DE102007005346B4

DE102007005346B4 - Halbleiterscheiben aus Silicium und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102007005346B4
Application number: DE102007005346.2A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Phys. Sattler Andreas; Dr.-Phys. Ammon Wilfried von; Dr.-Phys. Weber Martin; Dr.-Phys. Häckl Walter; Herbert Schmidt
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2027-02-03
Also published as: CN102174710A; US20080187736A1; JP2011231012A; KR20080072548A; JP2008189544A; CN102174710B; CN101302646B; SG144857A1; JP5930629B2; TW200833881A; TWI363108B; US8043427B2; KR100953361B1; US20110316128A1; US8231725B2; JP4819833B2; CN101302646A; DE102007005346A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium, die weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm aufweisen, umfassend das Ziehen eines an einer Phasengrenze wachsenden Einkristalls aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze und das Abtrennen von Halbleiterscheiben von dem gezogenen Einkristall, wobei während des Ziehens des Einkristalls Wärme zu einem Zentrum der Phasengrenze geleitet und ein radialer Verlauf eines Verhältnisses V/G vom Zentrum bis zu einem Rand der Phasengrenze gesteuert wird, mit G als dem Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenze und mit V als der Ziehgeschwindigkeit, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, und wobei der radiale Verlauf des Verhältnisses V/G derart gesteuert wird, dass der Einfluss von thermomechanischen Spannungsfeldern im Einkristall, die an die Phasengrenze angrenzen, hinsichtlich der Entstehung intrinsischer Punktdefekte kompensiert wird, indem der radiale Verlauf von V/G derart eingestellt wird, dass (V/G)t/(V/G)c mindestens größer als 1,8 ist, wobei (V/G)c das niedrigste Verhältnis V/G in einem unter Druckspannung stehenden und an ein Zentrumsgebiet der Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist und (V/G)t das höchste Verhältnis V/G in einem unter Zugspannung stehenden und an einen Randbereich des Einkristalls und die Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist, und derart, dass die Abweichung von V/G von einem kritischen Verhältnis umso größer ist, je stärker die thermomechanischen Spannungsfelder sind, wobei das kritische Verhältnis dasjenige ist, das im Fall einer flachen Phasengrenze nach dem Voronkov-Modell Voraussetzung ist, damit ein defektbildender Überschuss an intrinsischen Punktdefekten nicht entsteht.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium, umfassend das Ziehen eines an einer Phasengrenze wachsenden Einkristalls aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze und das Abtrennen von Halbleiterscheiben von dem gezogenen Einkristall, wobei während des Ziehens des Einkristalls Wärme zu einem Zentrum der Phasengrenze geleitet und ein radialer Verlauf eines Verhältnisses V/G vom Zentrum bis zu einem Rand der Phasengrenze gesteuert wird, mit G als dem Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenze und mit V als der Ziehgeschwindigkeit, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird.
Gegenstand der Erfindung sind auch defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicium, die mit diesem Verfahren hergestellt werden können. Halbleiterscheiben aus Silicium werden im Kontext der Erfindung als defektfrei bezeichnet, sofern weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm nachweisbar sind.
Ein Verfahren wird im Kontext dieser Erfindung als wirtschaftlich angesehen, wenn es insbesondere ermöglicht, Einkristalle mit einem Durchmesser von mindestens 300 mm mit einer Geschwindigkeit aus einem Tiegel zu ziehen, die mindestens 0,5 mm/min beträgt und defektfreie Halbleiterscheiben mit hoher Ausbeute liefert, bezogen auf die Gesamtausbeute an Halbleiterscheiben.
In der DE 103 39 792 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Silicium beschrieben, die bezüglich ihrer Defekteigenschaften optimiert sind. Im Fokus der Betrachtungen stehen intrinsische Punktdefekte und deren Ansammlungen (Agglomerate) sowie das Voronkov-Modell, das Voraussagen über die Bildung solcher Defekte ermöglicht. Bei den intrinsischen Punktdefekten unterscheidet man Silicium-Zwischengitteratome (engl. „interstitials”) und Leerstellen (engl. „vacancies”). Geraten Punktdefekte beim Abkühlen des Einkristalls in Übersättigung bilden Silicium-Zwischengitteratome Ansammlungen, die sich in Form von Versetzungsschleifen (engl. „dislocation loops”, A-Swirl-Defekte, LPITs) und kleineren Clustern (B-Swirl-Defekte) nachweisen lassen. Leerstellen bilden bei Übersättigung Leerstellen-Ansammlungen (engl. „voids”), die je nach Nachweismethode unter anderem COP-Defekte (engl. „crystal originated particles”, COPs), FPD (engl. „flow pattern defects”), LLS (engl. „localized light scatterers”) oder auch DSOD („Direct Surface Oxide Defects”) genannt werden. Es muss darauf geachtet werden, dass Halbleiterscheiben aus Silicium im für die Herstellung der Bauelemente relevanten Bereich keine A-Swirl-Defekte aufweisen und möglichst frei von COP-Defekten sind, deren Größe im Bereich der Strukturbreiten der Bauelemente oder darüber liegt. Halbleiterscheiben, die diesem Erfordernis genügen, werden häufig als defektfrei oder perfekt bezeichnet, obwohl ihr Kristallgitter in der Regel kleinere COP-Defekte oder B-Swirl-Defekte oder beide Defekttypen enthält. Nach dem Voronkov-Modell hängt es beim Ziehen des Einkristalls im Wesentlichen vom Verhältnis aus der Ziehgeschwindigkeit V, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, und dem Temperaturgradienten G senkrecht zur Phasengrenze zwischen dem wachsenden Einkristall und der Schmelze ab, welcher intrinsische Punktdefekt-Typ im Überschuss in das Kristallgitter eingebaut wird. Oftmals wird anstelle des Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenze auch der senkrecht zur Oberfläche der Schmelze gerichtete axiale Temperaturgradient in Modellrechnungen verwendet. Unterschreitet das Verhältnis V/G ein kritisches Verhältnis, entsteht ein Überschuss an Silicium-Zwischengitteratomen. Wird das kritische Verhältnis überschritten, überwiegen die Leerstellen. Ist ein Überschuss von Leerstellen vorhanden, hängt die Größe der sich bildenden COP-Defekte im Wesentlichen von zwei Prozessparametern ab, nämlich dem bereits erwähnten Verhältnis von V/G und von der Geschwindigkeit, mit der der Einkristall im Bereich von ungefähr 1100°C bis 1000°C, der Nukleationstemperatur von Leerstellen-Ansammlungen, abkühlt. Die COP-Defekte werden demnach umso kleiner, je näher das Verhältnis V/G am kritischen Verhältnis liegt und je schneller der Einkristall in dem genannten Temperaturbereich abkühlt. In der Praxis wird daher angestrebt, die beiden Prozessparameter während des Ziehens des Einkristalls so zu steuern, dass die durch Übersättigung von Leerstellen entstehenden Defekte ausreichend klein bleiben, um bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen nicht zu stören. Da die Strukturbreiten der Bauelemente mit jeder Generation abnehmen, sinkt die noch tolerierbare Defektgröße entsprechend.
Durch Korrosion des üblicherweise aus Quarz bestehenden Tiegels wird Sauerstoff in die Schmelze eingetragen. Der Sauerstoff bildet im Einkristall kleine Ausscheidungen, sogenannte Präzipitate (engl. „as grown bulk micro defects”, BMDs). Diese sind in einem gewissen Umfang erwünscht, weil sie metallische Verunreinigungen an sich binden (gettern) können und dies genutzt werden kann, um solche Verunreinigungen vom Bereich der Oberfläche weg ins Innere (engl. „bulk”) der Halbleiterscheibe zu verlagern.
Wird der Einkristall unter Bedingungen gezogen, bei denen das Verhältnis V/G nur geringfügig über dem kritischen Verhältnis liegt, bilden sich in der Folge der Wechselwirkung von Leerstellen und Sauerstoffatomen auch Keime, aus denen OSF-Defekte (engl. „oxidation induced stacking faults”) hervorgehen. Die Präsenz eines Gebiets mit solchen Keimen (OSF-Gebiet) wird üblicherweise nachgewiesen, indem eine vom Einkristall abgetrennte Halbleiterscheibe für einige Stunden einer Oxidation in nassem Sauerstoff bei ungefähr 1100°C unterzogen wird, wodurch OSF-Defekte gebildet werden. Da dieser Defekttyp ebenfalls nachteilig für die Funktionstüchtigkeit von elektronischen Bauelementen ist, ist man bestrebt, die OSF-Bildung zu unterdrücken, beispielsweise, indem die Konzentration von Sauerstoff in der Schmelze soweit herabgesetzt wird, dass im Einkristall weniger Sauerstoff eingelagert wird, als es zur Bildung von OSF-Defekten erforderlich wäre. Das OSF-Gebiet kann auch durch Veränderung des Verhältnisses V/G vermieden werden, beispielsweise indem höhere oder niedrigere Ziehgeschwindigkeiten verwendet werden. Außerdem kann die Ausbildung von OSF-Keimen durch höhere Abkühlraten (im Temperaturbereich der Präzipitation bei 900°C) vermindert werden. Ferner ist bekannt, dass es zur Vermeidung von OSF-Defekten vorteilhaft ist, wenn der Einkristall eine geringe Konzentration an Wasserstoff enthält.
Besondere Schwierigkeiten bei der Steuerung des Verhältnisses V/G ergeben sich aus dem Umstand, dass der Einkristall am Rand üblicherweise schneller abkühlt, als im Zentrum, weshalb das Verhältnis V/G vom Zentrum zum Rand hin abnimmt. Das kann trotz einer entsprechenden Kontrolle dazu führen, dass sich im Zentrum unakzeptabel große COP-Defekte und/oder im Randbereich A-Swirl-Defekte bilden. Die Abhängigkeit von G von der radialen Position r, G(r), muss daher besonders dann berücksichtigt werden, wenn defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicium mit größeren Durchmessern wirtschaftlich hergestellt werden sollen.
In der oben erwähnten DE 103 39 792 A1 wird vorgeschlagen, einen von unten zum Zentrum der Phasengrenze gerichteten Transport von Wärme zu bewirken. Zwei Ziele werden damit verfolgt. Zum einen soll durch die mit dem Wärmetransport verbundene Steigerung des Temperaturgradienten G erreicht werden, dass die Ziehgeschwindigkeit V entsprechend erhöht werden kann, ohne dass deshalb Defekte generiert werden. Zum anderen soll der radiale Verlauf des Verhältnisses V/G homogenisiert, also ausgeglichen werden, so dass es vom Zentrum bis zum Rand der Phasengrenze möglichst wenig schwankt und möglichst nahe am kritischen Verhältnis liegt. Mit dieser Strategie gelingt die Herstellung defektfreier Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm, wobei der Einkristall mit einer Geschwindigkeit von 0,36 mm/min gezogen werden kann.
Die JP 2000-044 388 A beschreibt eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silicium, die über die gesamte Oberfläche OSF-Defekte oder OSF-Nuklei aufweist, und die von einem Einkristall stammt, der unter der Bedingung gezogen wurde: Ge – Gc ≤ 0, mit Ge und Gc als Temperaturgradienten zwischen der Schmelztemperatur und 1400°C am Rand (Ge) und im Zentrum (Gc) des Einkristalls.
In der US 2004/0112277 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls aus einem Tiegel beschrieben, wobei ein aktiver Schmelzen-Wärmetauscher (MHE) eingesetzt wird, um einen gleichförmigen Verlauf des Temperaturgradienten G zu erreichen.
In EP 1 158 076 A1 ist die Herstellung von Einkristallen aus Silicium mit einem möglichst großen perfekten Kristallbereich beschrieben. Der radiale Verlauf des Quotienten V/G wird auf einen engen Wertebereich von 0,16–0,18 mm²/°C beschränkt und das Verhältnis (V/G)e/(V/G)c am Rand beziehungsweise im Zentrum des Einkristalls ist nicht mehr als 1,125.
Die US 5 954 873 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung defektfreier Einkristalle aus Silicium in einem CZ-Ofen. V/G wird derart eingestellt, dass es in einem ersten Bereich, der von der Mitte des Einkristalls bis zu einem Abstand von 20 bis 40 mm innerhalb des Rands des Einkristalls reicht, in einem engen Wertebereich von 0,20–0,22 mm²/°C min und in einem zweiten Bereich, der vom ersten Bereich bis zum Rand des Einkristalls reicht, in einem Wertebereich von 0,20–0,33 mm²/°C min bleibt.
In der US 6,869,478 B2 ist beschrieben, dass eine in Richtung des Einkristalls gekrümmte Phasengrenze einen Temperaturgradienten erzeugt, der senkrecht zur Phasengrenze am steilsten ist. Unter Berücksichtigung des Voronkov-Modells, wonach Punktdefekte in Richtung des Temperaturgradienten diffundieren und wonach Silicium-Zwischengitteratome schneller diffundieren als Leerstellen, ist weiter beschrieben, dass die durch die Krümmung der Phasengrenze bewirkte radiale Diffusion von Silicium-Zwischengitteratomen die Konzentration von Leerstellen im Zentrum der Phasengrenze erhöht. Daher wird auch das Verhältnis von V/G, bei dem sich die Konzentrationen von Leerstellen und Silicium-Zwischengitteratomen entsprechen, umso niedriger sein, je stärker die Phasengrenze zum Einkristall hin gekrümmt ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Vorhersagen zu Defektverteilungen, selbst wenn diese die radiale Diffusion berücksichtigen, von den in Experimenten gefundenen Defektverteilungen umso stärker abweichen, je schneller die Geschwindigkeit ist, mit der der Einkristall gezogen wurde und je größer der Durchmesser des Einkristalls ist.
1 zeigt ein extremes Beispiel für diesen Befund. Es wurde ein Einkristall aus Silicium mit einem nominalen Durchmesser von 300 mm mit hoher Ziehgeschwindigkeit gezogen und ein inhomogener radialer Verlauf von V/G eingestellt. Im Zentrumsbereich wurde V/G derart niedrig eingestellt, dass nach den Vorstellungen des Voronkov-Modells die Bildung von A-Swirl-Defekten in diesem Bereich erwartet werden konnte. Tatsächlich wurden jedoch COP-Defekte mit einem Durchmesser von größer als 30 nm gefunden. Im Randbereich wurde das Verhältnis V/G derart hoch eingestellt, dass sich dort große COP-Defekte bilden sollten. Tatsächlich wurden jedoch A-Swirl-Defekte gefunden.
Diese Ergebnisse zeigten, dass die bis dahin im Stand der Technik verfolgte Strategie, ein Verhältnis V/G einzustellen, dessen radialer Verlauf sich möglichst nicht ändert und das möglichst mit dem kritischen Verhältnis übereinstimmt, nicht erfolgreich sein wird, wenn defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicium wirtschaftlich hergestellt werden sollen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hier Abhilfe zu schaffen, indem ein wirtschaftlich arbeitendes Verfahren aufgezeigt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium, die weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm aufweisen, umfassend das Ziehen eines an einer Phasengrenze wachsenden Einkristalls aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze und das Abtrennen von Halbleiterscheiben von dem gezogenen Einkristall, wobei während des Ziehens des Einkristalls Wärme zu einem Zentrum der Phasengrenze geleitet und ein radialer Verlauf eines Verhältnisses V/G vom Zentrum bis zu einem Rand der Phasengrenze gesteuert wird, mit G als dem Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenze und mit V als der Ziehgeschwindigkeit, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, und wobei der radiale Verlauf des Verhältnisses V/G derart gesteuert wird, dass der Einfluss von thermomechanischen Spannungsfeldern im Einkristall, die an die Phasengrenze angrenzen, hinsichtlich der Entstehung intrinsischer Punktdefekte kompensiert wird, indem der radiale Verlauf von V/G derart eingestellt wird, dass (V/G)t/(V/G)c mindestens größer als 1,8 ist, wobei (V/G)c das niedrigste Verhältnis V/G in einem unter Druckspannung stehenden und an ein Zentrumsgebiet der Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist und (V/G)t das höchste Verhältnis V/G in einem unter Zugspannung stehenden und an einen Randbereich des Einkristalls und die Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist, und derart, dass die Abweichung von V/G von einem kritischen Verhältnis umso größer ist, je stärker die thermomechanischen Spannungsfelder sind, wobei das kritische Verhältnis dasjenige ist, das im Fall einer flachen Phasengrenze nach dem Voronkov-Modell Voraussetzung ist, damit ein defektbildender Überschuss an intrinsischen Punktdefekten nicht entsteht.
Nach intensiven Untersuchungen haben die Erfinder thermomechanische Spannungsfelder als mögliche Ursache identifiziert, mit der die experimentellen Befunde plausibel erklärt werden können. Thermomechanische Spannungsfelder können die Konzentrationen von intrinsischen Punktdefekten und damit unmittelbar auch die Defektbildung überraschenderweise stark beeinflussen. Nach den Erkenntnissen der Erfinder muss die Stärke der thermomechanischen Spannungsfelder reduziert und ihre Wirkung bei der Gestaltung des radialen Verlaufs von V/G kompensiert werden, damit insbesondere Einkristalle mit einem Durchmesser von mindestens 300 mm, die defektfreie Halbleiterscheiben liefern, wirtschaftlich gezogen werden können.
K. Tanahashi und N. Inoue, Journal of Materials Science: Materials in Electronics 10 (1999) 359–363, haben sich mit thermomechanischen Spannungsfeldern in kristallisierendem Silicium und deren Einfluss auf die Diffusivität und Löslichkeit von intrinsischen Punktdefekten beschäftigt. Sie kommen zwar zu dem Ergebnis, dass im Bereich von Zugspannung die Bildung von Silicium-Zwischengitteratomen und im Bereich von Druckspannung die Bildung von Leerstellen thermodynamisch begünstigt ist, ihre Modellrechnungen zeigen aber auch, dass daraus keine besonderen Auswirkungen auf die Defektbildung erwachsen sollten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass der Einfluss der thermomechanischen Spannungsfelder erheblich werden kann und die Erfindung lehrt, dass die Stärke der Spannungsfelder begrenzt werden muss. Außerdem muss ihr Einfluss hinsichtlich der Entstehung intrinsischer Punktdefekte kompensiert werden. Das geschieht zweckmäßigerweise dadurch, dass der Temperaturgradient G in einem unter Druckspannung stehenden Bereich des Einkristalls, der an ein Zentrumsgebiet der Phasengrenze angrenzt, größer gehalten wird, als in einem unter Zugspannung stehenden Bereich, der an ein Randgebiet der Phasengrenze angrenzt und sich bis zum Rand des Einkristalls erstreckt. Durch den größeren Temperaturgradienten im Bereich der Druckspannungen steht eine größere Anzahl von Silicium-Zwischengitteratomen zur Verfügung, die die wegen der Druckspannungen zusätzlich vorhandenen Leerstellen eliminieren.
Durch den kleineren Temperaturgradienten im Bereich der Zugspannungen steht eine größere Anzahl von Leerstellen zur Verfügung, die die wegen der Zugspannung zusätzlich vorhandenen Silicium-Zwischengitteratome eliminieren. Im Ergebnis wird ein ausgeglichenes Verhältnis von Leerstellen und Silicium-Zwischengitteratomen erhalten, das erwünscht ist, weil es eine maßgebliche Voraussetzung für die Herstellung defektfreier Halbleiterscheiben ist.
Bezogen auf das Verhältnis V/G lehrt die Erfindung, dass kein möglichst homogener radialer Verlauf von V/G anzustreben ist, sondern ein inhomogener radialer Verlauf, mit einem V/G an der Phasengrenze im Bereich der Druckspannungen, das kleiner ist, als das kritische Verhältnis und mit einem V/G an der Phasengrenze im Bereich der Zugspannungen, das größer ist, als das kritische Verhältnis. Das kritische Verhältnis ist das Verhältnis V/G, das im Fall einer flachen Phasengrenze nach dem Voronkov-Modell Voraussetzung ist, damit ein defektbildender Überschuss an intrinsischen Punktdefekten nicht entsteht.
In 2 ist dargestellt, dass das Verhältnis V/G in den Bereichen der thermomechanischen Spannungsfelder mit der Zunahme der Stärke der thermomechanischen Spannungsfelder immer stärker vom kritischen Verhältnis abweichen muss. Die zu erwartende Druck- und Zugspannung kann durch Simulationsrechnungen vorhergesagt werden. Für die Berechnung können kommerziell vertriebene Programme benutzt werden, beispielsweise das Programm Flow Module von Semiconductor Technology Research, Inc.
3 zeigt, dass es insbesondere auf das Verhältnis zwischen V/G im Bereich der Druckspannungen und V/G im Bereich der Zugspannungen ankommt. Der radiale Verlauf von V/G wird derart gesteuert, dass (V/G)t/(V/G)c mindestens größer als 1,8 und noch besser größer als 2 ist, wobei (V/G)c das niedrigste Verhältnis V/G im unter Druckspannung stehenden Bereich ist und (V/G)t das höchste Verhältnis V/G im unter Zugspannung stehenden Bereich. Eine ausschließlich am Voronkov-Modell ausgerichtete Strategie, wie sie beispielsweise in der DE 103 39 792 A1 formuliert ist, strebt einen radialen Verlauf von V/G an, der homogen ist und möglichst nicht vom kritischen Verhältnis abweicht. Auch eine Strategie, die darüber hinaus die radiale Diffusivität von Silicium-Zwischengitteratomen berücksichtigt und beispielsweise in der US 6,869,478 B2 formuliert ist, offenbart einen radialen Verlauf von V/G, bei dem das Verhältnis (V/G)t/(V/G)c immer noch deutlich unter 1,5 liegt und daher als nahezu homogen bezeichnet werden kann. Mit den zuletzt genannten Strategien lassen sich zwar Halbleiterscheiben aus Silicium herstellen, die nach moderner Sichtweise als defektfrei gelten, jedoch nur durch Verfahren, die als weniger wirtschaftlich angesehen werden müssen. Die vorliegende Erfindung überwindet diesen Mangel, denn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden auch defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicium von Einkristallen erhalten, deren Durchmesser mindestens 300 mm beträgt und die mit Geschwindigkeiten von mindestens 0,5 mm/min wirtschaftlich gezogen werden.
Solche Halbleiterscheiben, die sich auch als Substrate zur Herstellung von epitaxierten Halbleiterscheiben und SOI-Scheiben eignen, lassen sich auch ohne weiteres von defektfreien Halbleiterscheiben aus Silicium unterscheiden, die von auf bekannte Weise gezogenen Einkristallen stammen und zwar am radialen Verlauf des Anstellwinkels θ von Sauerstoff- oder Dotierstoffstreifen. Das Voronkov-Modell sagt voraus, dass Einkristalle für defektfreie Halbleiterscheiben grundsätzlich nur dann schnell gezogen werden können, wenn der Temperaturgradient G gesteigert wird. Nur so kann die Ziehgeschwindigkeit V erhöht und zugleich das kritische Verhältnis V/G beibehalten werden. Die gesteigerte Wärmezufuhr hat zur Folge, dass die Phasengrenze die Form einer zum Einkristall konvex gekrümmten Fläche annimmt. Das Ausmaß der Krümmung kann durch eine Höhe h angegeben werden. Sie ist mit dem Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Zentrum der Phasengrenze identisch. Bei Einkristallen, die erfindungsgemäß gezogen werden, ist die Krümmung der Phasengrenze beträchtlich. Die Phasengrenze kann auch als isothermische Fläche verstanden werden, also als Fläche, die von Orten gebildet wird, an denen dieselbe Temperatur herrscht. Die Konzentration, mit der Sauerstoff und Dotierstoffe wie beispielsweise Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon in den Einkristall aufgenommen werden, hängt empfindlich von der Temperatur im Bereich der Phasengrenze ab. Unvermeidliche Temperaturschwankungen führen nicht nur dazu, dass die axiale Lage der Phasengrenze im zeitlichen Verlauf um geringe Beträge schwankt, sondern auch zu einer im zeitlichen Verlauf schwankenden Aufnahme von Sauerstoff und Dotierstoffen in den Einkristall. Die unterschiedlichen Konzentrationen dieser Elemente können in Form von Wachstumsstreifen, die nach dem Verlauf der Phasengrenze geformt sind, sichtbar gemacht werden. In der Draufsicht auf die Halbleiterscheibe erscheinen die Wachstumsstreifen als Ringe, in der Seitenansicht auf einen Querschnitt durch die Halbleiterscheibe oder durch einen Längsschnitt durch ein Stück des Einkristalls als gebogene Linien. Der Verlauf des Anstellwinkels θ dieser Linien gibt Auskunft über die Krümmung der Phasengrenze beim Ziehen des Einkristalls. Da Einkristalle mit einem solchen Verlauf des Anstellwinkels, sofern sie defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicium liefern, nur mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, ist der Verlauf des Anstellwinkels θ ein eindeutiger Indikator für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Halbleiterscheibe aus Silicium, die weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm aufweist, mit einem radialen Verlauf von Wachstumsstreifen von Sauerstoff oder Dotierstoffen, bei dem ein Anstellwinkel θ zwischen einer horizontalen Linie und der an die Wachstumsstreifen angelegten Tangente ausnahmslos in einen in Grad ausgedrückten Wertebereich fällt, der durch die Ungleichung θ < –17 × (r/rmax) beschrieben wird, wenn der Anstellwinkel θ in einem Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 bestimmt wird, wobei die r radiale Position ist, an der die Tangente an die Wachstumsstreifen angelegt wird und rmax den Radius der Halbleiterscheibe bezeichnet. Der Anstellwinkel θ im Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 bleibt vollständig im genannten Wertebereich. Es handelt sich also um eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe, wenn im Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 jeder Anstellwinkel θ im von der Ungleichung vorgegebenen Wertebereich liegt. Es ist besonders bevorzugt, wenn der Anstellwinkel θ im Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 vollständig in einem Wertebereich bleibt, der durch die modifizierte Ungleichung –50 × (r/rmax) < θ < –17 × (r/rmax) beschrieben wird. Gemäß der besonders bevorzugten Definition handelt es sich also um eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe, wenn im Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 jeder Anstellwinkel θ im von der modifizierten Ungleichung vorgegebenen Wertebereich liegt.
In 4 ist graphisch dargestellt, wie erfindungsgemäße Halbleiterscheiben von solchen des Stands der Technik unterschieden werden können. Wird der Anstellwinkel θ über den Radius der Halbleiterscheibe aufgetragen, so führt die sich ergebende Linie nur bei erfindungsgemäßen Halbleiterscheiben in ein Gebiet, das mit der angegebenen Ungleichung beschrieben wird. Das Gebiet ist auf radiale Positionen r/rmax von 0,1 bis 0,9 beschränkt, weil der Anstellwinkels θ in den angrenzenden Bereichen nur ungenau bestimmt werden kann. Zum Vergleich ist in 4 jeweils auch der Verlauf des Anstellwinkels θ angegeben, der sich für Halbleiterscheiben ergibt, die nach dem in der US 6,869,478 B2 oder dem in der DE 103 39 792 A1 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Halbleiterscheiben enthalten neben Sauerstoff und mindestens einem Dotierstoff vorzugsweise auch mindestens einen Vertreter der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Ist Stickstoff vorhanden, so beträgt die Konzentration vorzugsweise 2,0 × 10¹³ bis 1,0 × 10¹⁵ Atome/cm³. Die Gegenwart von Kohlenstoff, Stickstoff oder beider Elemente unterstützt die Bildung von BMDs und verbessert daher die Getterfähigkeiten. Sie ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Sauerstoff-Konzentration vergleichsweise niedrig ist. Die Gegenwart von Wasserstoff behindert die Bildung von OSF-Defekten. Sie ist daher insbesondere vorteilhaft, wenn die Sauerstoff-Konzentration vergleichsweise hoch ist.
Zur erfindungsgemäßen Steuerung des radialen Verlaufs des Verhältnisses V/G kommt grundsätzlich jede Maßnahme in Betracht, von der bekannt ist, dass sie einen Einfluss auf einen dieser Parameter hat. Da durch die Maßgabe, möglichst wirtschaftlich und deshalb möglichst schnell ziehen zu müssen, wenig Spielraum besteht die Ziehgeschwindigkeit zu variieren, sind die meisten Maßnahmen darauf gerichtet, den radialen Verlauf des Temperaturgradienten G, insbesondere in den Bereichen der Druck- und Zugspannungen, nach den Vorgaben der Erfindung einzustellen. Dies gelingt am besten durch eine geeignete Gestaltung und Beeinflussung der näheren Umgebung des Einkristalls, der sogenannten „hot zone”, und damit zusammenhängend auch durch geeignete Maßnahmen der Zu- und Abführung von Wärme zum Einkristall hin und vom Einkristall fort. Besonders bevorzugt sind Maßnahmen, die beispielsweise auch schon in der DE 103 39 792 A1 zur Steuerung des Verhältnisses V/G beschrieben sind. Sie sollen durch die Erwähnung der Druckschrift auch als offenbarte Elemente der vorliegenden Erfindung gelten. Ein besonders zu erwähnendes Beispiel ist der Einsatz einer Heizquelle, durch die in besonderem Maße Wärme zum Zentrum der Phasengrenze transportiert werden kann, insbesondere in der Ausgestaltung eines Heizers, der unter dem Tiegelzentrum angeordnet und mit dem Tiegel gehoben und gesenkt werden kann. Besonders bevorzugt ist ein solcher Heizer, wenn er einen radialen Temperaturverlauf am Tiegelboden erzeugt, mit einem ausgeprägten Temperaturmaximum im Zentrum des Tiegelbodens. Zusätzlich kann der Tiegelboden mit Hilfe einer Heizquelle erhitzt werden, die unter dem Tiegel stationär angeordnet ist und daher beim Ziehen des Einkristalls nicht zusammen mit dem Tiegel angehoben wird. Zusammen mit einem üblichen Seitenheizer, der den Tiegel umschließt, wird so vorzugsweise auf drei Wegen Wärme zur Schmelze geführt. Der gewünschte, zum Zentrum der Phasengrenze gerichtete Wärmetransport kann auch durch eine gleichsinnige Drehung des Tiegels und des Einkristalls bewirkt werden, wenn auch die damit erreichte Steigerung von G weniger ausgeprägt ist. Durch den zusätzlichen Einsatz von Magnetfeldern, insbesondere Horizontalfeldern oder CUSP-Feldern oder magnetischen Wanderfeldern, kann nicht nur die Konzentration von Sauerstoff im Einkristall begrenzt, sondern auch Einfluss auf den Wärmetransport genommen werden. So eignen sich insbesondere CUSP-Felder als Mittel, um einen nach oben zum Zentrum der Phasengrenze gerichteten und Wärme transportierenden Schmelzenstrom zu fokussieren. Diese Wirkung ist besonders ausgeprägt, wenn die neutrale Ebene des CUSP-Felds, in der das CUSP-Feld einem axialsymmetrischen Horizontalfeld gleicht, sich in einem Abstand über der Oberfläche der Schmelze befindet, der mindestens 50 mm beträgt. Ein weiteres Instrument zur Steigerung des Temperaturgradienten G ist ein Kühler, der den Einkristall umgibt und Wärme vom Einkristall wirksam abführt. Ebenfalls zur Steuerung des Temperaturgradienten G, aber auch zur Reduktion von thermomechanischen Spannungen im Einkristall eignet sich eine Heizquelle, die einen an die Phasengrenze angrenzenden Rand des Einkristalls erhitzt, besonders bevorzugt in der Ausgestaltung eines den Einkristall nahe der Oberfläche der Schmelze umgebenden ringförmigen Heizers.
Der ringförmige Heizer und der Kühler werden vorzugsweise in einer Weise betrieben, dass der axiale Temperaturverlauf auf der Oberfläche des Einkristalls sich durch eine Kurve beschreiben lässt, die wenigstens einen Wendepunkt hat, also durch ein Polynom von mindestens dritter Ordnung angenähert werden kann und sich daher von dem in der US6,869,478 B2 beschriebenen parabelförmigen Temperaturverlauf unterscheidet. Der bevorzugte axiale Temperaturverlauf ist in 5 dargestellt. Der Einkristall wird vorzugsweise erst in einem Abstand über der Oberfläche der Schmelze gekühlt, der größer ist, als die Höhe h zwischen dem Zentrum der Phasengrenze und der Oberfläche der Schmelze.
6a und 6b zeigen in einem Vergleich den radialen Verlauf des Temperaturgradienten G und die Stärke von thermomechanischen Stressfeldern, wenn beim schnellen Ziehen großer Einkristalle auf der einen Seite die Strategie verfolgt wird, den radialen Verlauf von V/G möglichst homogen und nahe am kritischen Verhältnis zu halten (6a), und auf der anderen Seite erfindungsgemäß gehandelt wird (6b). Wird der radiale Verlauf von V/G homogen gestaltet, bildet sich im Einkristall ein Bereich mit stark ausgeprägten Druckspannungen, der an ein Zentrumsgebiet der Phasengrenze angrenzt und ein Bereich mit stark ausgeprägten Zugspannungen, der an einen Randbereich des Einkristalls und die Phasengrenze angrenzt, aus. Das hat zur Konsequenz, dass das auf das kritische Verhältnis eingestellte Verhältnis von V/G in beiden Bereichen deutlich von dem Wert abweicht, der notwendig wäre, um einen defektbildenden Überschuss von intrinsischen Punktdefekten zu vermeiden. Im Gegensatz dazu zeigt der unterschiedliche Abstand der Isothermenlinien in 6b, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren eine solche nachteilige Einstellung des Verhältnisses von V/G nicht erfolgt. Im Bereich der Druckspannungen wird ein höherer Temperaturgradient G und im Bereich der Zugspannungen ein niedrigerer Temperaturgradient G eingestellt, und im Ergebnis vermieden, dass ein defektbildender Überschuss von intrinsischen Punktdefekten entsteht. 6b zeigt darüber hinaus, dass durch den Einsatz des ringförmigen Heizers auch die Stärke der Stressfelder verringert wird und es daher einfacher wird, ihren Einfluss auf die Defektbildung durch eine erfindungsgemäße Anpassung des radialen Verlaufs von V/G entgegenzuwirken. Die Höhe h beträgt vorzugsweise mindestens 20 mm.
Die Sauerstoff-Konzentration im Einkristall wird vorzugsweise ebenfalls kontrolliert, so dass keine OSF-Defekte gebildet werden, auch wenn der Einkristall bei Bedingungen gezogen wird, welche die Bildung solcher Defekte fördert. Andererseits sollte vorzugsweise auch ausreichend Sauerstoff vorhanden sein, damit genügend Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate (BMDs) vorhanden sind. Vorzugsweise wird eine Konzentration nach ASTM-Norm F121-83 im Bereich von 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ bis 6,5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt. Die Sauerstoff-Konzentration wird vorzugsweise kontrolliert über die von den Magnetspulen erzeugte Feldstärke, über den Druck in der Ziehanlage und über die Durchflussmenge pro Zeiteinheit, mit der ein Inertgas wie beispielsweise Argon durch die Ziehanlage geleitet wird oder durch eine Kombination dieser Kontrollinstrumente. Der Sauerstoffgehalt im Einkristall ist abhängig von den Schmelzenströmen. Bei einer gleichsinnigen Drehung von Einkristall und Tiegel führt beispielsweise eine erhöhte Tiegeldrehung zu einem höheren Sauerstoffgehalt. Besonders bevorzugt sind Feldstärken im Bereich der Ziehachse von mindestens 10 mT (7960 A/m) bis 80 mT (63700 A/m) in der Schmelze, sowie ein Druck-Durchflussverhältnis von 0,004 bis 0,03 mbar/(l/h).
Vergleichsbeispiel:
Es wurde versucht, einen Einkristall aus Silicium mit einer Geschwindigkeit von 0,64 mm/min zu ziehen, mit dem Ziel, möglichst viele defektfreie Halbleiterscheiben zu erhalten. Zur Erreichung dieses Ziels wurde der radiale Verlauf des Verhältnisses V/G entsprechend der in der DE 103 39 792 A1 formulierten Strategie gesteuert, einen möglichst homogenen und am kritischen Verhältnis liegenden radialen Verlauf zu erhalten. Die maximale Abweichung vom kritischen Verhältnis betrug auch tatsächlich nicht mehr als 9%. Mit dieser Strategie konnten jedoch keine defektfreien Halbleiterscheiben erhalten werden.
Beispiel:
Um erfindungsgemäße Halbleiterscheiben herzustellen, wurde dieselbe Vorrichtung wie im Vergleichsbeispiel verwendet.
Die in 7 dargestellte Vorrichtung umfasste einen die Schmelze enthaltenden Tiegel 8 und einen den Tiegel umgebenden Seitenheizer 6, sowie einen Hitzeschild 2. Ferner zwei sich gegenüberliegende Magnetfeldspulen 5, die ein CUSP-Magnetfeld erzeugten und einen mit dem Tiegel anhebbaren Bodenheizer 10 zum Transport von Wärme zum Zentrum der Phasengrenze des wachsenden Einkristalls 9. Weitere Merkmale der Ziehvorrichtung waren ein stationärer Bodenheizer 7, ein den Einkristall umschließender, mit Wasser gekühlter und auf der Innenfläche geschwärzter Kühler 1, sowie ein ringförmiger Heizer 3.
Für diese „hot zone” wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen eine Karte erstellt, die thermomechanische Spannungsfelder im Einkristall sichtbar macht. Als Simulationsprogramm wurde das schon erwähnte Programm Flow Module verwendet, das die elastischen Spannungen zweidimensional axialsymmetrisch und isotrop berechnet. Den Berechnungen lagen das Elastizitätsmodul von Silicium, E = 150 GPa, die Poisson-Zahl ν = 0,25 und der lineare Ausdehnungskoeffizient α = 2,6 × 10^–6/K zugrunde. Wie 8 zeigt, wurden im Bereich der Druckspannungen thermomechanische Spannungen von bis zu –26 MPa gefunden, im Bereich der Zugspannungen von bis zu 7,53 MPa. Um diesen Befund Rechnung zu tragen wurde der radiale Verlauf von V/G geändert und entsprechend der Darstellung von 3 eingestellt, mit einem Verhältnis (V/G)t/(V/G)c von ungefähr 1,93 und (V/G)c/(V/G)krit von 0,7 und (V/G)t/(V/G)krit von 1,35 und mit (V/G)krit als dem kritischen Verhältnis.
Von dem unter diesen Bedingungen mit einer Geschwindigkeit von 0,6 mm/min gezogenen Einkristall konnten defektfreie Halbleiterscheiben aus Silicum mit einem Durchmesser von 300 mm mit hoher Ausbeute erhalten werden. Auf den Halbleiterscheiben konnten weder A-Swirl-Defekte noch FPD noch OSF-Defekte nachgewiesen werden. Die Untersuchung auf COP-Defekte erfolgte mit einem Laser-Streulicht-Messgerät vom Typ MO-4 von Mitsui, Mining, dessen Anwendung beispielsweise von Nakai et al. in Jap. Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 4A, 2004, pp. 1247–1253 beschrieben ist. Es wurden keine COP-Defekte mit einem Durchmesser von größer als 30 nm gefunden.
Die 9a und 9b zeigen das Ergebnis eines „photoscannings”, mit dem der Verlauf von Dotierstoffstreifen sichtbar gemacht wurde. Bei diesem Verfahren werden Ladungsträger durch Laser angeregt und elektrisch nachgewiesen. 9a zeigt die Seitenansicht auf einen brettförmigen Längsschnitt durch ein 80 mm langes Stück des gezogenen Einkristalls. In 9b ist dargestellt, wie der radiale Verlauf des Anstellwinkels θ durch Auswertung der Seitenansicht auf einen Querschnitt durch eine Halbleiterscheibe festgestellt wird. Der im Beispiel festgestellte radiale Verlauf des Anstellwinkels θ entsprach dem in der 4 dargestellten Verlauf.
Der radiale Verlauf des Anstellwinkels θ kann alternativ oder in Ergänzung zur Auswertung von Dotierstoffstreifen auch durch eine gleichartige Auswertung von Sauerstoffstreifen festgestellt werden. Die Sauerstoffstreifen werden sichtbar gemacht, indem, nach der Präzipitation von Sauerstoff durch eine Wärmebehandlung, die Bruchkante angeätzt und unter schrägem Einfall von UV-Licht begutachtet wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silicium, die weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm aufweisen, umfassend das Ziehen eines an einer Phasengrenze wachsenden Einkristalls aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze und das Abtrennen von Halbleiterscheiben von dem gezogenen Einkristall, wobei während des Ziehens des Einkristalls Wärme zu einem Zentrum der Phasengrenze geleitet und ein radialer Verlauf eines Verhältnisses V/G vom Zentrum bis zu einem Rand der Phasengrenze gesteuert wird, mit G als dem Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenze und mit V als der Ziehgeschwindigkeit, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, und wobei der radiale Verlauf des Verhältnisses V/G derart gesteuert wird, dass der Einfluss von thermomechanischen Spannungsfeldern im Einkristall, die an die Phasengrenze angrenzen, hinsichtlich der Entstehung intrinsischer Punktdefekte kompensiert wird, indem der radiale Verlauf von V/G derart eingestellt wird, dass (V/G)t/(V/G)c mindestens größer als 1,8 ist, wobei (V/G)c das niedrigste Verhältnis V/G in einem unter Druckspannung stehenden und an ein Zentrumsgebiet der Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist und (V/G)t das höchste Verhältnis V/G in einem unter Zugspannung stehenden und an einen Randbereich des Einkristalls und die Phasengrenze angrenzenden Bereich des Einkristalls ist, und derart, dass die Abweichung von V/G von einem kritischen Verhältnis umso größer ist, je stärker die thermomechanischen Spannungsfelder sind, wobei das kritische Verhältnis dasjenige ist, das im Fall einer flachen Phasengrenze nach dem Voronkov-Modell Voraussetzung ist, damit ein defektbildender Überschuss an intrinsischen Punktdefekten nicht entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall bei einem Durchmesser von 300 mm oder größer mit einer mittleren Ziehgeschwindigkeit von mindestens 0,5 mm/min gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall in einem Abstand über der Oberfläche der Schmelze gekühlt wird, der größer ist, als eine Höhe h zwischen dem Zentrum der Phasengrenze und der Oberfläche der Schmelze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Schmelze angrenzender Bereich des Einkristalls erhitzt wird und ein axialer Temperaturverlauf am Rand des Einkristalls resultiert, der mindestens einen Wendepunkt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an die Schmelze ein CUSP-Magnetfeld oder ein horizontales Magnetfeld oder ein magnetisches Wanderfeld angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Schmelze ein CUSP-Magnetfeld angelegt wird, mit einer neutralen Fläche, die mindestens 50 mm über der Oberfläche der Schmelze liegt.
Halbleiterscheibe aus Silicium, die weder OSF-Defekte, noch A-Swirl-Defekte, noch COP-Defekte mit einer Größe von größer als 30 nm aufweist, mit einem radialen Verlauf von Wachstumsstreifen von Sauerstoff oder Dotierstoffen, bei dem ein Anstellwinkel θ zwischen einer horizontalen Linie und der an die Wachstumsstreifen angelegten Tangente ausnahmslos in einen in Grad ausgedrückten Wertebereich fällt, der durch die Ungleichung θ < –17 × (r/rmax) beschrieben wird, wenn der Anstellwinkel θ in einem Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 bestimmt wird, wobei die r radiale Position ist, an der die Tangente an die Wachstumsstreifen angelegt wird und rmax den Radius der Halbleiterscheibe bezeichnet.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel θ im Bereich von r/rmax = 0,1 bis r/rmax = 0,9 ausnahmslos in einem Teilbereich des Wertebereichs liegt, wobei der Teilbereich durch die Ungleichung –50 × (r/rmax) < θ < –17 × (r/rmax) beschrieben wird.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Zusatz von mindestens einem Element aus einer Gruppe von Elementen, die von den Elementen Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff gebildet wird.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Konzentration von Stickstoff von 2,0 × 10¹³ bis 1,0 × 10¹⁵ Atome/cm³.
Halbleiterscheibe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Konzentration von Sauerstoff von 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ bis 6,5 × 10¹⁷ Atome/cm³.