DE10216609A1

DE10216609A1 - Dotierte Halbleiterscheibe aus zonengezogenem Halbleitermaterial und Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE10216609A1
Application number: DE10216609A
Authority: DE
Inventors: Rolf Knobel; Wilfried Von Ammon; Janis Virbulis; Manfred Grundner
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: DK200300588A; DK176922B1; JP2003313087A; US7025827B2; US20030192470A1; DE10216609B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer dotierten Halbleiterscheibe durch Zonenziehen eines Einkristalls und Zerteilen des Einkristalls, wobei beim Zonenziehen eine mit einer Induktionsspule erzeugte Schmelze mit einem Dotierstoff dotiert und mindestens einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und zum Erstarren gebracht wird, und der beim Erstarren der Schmelze entstehende Einkristall gedreht wird, und der Einkristall und das Magnetfeld mit gegensinniger Drehrichtung gedreht werden und das Magnetfeld eine Frequenz von 400 bis 700 Hz besitzt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine dotierte Halbleiterscheibe aus zonengezogenem Halbleitermaterial und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe. Das Verfahren umfaßt die Herstellung eines dotierten Einkristalls durch Zonenziehen (floating zone crystal growth, FZ-method) und das Zerteilen des Einkristalls in Halbleiterscheiben, wobei beim Ziehen des Einkristalls eine mit einer Induktionsspule erzeugte Schmelze mindestens einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und zum Erstarren gebracht wird, und der beim Erstarren der Schmelze entstehende Einkristall gedreht wird.

Die Anwendung eines rotierenden Magnetfeldes beim Zonenziehen ist beispielsweise in der DD-263 310 A1 beschrieben. Allerdings zielt das in dieser Druckschrift vorgeschlagene Verfahren auf die Vereinheitlichung der Diffusionsrandschichtdicke ab, während die vorliegende Erfindung die Aufgabe löst, eine möglichst homogene Verteilung von der Schmelze hinzugefügten Dotierstoffen und eine Verringerung von Striations zu erreichen. Eine homogene Dotierstoffverteilung äußert sich in einer engen radialen makroskopischen Widerstandsverteilung.

Striations sind mikroskopische Dotierstoffschwankungen. Sie werden üblicherweise quantifiziert, indem eine Spreading Resistance Analyse an der Halbleiterscheibe durchgeführt wird.

Die radiale makroskopische Widerstandsverteilung wird durch die Vier-Spitzen-Methoden nach ASTM F 84 gemessen, die über eine Länge von mehreren Millimetern mittelt.

Bisher wurde versucht, die Homogenisierung der Dotierstoffverteilung und damit eine Verringerung der radialen Widerstandsvariation durch Variation der Kristalldrehung, durch Verschiebung der Induktionsspule relativ zur Kristallachse und durch Änderung der Form der Induktionsspule zu erzielen. Nachteilig an diesen Maßnahmen ist, daß sie oft zur Erhöhung der Versetzungsrate und zur Verringerung der Prozeßstabilität führen.

Es ist auch bekannt, daß sehr flache radiale Dotierstoffprofile durch Neutronendotierung einstellbar sind. Die Neutronendotierung hat jedoch eine ganze Reihe von Nachteilen. So ist die Methode nur für Halbleitermaterial mit einem Widerstand von etwa 3 bis etwa 800 Ohm.cm geeignet. Es werden dabei zwangsläufig Strahlungsschäden verursacht, die durch eine thermische Nachbehandlung geheilt werden müssen. Trotzdem ist nicht zu verhindern, daß die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger herabgesetzt wird. Darüber hinaus machen notwendige Abklingzeiten, die thermische Nachbehandlung und damit verbundene Transportvorgänge die Methode zeitaufwendig und kostenintensiv.

Gegenstand der Erfindung ist eine dotierte Halbleiterscheibe aus zonengezogenem Halbleitermaterial, die einen einer Schmelze hinzugefügten Dotierstoff enthält und eine radiale makroskopische Widerstandsverteilung von unter 12% und Striations von -10% bis +10% aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer dotierten Halbleiterscheibe durch Zonenziehen eines Einkristalls und Zerteilen des Einkristalls, wobei beim Zonenziehen eine mit einer Induktionsspule erzeugte Schmelze mit einem Dotierstoff dotiert und mindestens einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und zum Erstarren gebracht wird, und der beim Erstarren der Schmelze entstehende Einkristall gedreht wird, wobei der Einkristall und das Magnetfeld mit gegensinniger Drehrichtung gedreht werden und das Magnetfeld eine Frequenz von 400 bis 700 Hz besitzt.

Der ausgewählte Frequenzbereich ist wichtig, weil in diesem Bereich die erforderliche Leistung zum Ansteuern des Magnetsystems niedrig ist und gleichzeitig die Schmelzenströmung im Sinne der Erfindung am besten beeinflußbar ist.

Eine nach dem Verfahren hergestellte Halbleiterscheibe aus Silicium besitzt eine radiale makroskopische Widerstandsverteilung, die ähnlich eng ist, wie die einer neutronendotierten Halbleiterscheibe. In Bezug auf die Widerstandsbereiche besteht jedoch keine Einschränkung wie bei neutronendotiertem Material. So können die Widerstände von unter 3 Ohm.cm bis über 800 Ohm.cm, vorzugsweise von 0,05 bis 8000 Ohm.cm betragen. Das beanspruchte Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß Schwankungen der Widerstände der von einem Einkristall stammenden Halbleiterscheiben unter +/-8% liegen.

Die Beschreibung der Erfindung umfaßt auch Figuren. Fig. 1 zeigt eine Anordnung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung eines Magnetsystems um einen Einkristall. Die Fig. 3 und 4 geben die in Simulationsrechnungen berechneten Strömungsverhältnisse in der Schmelze wieder, wobei jeweils nur eine von zwei symmetrischen Hälften eines Schnitts durch die Schmelze dargestellt ist. Fig. 5 zeigt die Widerstandstreuung und Profillage bei Siliciumscheiben, die von einem erfindungsgemäß mit rotierendem Magnetfeld gezogenen FZ-Einkristall stammen. Fig. 6 ist eine vergleichende Darstellung von Messungen der Spreading Resistance Werte an Halbleiterscheiben aus Silicium mit einem Durchmesser von 4 Zoll. Das obere Diagramm zeigt die Werte für erfindungsgemäß mit rotierendem Magnetfeld gezogenes Material, das untere Diagramm die Werte für Material, bei dem auf das rotierende Magnetfeld verzichtet wurde.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen Einkristall 4, der über eine Schmelze 3 mit einem polykristallinen Vorratsstab 1 verbunden ist. Die Schmelze wird von einer Induktionsspule 2 erzeugt. Beim Absenken des Einkristalls erstarrt ein Teil der Schmelze, wobei das Volumen des Einkristalls zunimmt. Gleichzeitig bewirkt die Induktionsspule, daß Material des Vorratsstabs geschmolzen wird und auf diese Weise das Volumen der Schmelze vergrößert. Erfindungsgemäß ist ein Magnetsystem 5 mit mindestens drei Polen oder einem Vielfachen davon vorzusehen, wie beispielsweise das bei einem Drehstromelektromotor mit 3-poligem Stator, das ein gegensinnig zur Drehrichtung des Einkristalls rotierendes Magnetfeld erzeugt. Das Magnetsystem wird vorzugsweise gegen Wärmestrahlung abgeschirmt und wassergekühlt. Ebenso ist bevorzugt, daß die Feldstärke des Magnetfelds mittels eines Potentiometers zwischen 0 und 100% variiert werden kann. In Fig. 1 sind die Feldlinien 6 des Magnetfelds durch Pfeile dargestellt.

Besonders bevorzugt ist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung, umfassend ein 6-poliges Magnetsystem 5 mit dreiphasiger Ansteuerung, das von sechs regelmäßig um den Einkristall angeordneten Einzelmagneten (L1a-L3b) gebildet wird, wobei jeweils zwei gegenüberliegende Pole korrespondieren.

Die Dotierstoffverteilung im Einkristall wird durch die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und durch Randschicht- Diffusion beeinflußt. Die Strömung in der Schmelze, die durch die thermischen, Marangoni- und elektromagnetischen Kräfte erzeugt wird, hat insbesondere bei Einkristallen mit großen Durchmessern eine typische Zwei-Wirbelstruktur, die in Fig. 3 dargestellt ist. Im zentralen Wirbel 10, der Kontakt mit einem polykristallinen Vorratsstab hat, ist die Dotierstoffkonzentration kleiner als in einem äußeren Wirbel 20. Solange diese Konzentrationsunterschiede in den beiden Wirbeln vorhanden sind, bleibt eine Vergleichmäßigung der Diffusionsrandschichtdicke bezüglich einer radialen Dotierstoffhomogenisierung wirkungslos. Im Zentrum ist die Strömung nach unten zum Einkristall gerichtet, was gleich in doppelter Hinsicht nachteilig ist. Zum einen gelangen durch die abwärts gerichtete Strömung Schmelzenanteile, die vergleichsweise arm an Dotierstoff sind zur Wachstumsfront des Einkristalls, während in Randnähe Dotierstoff angereichert wird. Zum anderen gelangen mit der Strömung auch vom Vorratsstab stammende Partikel zur Wachstumsfront und stören das versetzungsfreie Wachstum des Einkristalls.

Durch das erfindungsgemäße Anwenden eines rotierenden Magnetfeldes wird die Zwei-Wirbelstruktur in eine Ein- Wirbelstruktur mit geänderten Strömungsverhältnissen umgestellt. Eine solche Ein-Wirbelstruktur ist in Fig. 4 dargestellt. Die Schmelze bildet nun einen einzigen Bereich aus, in dem die Strömung im Zentrum nach oben, also zum Vorratsstab hin gerichtet ist. Dotierstoff wird dadurch von den Randbereichen ins Zentrum transportiert, so daß sich die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze vergleichmäßigt. Die geänderte Strömung zwingt auch Partikeln einen längeren Weg zur Wachstumsfront auf. In der Regel bleibt den Partikeln so genügend Zeit um vollständig zu schmelzen bevor die Wachstumsfront erreicht wird, so daß die Versetzungsrate deutlich herabgesetzt ist.

Für eine optimale Ausnutzung des Effekts müssen die Drehung des Einkristalls und die Rotationsrichtung des Magnetfelds so eingestellt werden, daß im zeitlichen Mittel ein gegensinniger Drehsinn resultiert. Die Drehgeschwindigkeit des Einkristalls beträgt mindestens 1 U/min. Falls der Einkristall einer Wechselrotation (periodischer Wechsel der Drehrichtung) unterliegt, was erfindungsgemäß auch möglich ist, ist die zeitlich gemittelte Kristallrotation zur Definition der Kristalldrehrichtung maßgebend. Entsprechend kann auch die Drehrichtung des Magnetfelds gewechselt werden. Bevorzugt sind die folgenden Varianten: der Einkristall führt eine Monodrehung in eine Richtung oder eine Wechseldrehung aus, wobei im zeitlichen Mittel eine Drehung in diese Richtung resultiert, während das Magnetfeld entgegengesetzt rotiert; oder der Einkristall führt eine Monodrehung aus, während der Drehsinn des Magnetfelds wechselt, jedoch im zeitlichen Mittel in die Gegenrichtung gerichtet ist.

Um die Änderung von der Zwei-Wirbelstruktur in die Ein- Wirbelstuktur zu erreichen, muß die Feldstärke des Magnetfelds an die vorhandenen Prozeßbedingungen angepaßt werden. Die Form und die Streuung des radialen Widerstandprofils sind in weiten Grenzen durch eine Variation der Magnetfeldstärke korrigierbar.

Die optimale Feldstärke ist von anderen Prozeßparametern abhängig, wie der Frequenz des Magnetfelds, dem Durchmesser und der Drehgeschwindigkeit des Einkristalls, der Ziehgeschwindigkeit und der Form der verwendeten Induktionsspule. Sie ist deshalb durch Testversuche zu ermitteln. Versuche der Erfinder haben ergeben, daß das Verfahren vorzugsweise zum Ziehen von Einkristallen aus Silicium eingesetzt wird, die einen Durchmesser von mindestens 3" (76,2 mm) haben, wobei die Feldstärke des rotierenden Magnetfelds im Bereich von 1 bis 20 mT, besonders bevorzugt von 1 bis 2,5 mT und die Frequenz des rotierenden Magnetfelds im Bereich von 400 bis 700 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 450 bis 650 Hz liegen. Oberhalb von 700 Hz geht die Kraftwirkung in Sättigung, weil die Eindringtiefe in die Schmelze deutlich geringer wird als die Höhe der Schmelzenkuppe. Darüber hinaus steigen die technischen Probleme wegen der zwangsläufig höheren Spannungen. Unterhalb von 400 Hz wird die Kraftwirkung zu gering um mit vernünftigem technischem Aufwand die gewünschte Wirkung zu erzielen.

Das rotierende Magnetfeld kann bezogen auf die Rotationsachse des Einkristalls symmetrisch oder asymmetrisch sein. Ein asymmetrisches Feld kann erzeugt werden durch eine unterschiedliche Ansteuerung von Einzelmagneten bei einer regelmäßigen Anordnung der Einzelmagnete oder durch eine asymmetrische Anordnung von Einzelmagneten oder durch Kippen der regelmäßig angeordneter Einzelmagnete aus der horizontalen Ebene.

Durch eine gleichzeitige Anwendung von zwei rotierenden Magnetfeldern mit unterschiedlichen Frequenzen und Feldstärken kann man die Durchmischung der Schmelze und die radiale Homogenisierung von Dotierstoffen noch weiter verbessern. Felder mit verschiedenen Frequenzen haben unterschiedliche Eindringtiefen in der Schmelze und wirken demzufolge auf unterschiedliche Schmelzengebiete. Der Drehsinn der Magnetfelder kann gleichsinnig oder gegensinnig sein.

Bevorzugt ist es, wenn die erste Frequenz, die den äußeren Schmelzenbereich antreibt, wie oben ausgeführt bei 400 bis 700 Hz liegt, besonders bevorzugt 500 Hz, und wenn die zweite Frequenz, die den inneren Schmelzenbereich antreibt, unter 100 Hz, bevorzugt bei 50 Hz liegt.

Beispiel

Es wurden Einkristalle aus Silicium mit einem Durchmesser von 4 Zoll nach der FZ-Methode gezogen. Ein Teil der Einkristalle wurde unter der erfindungsgemäßen Anwendung eines rotierenden Magnetfelds gezogen, bei einem anderen Teil wurde auf das Magnetfeld verzichtet. Anschließend wurden von den Einkristallen abgetrennte Siliciumscheiben auf die Verteilung von Dotierstoffen hin untersucht. Fig. 5 zeigt die Widerstandstreuung und Profillage bei Siliciumscheiben, die von einem erfindungsgemäß mit rotierendem Magnetfeld gezogenen FZ- Einkristall stammen. Fig. 6 ist eine vergleichende Darstellung von Messungen der Spreading Resistance Werte. Das obere Diagramm zeigt die Werte für erfindungsgemäß mit rotierendem Magnetfeld gezogenes Material, das untere Diagramm die Werte für Material, bei dem auf das rotierende Magnetfeld verzichtet wurde.

Claims

1. Dotierte Halbleiterscheibe aus zonengezogenem Halbleitermaterial, die einen einer Schmelze hinzugefügten Dotierstoff enthält und eine radiale makroskopische Widerstandsverteilung von unter 12% und Striations von -10% bis +10% aufweist.

2. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lebensdauer der Minoritätsladungsträger von mindestens 100 µsec.

3. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen spezifischen Widerstand von 0.05 bis 8000 Ohmcm.

4. Verfahren zur Herstellung einer dotierten Halbleiterscheibe durch Zonenziehen eines Einkristalls und Zerteilen des Einkristalls, wobei beim Zonenziehen eine mit einer Induktionsspule erzeugte Schmelze mit einem Dotierstoff dotiert und mindestens einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und zum Erstarren gebracht wird, und der beim Erstarren der Schmelze entstehende Einkristall gedreht wird, wobei der Einkristall und das Magnetfeld mit gegensinniger Drehrichtung gedreht werden und das Magnetfeld eine Frequenz von 400 bis 700 Hz besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld eine Feldstärke im Bereich von 1 bis 20 mT besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 U/min gedreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld mit einem 6-poligen Magnetsystem erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze einem weiteren rotierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, welches gleichsinnig oder gegensinnig rotiert.