Verhältnisses von v/G₀ relativ nahe am kritischen Wert dieses Verhältnisses liegt, bei dem die V/I-Grenze auftritt. Außerdem kann der mittlere axiale Temperaturgradient G₀ so eingestellt werden, dass die Variation von G₀, das heißt G₀(r) (und damit v/G₀(r)) als die Variation von G₀ (und damit v/G₀) als Funktion des Rohlingsradius auch kontrolliert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird v/G₀ so kontrolliert, dass bei mindestens einem Teil der Radiuslänge entlang des Radius keine V/I-Grenze existiert. Auf dieser Länge ist das Silizium von der Mitte zur umlaufenden Kante Gitterlücken-dominiert, und agglomerierte Gitterlückendefekte werden sich in einem von der umlaufenden Kante des Rohlings radial nach innen erstreckenden axialsymmetrischen Bereich grundsätzlich durch Steuerung von v/G₀ vermeiden lassen. Das heißt die Wachstumsbedingungen werden so kontrolliert, dass v/G₀ einen Wert hat, der zwischen den kritischen Wert von v/G₀ und dem 1,1-fachen des kritischen Wertes von v/G₀ fällt.
Es ist anzumerken, dass erfindungsgemäß hergestellte Wafer sich für den Einsatz als Substrate eignen, auf denen eine epitaxiale Schicht abgeschieden werden kann. Die epitaxiale Abscheidung kann durch im Stand der Technik bekannte Maßnahmen erfolgen.
Ferner ist anzumerken, dass sich erfindungsgemäß hergestellte Wafer für den Einsatz mit einer Kombination aus Wasserstoff- oder Argontemperungsbehandlungen eignen, etwa Behandlungen, die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 503,816 A1 beschrieben sind.
VISUELLE DETEKTION VON AGGLOMERIERTEN DEFEKTEN
Agglomerierte Defekte können durch eine Reihe von verschiedenen Techniken festgestellt werden. Beispielsweise können Fließbilddefekte (flow pattern defects) oder D-Defekte typischerweise durch präferentielles Ätzen der Einkristallsiliziumprobe mit einer Secco-Ätzlösung für etwa 30 Minuten, und anschließendes Unterziehen der Probe an eine mikroskopische Überprüfung nachgewiesen werden. (Siehe zum Beispiel H. Yamagishi et al., Semicond. Sci. Technol. 7, A135 (1992)). Obwohl es eine Standardmethode für den Nachweis agglomerierter Gitterlückendefekte ist, kann dieses Verfahren auch zur Detektion agglomerierter Einlagerungsstellendefekte verwendet werden. Wenn diese Technik verwendet wird, erscheinen diese Defekte auf der Oberfläche der Probe als große Ätzvertiefungen (pits), wenn sie vorliegen.
Agglomerierte Defekte können auch unter Verwendung von Laserstreutechniken, wie der Laserstreutomografie detektiert werden, die typischerweise eine kleinere Erfassungsgrenze der Defektdichte als andere Ätztechniken hat.
Außerdem können agglomerierte intrinsische Punktdefekte visuell detektiert werden, durch Dekorieren dieser Defekte mit einem Metall das in der Lage ist in die Einkristallsiliziummatrix bei Anwendung von Wärme einzudiffundieren. Insbesondere können Einkristallsiliziumproben wie Scheiben, kurze Stäbe oder Platten (slugs or slabs) visuell auf die Anwesenheit dieser Defekte überprüft werden, indem zuerst eine Probenoberfläche mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die ein zur Dekorierung dieser Defekte fähiges Metall enthält, etwa eine konzentrierte Kupfernitratlösung. Die beschichtete Probe wird dann etwa 5 Minuten bis etwa 15 Minuten auf eine Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1000°C erhitzt, um das Metall in die Probe eindiffundieren zu lassen. Die wärmebehandelte Probe wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt, um so eine kritische Übersättigung des Metalls und eine Präzipitation an Stellen in der Probenmatrix zu bewirken, an welchen Defekte vorliegen.
Nach dem Abkühlen wird die Probe zuerst einer die Defekte nicht darstellenden Ätzung zur Entfernung von Oberflächenresten und Präzipitationsmitteln unterzogen, indem die Probe etwa 8 bis etwa 12 Minuten mit einer klaren Ätzlösung behandelt wird. Eine typische klare Ätzlösung enthält etwa 55% Salpetersäure (70 Gew.%-ige Lösung), etwa 20% Fluorwasserstoffsäure (49 Gew.%-ige Lösung) sowie etwa 25% Chlorwasserstoffsäure (konzentrierte Lösung).
Die Probe wird dann mit entionisiertem Wasser gespült und einem zweiten Ätzschritt unterzogen, wobei die Probe etwa 35 bis etwa 55 Minuten in eine Secco- oder Wright-Ätzlösung eingetaucht oder mit ihr behandelt wird. Typischerweise wird die Probe mit einer Secco-Ätzlösung geätzt, die im Verhältnis 1:2 etwa 0,15 M Kaliumdichromat und Fluorwasserstoffsäure (49 Gew.%-ige Lösung) enthält. Dieser Ätzschritt hat die Wirkung, agglomerierte Defekte sichtbar zu machen oder darzustellen, die vorliegen können.
Im Allgemeinen können Bereiche von Einlagerungsstellen und Gitterlücken-dominiertem Material das frei von agglomerierten Defekten ist voneinander und von Material das agglomerierte Defekte enthält durch das oben beschriebene Kupferdekorationsverfahren unterschieden werden. Bereiche aus defektfreiem Einlagerungsstellen-dominiertem Material enthalten keine durch Ätzung sichtbar gemachte dekorierte Merkmale, während Bereiche aus defektfreiem Gitterlücken-dominiertem Material (vor einer Sauerstoffkeimauflösungsbehandlung bei hoher Temperatur, wie oben beschrieben) aufgrund der Kupferdekoration der Sauerstoffkeime kleine Ätzvertiefungen enthalten.
Definitionen
Wie hier verwendet, haben die folgenden Ausdrücke oder Begriffe die angegebenen Bedeutungen: „Agglomerierte intrinsische Punktdefekte" bezeichnet Defekte, die verursacht sind durch (i) die Reaktion, bei der Gitterlücken agglomerieren, und D-Defekte, Fließbilddefekte, Gateoxidintegritätsdefekte, kristallverursachte Teilchendefekte, kristallverursachte Lichtpunktdefekte und andere derartige Gitterlücken-bezogene Defekte erzeugt werden oder durch (ii) die Reaktion, bei der Selbsteinlagerungsstellen agglomerieren um Versetzungsschleifen und Netzwerke und andere derartige Selbsteinlagerungsstellen-bezogene Defekte zu erzeugen; „agglomerierte Einlagerungsstellendefekte" bedeutet agglomerierte intrinsische Punktdefekte, verursacht durch Reaktion bei der Siliziumselbsteinlagerungsstellenatome agglomerieren; „agglomerierte Gitterlückendefekte" bedeutet agglomerierte Gitterlückenpunktdefekte, verursacht durch die Reaktion, bei der Kristallgitterlücken bzw. Leerstellen agglomerieren; „Radius" bedeutet der Abstand gemessen von einer zentralen Achse zur umlaufenden Kante eines Wafers oder Rohlings; „im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten" bedeutet eine Konzentration von agglomerierten Defekten, die geringer ist als die Erfassungsgrenze dieser Defekte, die gegenwärtig bei etwa 10³ Defekte/cm³ liegt; „V/I-Grenze" bezeichnet die Position entlang des Radius eines Rohlings oder Wafers, bei dem das Material von Gitterlücken-dominiertem zu Selbsteinlagerungsstellen-dominiertem Material wechselt; und „Gitterlücken-dominiert" sowie „Selbsteinlagerungsstellen-dominiert" bezeichnet ein Material bei dem die intrinsischen Punktdefekte vorherrschend Gitterlücken bzw. Selbsteinlagerungsstellen sind.
Beispiele
Wie die folgenden Beispiele veranschaulichen, liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristallsiliziumrohlings, wobei bei Abkühlung des Rohlings von der Erstarrungstemperatur gemäß dem Czochralski-Verfahren die Agglomerierung von intrinsischen Punktdefekten innerhalb eines axialsymmetrischen Bereichs des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser verhindert wird, und wobei aus dem Rohling Wafer geschnitten werden können.
Die folgenden Beispiele geben einen Satz von Bedingungen an, die zur Erreichung des gewünschten Ergebnisses verwendet werden können. Alternative Lösungen existieren bei einem gegebenen Kristallziehgerät zur Bestimmung eines optimalen Ziehgeschwindigkeitsprofils. Beispielsweise kann ein Einkristall bei Ziehgeschwindigkeiten gezüchtet werden, die entlang der Kristalllänge zunehmen und abnehmen, anstelle von Züchten einer Reihe von Rohlingen mit verschiedenen Ziehgeschwindigkeiten; bei diesem Ansatz würden agglomerierte Selbsteinlagerungsstellendefekte dazu gebracht werden, während des Wachstums des Einkristalls mehrfach zu erscheinen und wieder zu verschwinden. Optimale Ziehgeschwindigkeiten könnten dann für eine Reihe unterschiedlicher Kristallpositionen bestimmt werden. Dementsprechend sollten die vorliegenden Beispiele nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden.
Beispiel 1
Optimierungsverfahren für ein Kristallziehgerät mit einem vorexistierenden Design der Heißzone.
Ein erster 200 mm Einkristallsiliziumrohling wurde unter Bedingungen gezüchtet, bei denen die Ziehgeschwindigkeit über die Kristalllänge linear von etwa 0,75 mm/Minute auf etwa 0,35 mm/Minute fiel. 7 zeigt die Ziehgeschwindigkeit als Funktion der Kristalllänge. Unter Berücksichtigung des vorabgestellten axialen Temperaturprofils des wachsenden Rohlings mit 200 mm in dem Kristallziehgerät und der vorher etablierten radialen Änderungen des mittleren axialen Temperaturgradienten G₀, das heißt des axialen Temperaturgradienten an der Grenzfläche von Schmelze/Feststoff, wurden diese Ziehgeschwindigkeiten ausgewählt um sicher zu stellen, dass der Rohling an einem Ende des Rohlings von der Mitte bis zum Rand Gitterlücken-dominiertes Material aufweist und am anderen Rohlingende von der Mitte bis zur Kante Einlagerungsstellen-dominiertes Material aufweist. Der gezüchtete Rohling wurde in Längsrichtung geschnitten und analysiert, um zu bestimmen, wo die Bildung agglomerierter Einlagerungsstellendefekte anfängt.
8 ist ein Bild, das durch einen Scan der Minoritätsträgerlebensdauer eines axialen Schnitts des Rohlings auf einem von etwa 635 mm bis 760 mm von der Rohlingsschulter reichenden Abschnitt nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlungen, welche Defektverteilungsmuster sichtbar machen, erzeugt wurde. Bei einer Kristallposition von etwa 680 mm ist ein Band agglomerierter Einlagerungsdefekte 28 sichtbar. Diese Position entspricht einer kritischen Ziehgeschwindigkeit von v*(680 mm) = 0,33 mm/Minute. An diesem Punkt ist die Breite des axialsymmetrischen Bereichs 6 (ein Bereich der Einlagerungsstellen-dominiertes Material umfasst, dem aber agglomerierte Einlagerungsstellendefekte fehlen) an seinem Maximum; die Breite des Gitterlücken-dominierten Bereichs 8, R_v*(680) beträgt etwa 35 mm und die Breite des axialsymmetrischen Bereichs R_I*(680) beträgt etwa 65 mm.
Anschließend wurde eine Reihe von vier Einkristallsiliziumrohlingen bei stationären Ziehgeschwindigkeiten gezüchtet, die etwas größer und etwas kleiner waren als die Ziehgeschwindigkeit, bei der man die maximale Breite des axial symmetrischen Bereichs des ersten 200 mm-Rohlings erhalten hat. Die 9 zeigt die Ziehgeschwindigkeit als Funktion der Kristalllänge für jeden der vier Kristalle, die jeweils mit 1–4 bezeichnet sind. Diese vier Kristalle wurden dann analysiert, um die axiale Position (und die entsprechende Ziehgeschwindigkeit) zu bestimmen, bei welcher agglomerierte Einlagerungsstellendefekte als erstes auftauchen oder verschwinden. Diese vier empirisch bestimmten Punkte (mit „*" markiert) sind in 9 gezeigt. Die Interpolation zwischen und die Extrapolation von diesen Punkten ergab eine Kurve, die in 9 mit v*(Z) gekennzeichnet ist. Diese Kurve stellt in einer ersten Annäherung die Ziehgeschwindigkeit für 200 mm-Kristalle als Funktion der Länge in dem Kristallziehgerät dar, bei der der axialsymmetrische Bereich seine maximale Breite erreicht.
Das Züchten weiterer Kristalle bei anderen Ziehgeschwindigkeiten und eine weitere Analyse dieser Kristalle würde die empirische Definition von v*(Z) weiter verfeinern.
Beispiel 2
Verringerung der radialen Variation von G₀(r).
Die 10 und 11 zeigen die Verbesserung der Qualität, die durch Verringerung der radialen Veränderung des axialen Temperaturgradienten der Grenzfläche von Schmelze/Feststoff G₀(r) erreicht werden kann. Die Anfangskonzentration (etwa 1 cm von der Schmelze/Feststoffgrenzfläche) von Gitterlücken und Einlagerungsstellen ist für zwei Fälle mit verschiedenem G₀(r) berechnet: (1) G₀(r) = 2,65 + 5 × 10^–4r² (K/mm) und (2) G₀(r) = 2,65 + 5 × 10^–5r² (K/mm). Für jeden Fall wurde die Ziehgeschwindigkeit so eingestellt, dass die Grenze zwischen Gitterlücken-reichem Silizium und Einlagerungsstellen-reichem Silizium bei einem Radius von 3 cm liegt. Die Ziehgeschwindigkeit im Fall (1) und (2) betrug 0,4 bzw. 0,35 mm/Minute. Aus 11 wird klar, dass die Anfangskonzentration der Einlagerungsstellen in dem Einlagerungsstellen-reichen Teil des Kristalls dramatisch abnimmt, wenn die radiale Variation des anfänglichen axialen Temperaturgradienten verringert wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Materialqualität, da es leichter wird, die Bildung von Einlagerungsstellendefektclustern aufgrund von Übersättigung von Einlagerungsstellen zu verändern.
Beispiel 3
Erhöhte Ausdiffusionszeit von Einlagerungsstellen.
Die 12 und 13 veranschaulichen die Verbesserung der Qualität, die durch Verlängerung der Zeit für die Ausdiffusion der Einlagerungsstellen erreicht werden kann. Die Konzentration der Einlagerungsstellen wird für zwei Fälle mit unterschiedlichen Temperaturprofilen in dem Kristall dT/dz, berechnet. Der axiale Temperaturgradient an der Grenzfläche Schmelze/Feststoff ist in beiden Fällen der gleiche, so dass die Anfangskonzentration (etwa 1 cm von der Grenze Schmelze/Feststoff) der Einlagerungsstellen in beiden Fällen die gleiche ist. In diesem Beispiel wurde die Ziehgeschwindigkeit so eingestellt, dass der gesamte Kristall reich an Einlagerungsstellen ist. Die Ziehgeschwindigkeit betrug in beiden Fällen 0,32 mm/Minute. Die längere Zeit für Einlagerungsstellen Ausdiffusion im Fall 2 führt insgesamt zu einer Verringerung der Einlagerungsstellenkonzentration. Dies führt zu einer Verbesserung der Materialqualität, da es leichter wird die Bildung von Einlagerungsstellendefektclustern aufgrund der Übersättigung mit Einlagerungsstellen zu verhindern.
Beispiel 4
Ein 700 mm langer Kristall mit 150 mm Durchmesser wurde mit sich verändernder Ziehgeschwindigkeit gezüchtet. Die Ziehgeschwindigkeit variierte nahezu linear von etwa 1,2 mm/Minute an der Schulter bis etwa 0,4 mm/Minute bei 430 mm von der Schulter entfernt, und dann nahezu linear zurück bis etwa 0,65 mm/Minute bei 700 mm von der Schulter entfernt. Unter diesen Bedingungen ist in diesem besonderen Kristallziehgerät der gesamte Radius über die Kristalllänge von etwa 320 mm bis etwa 525 mm von der Kristallschulter entfernt unter Einlagerungsstellen-reichen Bedingungen gezogen worden. Bezugnehmend auf 14 ist der Kristall bei einer axialen Position von etwa 525 mm und einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 0,47 mm/Minute frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefektclustern über den gesamten Durchmesser. Anders gesagt gibt es einen kleinen Abschnitt des Kristalls, in dem die Breite des axialsymmetrischen Bereichs, das heißt der im wesentlichen frei von agglomerierten Defekten ist, gleich dem Radius des Rohlings ist.
Beispiel 5
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde eine Reihe von Einkristallsiliziumrohlingen mit verschiedenen Ziehgeschwindigkeiten gezüchtet, und anschließend analysiert, um die axiale Position (und die entsprechende Ziehgeschwindigkeit) zu bestimmen, bei der agglomerierte Einlagerungsstellendefekte zuerst auftauchten oder verschwanden. Die Interpolation zwischen und der Extrapolation von diesen Punkten, dargestellt in einem Diagramm der Ziehgeschwindigkeit gegen die axiale Position lieferte eine Kurve, die in erster Näherung die Ziehgeschwindigkeit für einen 200 mm-Kristall als Funktion der Länge im Kristallziehgerät angibt, bei der der axialsymmetrische Bereich an seiner maximalen Breite ist. Weitere Kristalle wurden anschließend bei anderen Ziehgeschwindigkeiten gezüchtet, und die weitere Analyse dieser Kristalle diente dazu, dieses empirisch bestimmte optimale Ziehgeschwindigkeitsprofil zu verfeinern.
Unter Verwendung dieser Daten und nach diesem optimalen Ziehgeschwindigkeitsprofil wurde ein Kristall von etwa 1000 mm Länge und etwa 200 mm Durchmesser gezüchtet. Wafer des gezogenen Kristalls aus verschiedenen axialen Positionen wurden dann unter Verwendung von im Stand der Technik üblichen Sauerstoffpräzipitationsverfahren analysiert, um zu bestimmen (i) ob sich agglomerierte Einlagerungsstellendefekte gebildet haben, und (ii) um die Position der V/I-Grenze als Funktion des Waferradius zu bestimmen. Auf diese Weise wurde das Vorliegen eines axialsymmetrischen Bereichs sowie auch die Breite dieses Bereichs als Funktion der Kristalllänge oder Kristallposition bestimmt.
Die für axiale Positionen im Bereich von etwa 200 mm bis etwa 950 mm von der Schulter des Rohlings erhaltenen Ergebnisse sind im Diagramm der 15 gezeigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass für das Wachstum eines Einkristallsiliziumrohlings ein derartiges Ziehgeschwindigkeitsprofil bestimmt werden kann, so dass der Rohlingsteil mit konstantem Durchmesser einen axial symmetrischen Bereich mit einer von der umlaufenden Kante radial zur zentralen Achse des Rohlings gemessenen Breite aufweist, die mindestens etwa 40% der Länge des Radius des Teils mit konstantem Durchmesser beträgt. Außerdem zeigen diese Ergebnisse, dass dieser axialsymmetrische Bereich eine entlang der Zentralachse des Rohlings gemessene Länge haben kann, die etwa 75% der Länge des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser beträgt.
Beispiel 6
Ein Einkristallsiliziumrohling mit einer Länge von etwa 1100 mm und einem Durchmesser von etwa 150 mm wurde bei abnehmender Ziehgeschwindigkeit gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit an der Schulter des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser betrug etwa 1 mm/Minute. Die Ziehgeschwindigkeit nahm exponentiell auf etwa 0,4 mm/Minute ab, was einer axialen Position von etwa 200 mm von der Schulter entsprach. Die Ziehgeschwindigkeiten wurden dann linear bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 0,3 mm/Minute verringert, was nahe am Ende des Rohlingsteils mit konstantem Durchmesser erreicht wurde.
Unter diesen Verfahrensbedingungen in dieser speziellen Heißzonenkonfiguration enthält der resultierende Rohling einen Bereich, in dem der axial symmetrische Bereich eine Breite hat, die etwa gleich dem Radius des Rohlings ist. Bezugnehmend nunmehr auf die 16a und 16b, welches Bilder sind, die durch einen Scan der Minoritätsträgerlebensdauer eines Axialschnitts eines Rohlingsteils nach einer Reihe von Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlungen erzeugt wurden, wobei aufeinanderfolgende Rohlingssegmente vorliegen, die in der axialen Position von etwa 100 mm bis etwa 250 mm und von etwa 250 mm bis etwa 400 mm sich erstrecken. Aus diesen Figuren kann entnommen werden, dass ein Bereich in dem Rohling existiert, der in der Axialposition von etwa 170 mm bis etwa 290 mm von der Schulter reicht und über den gesamten Durchmesser frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist. Anders gesagt liegt in dem Rohling ein Bereich vor, in dem die Breite des axialsymmetrischen Bereichs, das heißt des Bereichs der im wesentlichen frei von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten ist, etwa gleich dem Radius des Rohlings ist.
Außerdem gibt es in einem Bereich von einer axialen Position von etwa 125 mm bis etwa 170 mm und von etwa 290 mm bis zu mehr als 400 mm axial symmetrische Bereiche aus Einlagerungsstellen-dominiertem Material, das frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, die einen im allgemeinen zylindrischen Kern aus Gitterlücken-dominiertem Material umgeben, das auch frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist.
Schließlich gibt es in einem Bereich von einer axialen Position von etwa 100 mm bis etwa 125 mm einen axial symmetrischen Bereich mit Einlagerungsstellen-dominiertem Material frei von agglomerierten Defekten, der einen im wesentlichen zylindrischen Kern aus Gitterlücken-dominiertem Material umgibt. Innerhalb des Gitterlücken-dominierten Materials gibt es einen axialsymmetrischen Bereich, der frei von agglomerierten Defekten ist und einen Kern umgibt, der agglomerierte Gitterlückendefekte enthält.
Beispiel 7
Kühlgeschwindigkeit und Position der V/I-Grenze
Eine Reihe von Einkristallsiliziumrohlingen (150 mm und 200 mm Solldurchmesser) wurde nach dem Czochralski-Verfahren unter Verwendung verschiedener Heißzonenkonfigurationen, die durch im Stand der Technik bekannte Maßnahmen gestaltet wurden, gezüchtet, welche die Verweilzeit des Siliziums bei Temperaturen oberhalb von etwa 1050°C beeinflussen.
Das Ziehgeschwindigkeitsprofil für jeden Rohling variierte längs der Länge des Rohlings in einem Versuch, einen Übergang von einem Bereich mit agglomerierten Gitterlückenpunktdefekten zu einem Bereich mit agglomerierten Einlagerungsstellendefekten zu erzeugen.
Sobald gezogen, wurden die Rohlinge entlang der Zentralachse parallel zur Wachstumsrichtung der Länge nach geschnitten und dann weiter in Abschnitte geteilt, die jeweils eine Dicke von etwa 2 mm hatten. Unter Verwendung der oben beschriebenen Kupferdekorationstechnik wurde dann ein Satz von diesen Längsschnitten erhitzt und absichtlich mit Kupfer kontaminiert, wobei die Heizbedingungen für die Auflösung der hohen Konzentration an Kupfereinlagerungsstellen ausreichend war. Nach dieser Wärmebehandlung wurden die Proben dann schnell abgekühlt, wobei die Kupferverunreinigungen entweder ausdiffundierten oder an Stellen präzipitiert wurden, wo Oxidcluster oder agglomerierte Einlagerungsstellendefekte vorlagen. Nach einer Standardätzung zur Aufzeigung von Defekten wurden die Proben visuell auf die Anwesenheit von präzipitierten Verunreinigungen überprüft; diejenigen Bereiche, die frei von derartigen präzipitierten Verunreinigungen waren, entsprachen den Bereichen, die von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten frei waren.
Ein weiterer Satz von Längsabschnitten wurde einer Reihe von Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlungen unterzogen, um vor der Kartierung der Trägerlebensdauer die Keimbildung und das Wachstum neuer Oxidcluster zu bewirken. Die Kontrastbanden in der Lebensdauerkartierung wurden verwendet, um die Gestalt der momentanen Schmelze/Feststoffgrenzfläche an verschiedenen axialen Positionen jedem Rohling zu bestimmen und zu messen. Die Information über die Gestalt der Schmelze/Feststoffgrenzfläche wurde dann verwendet, wie weiter unten diskutiert, um den absoluten Wert und die radiale Veränderung des mittleren axialen Temperaturgradienten G₀ zu schätzen. Diese Information wurde auch in Verbindung mit der Ziehgeschwindigkeit verwendet, um die radiale Variation von v/G₀ abzuschätzen.
Um die Wirkung der Wachstumsbedingungen auf die resultierende Qualität des Einkristallsiliziumsrohlings genauer zu überprüfen wurden mehrere Annahmen gemacht, die auf gegenwärtig verfügbaren experimentellen Belegen beruhen und als gerechtfertigt angesehen werden. Um die Behandlung der thermischen Vorgeschichte in Form der Abkühlzeit auf eine Temperatur, bei der die Agglomerierung von Einlagerungsstellendefekten eintritt zu vereinfachen, wurde zunächst angenommen, dass etwa 1050°C eine vernünftige Annäherung für die Temperatur ist, bei der die Agglomerierung bei Siliziumselbsteinlagerungsstellen auftritt. Diese Temperatur scheint mit Änderungen der Dichte agglomerierter Einlagerungsstellendefekte zusammenzufallen, die während der Versuche beobachtet wurden, wobei verschiedene Kühlgeschwindigkeiten angewendet wurden.
Obwohl, wie oben angegeben, es auch ein Faktor der Konzentration an Einlagerungsstellen ist, ob die Agglomerierung erfolgt, wird angenommen, dass Agglomerierung nicht bei Temperaturen über etwa 1050°C erfolgt, weil bei einem gegebenen für Czochralski-Wachstumsverfahren typischem Bereich von Einlagerungsstellenkonzentrationen es vernünftig ist anzunehmen, dass das System oberhalb dieser Temperatur nicht mit Einlagerungsstellen kritisch übersättigt ist. Anders gesagt, bei Konzentrationen von Einlagerungsstellen, die für Czochralski-Züchtungsverfahren typisch sind, ist es vernünftig anzunehmen, dass das System nicht kritisch übersättigt wird und daher ein Agglomerierungsvorgang oberhalb einer Temperatur von etwa 1050°C nicht erfolgen wird.
Die zweite gemachte Annahme um den Effekt der Züchtungsbedingungen auf die Qualität des Einkristallsiliziums zu parametrieren, ist die, dass die Temperaturabhängigkeit der Diffusivität der Siliziumselbsteinlagerungsstellen vernachlässigbar ist. Anders gesagt wird angenommen, dass Selbsteinlagerungsstellen bei allen Temperaturen zwischen über 1400°C und etwa 1050°C mit der gleichen Geschwindigkeit diffundieren. Unter der Annahme, dass etwa 1050°C als eine vernünftige Annäherung für die Agglomerierungstemperatur anzusehen ist, ist der wesentliche Punkt dieser Annahme, dass die Details der Abkühlungskurve vom Schmelzpunkt aus ohne Bedeutung sind. Die Diffusionsdistanz hängt nur von der Gesamtzeit ab, welche die Abkühlung vom Schmelzpunkt auf etwa 1050°C braucht.
Unter Verwendung der Daten des axialen Temperaturprofils für jedes Heißzonendesign und des aktuellen Ziehgeschwindigkeitsprofils für einen bestimmten Rohling, kann die gesamte Abkühlungszeit von etwa 1400°C auf etwa 1050°C berechnet werden. Es ist anzumerken, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Temperatur bei allen Heißzonen ändert, vernünftigerweise gleichförmig war. Diese Gleichförmigkeit bedeutet, dass ein beliebiger Fehler in der Auswahl einer Keimbildungstemperatur für agglomerierte Einlagerungsstellendefekte, das heißt etwa 1050°C, in argumentierbarer Weise nur zu maßstäblichen Fehlern der berechneten Kühlzeit führt.
Um die radiale Ausdehnung des Gitterlücken-dominierten Bereichs des Rohlings (R_Gitterlücke) oder alternativ die Breite des axial symmetrischen Bereichs zu bestimmen, wurde ferner angenommen, dass der Radius des Gitterlücken-dominierten Kerns, bestimmt durch die Lebensdauerkartierung, dem Punkt bei der Erstarrung äquivalent ist, wo v/G₀ = v/G₀ kritisch ist. Anders gesagt, es wurde generell angenommen, dass die Breite des axialsymmetrischen Bereichs auf die Position der V/I-Grenze nach der Abkühlung auf Raumtemperatur bezogen wurde. Darauf wird hingewiesen, weil wie oben erwähnt mit der Abkühlung des Rohlings eine Rekombination der Gitterlücken und Siliziumselbsteinlagerungsstellen auftreten kann. Wenn Rekombination auftritt, verschiebt sich die tatsächliche Position der V/I-Grenze zur zentralen Achse des Rohlings nach innen. Es ist diese Endposition, auf die hier Bezug genommen wird.
Um die Berechnung von G₀, des mittleren axialen Temperaturgradienten im Kristall zur Zeit der Erstarrung zu vereinfachen, wurde angenommen, dass die Form der Schmelze/Feststoffgrenzfläche die Schmelzpunktisotherme ist. Die Kristalloberflächentemperaturen wurden unter Verwendung von finit-element-modeling (FEA)-Techniken und der Details der Heißzonendesigns berechnet. Das gesamte Temperaturfeld innerhalb des Kristalls, und daher auch G₀, wurden durch Lösung der Laplacéschen Gleichung mit geeigneten Grenzbedingungen, nämlich des Schmelzpunkts entlang der Grenzfläche Schmelze/Feststoff und der FEA-Ergebnisse für die Oberflächentemperatur entlang der Kristallachse abgeleitet. Die bei verschiedenen axialen Positionen an einem der hergestellten und ausgewerteten Rohlinge erhaltenen Ergebnisse sind in 17 dargestellt.
Um die Wirkung abzuschätzen, welche die radiale Variation von G₀ auf die anfängliche Einlagerungsstellenkonzentration haben, wurde eine radiale Position R', das heißt eine Position in der Mitte zwischen der V/I-Grenze und der Kristalloberfläche, als die weiteste Entfernung angenommen, die eine Siliziumselbsteinlagerungsstelle von einer Senke in dem Rohling aufweisen kann, egal ob diese Senke in einem Gitterlücken-dominierten Bereich oder auf der Kristalloberfläche ist. Unter Verwendung der Wachstumsgeschwindigkeit und der G₀-Daten für den obigen Rohling liefert die Differenz zwischen dem berechneten v/G₀ an der Position R', und v/G₀ an der V/I-Grenze (das heißt dem kritischen v/G₀-Wert) eine Angabe der radialen Variation der anfänglichen Einlagerungsstellenkonzentration, wie auch der Wirkung, die diese auf die Fähigkeit von überschüssigen Einlagerungsstellen hat, eine Senke auf der Kristalloberfläche oder in dem Gitterlücken-dominierten Bereich zu erreichen.
Für diesen besonderen Datensatz scheint es so zu sein, dass es keine systematische Abhängigkeit der Kristallqualität von der radialen Variation von v/G₀ gibt. Wie aus 18 entnommen werden kann, ist bei dieser Probe die axiale Abhängigkeit in dem Rohling minimal. Die Wachstumsbedingungen bei dieser Experimentreihe stellen einen ziemlich engen Bereich der radialen Variation von G₀ dar. Im Ergebnis ist diese Datenreihe zu eng, um eine erkennbare Abhängigkeit der Qualität (das heißt der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Bande von agglomerierten intrinsischen Punktdefekte) von der radialen Variation von G₀ festzustellen.
Wie angemerkt, wurden Proben jedes hergestellten Rohlings an verschiedenen axialen Positionen auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten bewertet. Bei jeder geprüften Axialposition kann eine Korrelation zwischen der Qualität der Probe und der Breite des axialsymmetrischen Bereichs aufgestellt werden. Nunmehr bezugnehmend auf 19 kann eine graphische Darstellung gemacht werden, welche die Qualität der angegebenen Probe mit der Zeit vergleicht, bei der man die Probe an dieser besonderen Axialposition von der Erstarrung bis etwa 1050°C abkühlen ließ. Wie erwartet zeigt diese Darstellung, dass die Breite des axial symmetrischen Bereichs (das heißt R_Kristall – R_Gitterlücke) eine starke Abhängigkeit von der Kühlgeschichte der Probe in diesem besonderen Temperaturbereich hat. Um die Breite des axial symmetrischen Bereichs zu vergrößern, liegt der Trend nahe, dass längere Diffusionszeiten oder langsamere Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich sind.
Auf der Basis der vorliegenden Daten in dieser Darstellung kann eine am besten passende Linie berechnet werden, die im allgemeinen einen Übergang von der Siliziumqualität von „gut" (das heißt defektfrei) zu „schlecht" (das heißt Defekte enthaltend), als Funktion der Kühlzeit darstellt, die man bei einem gegebenen Rohlingsdurchmesser innerhalb dieses besonderen Temperaturbereichs verstreichen lässt. Diese allgemeine Beziehung zwischen der Breite des axial symmetrischen Bereichs und der Kühlgeschwindigkeit kann in Form der folgenden Gleichung ausgedrückt werden: (RKristall – RÜbergang)2 = Deff × t1050°C worin
R_Kristall der Radius des Rohlings ist,
R_Übergang der Radius des axialsymmetrischen Bereichs bei der Axialposition in der Probe ist, wo ein Übergang in dem Einlagerungsstellen-dominierten Material von defektfrei zu Defekt enthaltend oder umgekehrt erfolgt,
D_eff eine Konstante ist, die etwa 9,3 × 10^–4 cm²sec^–1 beträgt, und welche die mittlere Zeit und Temperatur der Einlagerungsstellendiffusivität angibt, und
T_1050°C die benötigte Zeit ist, die bei einer gegebenen Axialposition der Probe für die Abkühlung von der Erstarrung bis etwa 1050°C notwendig ist.
Wiederum bezugnehmend auf 19, ist ersichtlich, dass bei einem gegebenen Rohlingsdurchmesser eine Kühlzeit geschätzt werden kann, um einen axialsymmetrischen Bereich von gewünschtem Durchmesser zu erhalten. Bei einem Rohling mit einem Durchmesser von etwa 150 mm kann beispielsweise ein axialsymmetrischer Bereich mit einer Breite von etwa gleich dem Radius des Rohlings erhalten werden, wenn man in diesem Temperaturbereich von etwa 1410°C bis etwa 1050°C diesen besonderen Teil des Rohlings über etwa 10 bis etwa 15 Stunden abkühlen lässt. Auf ähnliche Weise kann bei einem Rohling mit einem Durchmesser von etwa 200 mm ein axialsymmetrischer Bereich mit einer Breite von etwa gleich dem Radius des Rohlings erhalten werden, wenn man in diesem Temperaturbereich den besonderen Teil des Rohlings etwa 25 bis 35 Stunden abkühlen lässt. Wenn diese Linie weiter extrapoliert wird, können Kühlzeiten von etwa 65 bis etwa 75 Stunden erforderlich sein, um einen axialsymmetrischen Bereich mit einer Breite zu erhalten, die etwa dem Radius des Rohlings mit einem Durchmesser von etwa 300 mm entspricht. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass mit zunehmendem Durchmesser des Rohlings eine zusätzliche Kühlzeit aufgrund der Zunahme des Abstandes erforderlich ist, über den die Einlagerungsstellen diffundieren müssen, um die Senken an der Rohlingsoberfläche oder den Gitterlückenkern zu erreichen.
Nunmehr bezugnehmend auf die 20, 21, 22 und 23 können die Auswirkungen einer vergrößerten Kühlzeit für verschiedene Rohlinge beobachtet werden. Jede dieser Figuren zeigt einen Rohlingsteil mit einem Solldurchmesser von 200 mm, wobei die Abkühlzeit von der Erstarrungstemperatur auf 1050°C in den 20 bis 23 fortlaufend zunimmt.
In der 20 ist ein Rohlingsteil gezeigt, der in der Axialposition von der Schulter von etwa 235 mm bis etwa 350 mm reicht. Bei einer axialen Position von etwa 255 mm ist die Breite des von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten-freien Bereich an ihrem Maximum, das etwa 45% des Rohlingsradius beträgt. Jenseits dieser Position erfolgt ein Übergang von einem Bereich, der von diesen Defekten frei ist, zu einem Bereich in dem diese Defekte vorliegen.
Bezugnehmend auf 21 wird ein Rohlingsteil gezeigt, der in der Axialposition von der Schulter von etwa 305 mm bis etwa 460 mm reicht. Bei einer Axialpositon von etwa 360 mm ist die Breite des von agglomerierten Einlagerungsstellendefekten-freien axialsymmetrischen Bereichs an ihrem Maximum, das etwa 65% des Rohlingsradius ausmacht. Jenseits dieser Position beginnt die Bildung von Defekten.
Nunmehr bezugnehmend auf 22 wird ein Rohlingsteil gezeigt, der in der Axialpositon von der Schulter von etwa 140 mm bis etwa 275 mm reicht. Bei einer Axialposition von etwa 210 mm ist die Breite des axialsymmetrischen Bereichs in etwa gleich dem Radius des Rohlings; das heißt ein kleiner Teil des Rohlings innerhalb dieses Bereichs ist frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten.
Nunmehr bezugnehmend auf 23 wird ein Rohlingsteil gezeigt, der in der Axialposition von der Schulter von etwa 600 mm bis etwa 730 mm reicht. Über eine Axialposition die von etwa 640 bis etwa 665 mm reicht, ist die Breite des axialsymmetrischen Bereichs etwa gleich dem Radius des Rohlings. Außerdem ist die Länge des Rohlingsabschnitts, in dem die Breite des axial symmetrischen Bereichs etwa gleich dem Radius des Rohlings ist, größer als die, die bei dem Rohling in 22 beobachtet wird.
Zusammengenommen betrachtet zeigen deshalb die 20, 21, 22 und 23 die Auswirkung der Kühlzeit auf 1050°C auf die Breite und die Länge des defektfreien axialsymmetrischen Bereichs. Im allgemeinen traten die Bereiche mit agglomerierten Einlagerungsstellendefekten aufgrund einer fortschreitenden Abnahme der Kristallziehgeschwindigkeit auf, was zu einer anfänglichen Einlagerungsstellenkonzentration führte, die bei der Abkühlzeit jenes Kristallteils zu groß für eine Reduzierung war. Eine größere Länge des axial symmetrischen Bereichs bedeutet, dass ein größerer Bereich von Ziehgeschwindigkeiten (das heißt von anfänglichen Einlagerungsstellenkonzentration) für das Wachstum dieses defektfreien Materials verfügbar ist. Die Verlängerung der Abkühlzeit ermöglicht eine höhere Anfangskonzentration von Einlagerungsstellen, da genügend Zeit zur radialen Diffusion erreicht werden kann, um die Konzentration unter die für die Agglomerierung von Einlagerungsstellendefekten erforderliche kritische Konzentration zu drücken. Mit anderen Worten, bei längeren Kühlzeiten werden etwas geringere Ziehgeschwindigkeiten (und damit höhere anfängliche Einlagerungsstellenkonzentrationen) immer noch zu einem maximalen axialsymmetrischen Bereich 6 führen. Längere Kühlzeiten führen deshalb zu einem Anstieg der zulässigen Ziehgeschwindigkeitsvariation wegen der für einen maximalen Durchmesser des axialsymmetrischen Bereichs erforderlichen Bedingung, und sie erleichtern die Einschränkungen bei der Prozesssteuerung. Im Ergebnis wird das Verfahren für einen axialsymmetrischen Bereich über große Längen des Rohlings einfacher.
Wiederum bezugnehmend auf 23 liegt über eine von etwa 665 mm bis zu mehr als 730 mm von der Kristallschulter reichende Axialposition ein Bereich von Gitterlücken-dominiertem Material, das frei an agglomerierten Defekten ist, vor, in dem die Breite des Bereichs gleich dem Radius des Rohlings ist.
Wie aus den oben genannten Daten ersichtlich ist, kann mittels der Steuerung der Kühlgeschwindigkeit die Konzentration der Einlagerungsstellen dadurch gedrückt werden, dass man den Einlagerungsstellen mehr Zeit gibt, um in Bereiche zu diffundieren wo sie ausgelöscht werden können. Im Ergebnis wird die Bildung agglomerierter Einlagerungsstellendefekte innerhalb eines beträchtlichen Teils des Einkirstallsiliziumrohlings verhindert.
Angesichts des oben ausgeführten wird klar, dass die verschienen Aufgaben der Erfindung gelöst wurden.

Claims

Eine Einkristall-Silizium-Halbleiterscheibe, die eine zentrale Achse, eine Vorderseite und eine Rückseite, die im allgemeinen senkrecht zur Zentralachse sind, eine umlaufende Kante, einen Radius, der sich von der zentralen Achse bis zur umlaufenden Kante der Halbleiterscheibe erstreckt, und einen nominalen Durchmesser von 150 mm, 200 mm, oder größer als 200 mm aufweist, wobei die Halbleiterscheibe umfasst: einen ersten axialsymmetrischen Bereich, in dem Gitterlücken der vorherrschende intrinsische Punktdefekt sind und der im allgemeinen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst oder eine Breite von wenigstens 15 mm aufweist; und einen zweiten axialsymmetrischen Bereich, in dem Silizium-Selbsteinlagerungsatome der vorherrschende intrinsische Punktdefekt sind und der im allgemeinen frei von agglomerierten Silizium-Selbsteinlagerungs-intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der zweite axialsymmetrische Bereich sich radial von dem ersten axialsymmetrischen Bereich bis zur umlaufenden Kante erstreckt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 25% des Radius beträgt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 3, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 50% des Radius beträgt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 5, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 60% des Radius beträgt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 7, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiterscheibe einen Sauerstoffgehalt aufweist, der weniger als 13 PPMA beträgt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiterscheibe einen Sauerstoffgehalt aufweist, der weniger als 11 PPMA beträgt.
Die Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiterscheibe eine Abwesenheit von Sauerstoffabscheidungs-Keimbildungszentren aufweist.
Ein Einkristall-Siliziumrohling, der eine zentrale Achse, einen Impfkonus, einen Endkonus und einen Teil mit konstantem Durchmesser zwischen dem Impfkonus und dem Endkonus mit einer umlaufenden Kante, einem Radius, der sich von der Zentralachse zu der umlaufenden Kante erstreckt, und einem nominalen Durchmesser von 150 mm, 200 mm, oder größer als 200 mm aufweist, wobei der Einkristall-Siliziumrohling dadurch charakterisiert wird, dass – nachdem der Rohling gezüchtet und von der Verfestigungstemperatur abgekühlt ist – der Teil mit konstantem Durchmesser umfasst: einen ersten axialsymmetrischen Bereich, in dem Gitterlücken der vorherrschende intrinsische Punktdefekt sind und der im wesentlichen frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst oder eine Breite von wenigstens 15 mm hat und eine entlang der Zentralachse gemessene Länge von wenigstens 20% des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings aufweist; und, einen zweiten axialsymmetrischen Bereich, in dem Silizium-Selbsteinlagerungsatome der vorherrschende intrinsische Punktdefekt sind und der im wesentlichen frei von agglomerierten Silizium-Selbsteinlagerungs-intrinsischen Punktdefekten ist, wobei der zweite axialsymmetrische Bereich sich radial von dem ersten axialsymmetrischen Bereich bis zur umlaufenden Kante erstreckt und eine Länge aufweist, die der Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs entspricht.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 40% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 60% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 15, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 80% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 17, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei die Breite des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 25% des Radius umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 19, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 19, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 40% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 19, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 60% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 23, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 19, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 80% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 12, wobei die Breite des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 50% des Radius beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 26, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 26, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 40% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 28, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 26, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 60% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 30, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 26, wobei die Länge des ersten axialsymmetrischen Bereichs wenigstens 80% der Länge des Teils mit konstantem Durchmesser des Rohlings beträgt.
Der Einkristall-Siliziumrohling gemäß Anspruch 32, wobei der erste axialsymmetrische Bereich die zentrale Achse umfasst.