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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls.
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Stand der Technik
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Ein epitaxialer Wafer findet seit langem wegen seiner ausgezeichneten Eigenschaften breite Anwendung als Wafer zur Herstellung eines diskreten Halbleiters, einer bipolaren integrierten Schaltung und dergleichen. Insbesondere wird ein Wafer mit niedrigem spezifischem Widerstand für epitaxiales Wachstum, dessen spezifischer Widerstand, der für ein Substrat eines epitaxialen Wafers angesetzt wird, gesenkt ist, aufgrund seiner ausgezeichneten Latchup-Eigenschaften und Getter-Fähigkeit immer wichtiger. Aus diesen Gründen gab es in den letzten Jahren die Tendenz, den spezifischen Widerstand eines Epi-Sub (epitaxialen Substrat) Einkristalls als Wafer für epitaxiales Wachstum zu senken.
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Ein Siliziumwafer, der für ein Halbleiterbauteil verwendet wird, wird im Allgemeinen aus einem Silizium-Einkristall hergestellt, der hauptsächlich mittels des Czochralski-Verfahrens (nachfolgend als das „CZ-Verfahren“ bezeichnet) erzeugt wird. Bei dem CZ-Verfahren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Impfkristall mit einer Siliziumschmelze, die in einem Quarztiegel enthalten ist, kontaktiert wird, der Impfkristall nach oben gezogen und dadurch der Silizium-Einkristall unter dem Impfkristall wachsen gelassen wird. Beim Wachsenlassen des Silizium-Einkristalls mittels des CZ-Verfahrens, wie oben beschrieben, werden in dem Impfkristall in hoher Dichte Versetzungen als Ergebnis eines Temperaturschocks zu der Zeit, zu der der Impfkristall mit der Siliziumschmelze in Kontakt kommt, erzeugt. Um die erzeugten Versetzungen auszuschalten, sind daher zum Ziehen des Impfkristalls nach oben die folgenden Schritte notwendig: ein Hals (ein Halsabschnitt) wird gebildet; der Durchmesser des Kristalls wird auf den gewünschten Durchmesser vergrößert; und dadurch wird der Silizium-Einkristall gebildet. Das oben erwähnte Verfahren zum Bilden des Halsabschnitts durch Verkleinern des Impfkristall-Durchmessers findet als das Dash Necking Verfahren breite Anwendung und wird manchmal auch als Necking-Schritt bezeichnet.
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Beim Schritt des Verkleinerns des Impfkristall-Durchmessers durch das oben beschriebene Dash Necking Verfahren ist der Durchmesser des Halsabschnitts des Impfkristalls üblicherweise 4 mm oder weniger, und eine Wachstumsrate wird so gesteuert, dass der Durchmesser einen solchen vorbestimmten Wert annehmen kann, und üblicherweise von 1 bis 10 mm/min variiert.
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Wenn allerdings der oben erwähnte Epi-Sub Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand (z.B. 0,1 Ω•cm oder weniger) wachsen gelassen wird, da die Konzentration der Dotierfremdstoffe, wie beispielsweise metallisches Bor, zum Dotieren hoch ist, werden während des Wachsenlassens mehr Versetzungen erzeugt als bei einem Silizium-Einkristall mit üblichem spezifischem Widerstand. Es besteht daher ein Problem darin, dass eine Einkristallbildung schwierig ist (z.B. japanische Offenlegungsschrift
JP 2004-315258 A ). (kokai)
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Da Dotierfremdstoffe mit hoher Konzentration im Kristall die Wanderung von Versetzungen hemmen, ist es außerdem im Falle eines Epi-Sub Einkristalls, der einen extrem niedrigen spezifischen Widerstand von 1,5/1000 Ω•cm aufweist, schwer, Versetzungen vollständig auszuschalten, selbst wenn im Wachstumsvorgang des Silizium-Einkristalls der oben erwähnte Necking-Schritt mittels des CZ-Verfahrens durchgeführt wird. Darüber hinaus gibt es bei einem Kristall, der durch Beobachtung der Kristalloberfläche dahingehend beurteilt wird, dass der Einkristall mittels des CZ-Verfahrens gebildet werden kann, das Problem, dass Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, an einer Waferoberfläche erzeugt werden (1), wenn ein solcher Einkristallblock mit niedrigem spezifischem Widerstand zu einem Wafer verarbeitet wird.
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Im Hinblick auf den oben erwähnten Einkristallblock mit niedrigem spezifischem Widerstand, aus dem der Wafer hergestellt wird, werden Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, in einigen Fällen an einer Endfläche des Blocks durch Überwachung mittels eines Röntgentopographen festgestellt, nachdem der Block aufgeschnitten und seine Stirnfläche geätzt wurde (2), obwohl keine Störstellen an der Oberfläche festgestellt werden. Außerdem werden, selbst wenn ein Block, bei dem keine Kratzer mittels eines Röntgentopographen entdeckt werden, zu einem Wafer verarbeitet wird, in einigen Fällen Störstellen, wie in der 1 gezeigt, am Wafer festgestellt. Das bedeutet, dass es in Bezug auf den oben erwähnten Epi-Sub Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand sehr schwierig ist, Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, im Blockzustand festzustellen, und es bis jetzt noch kein Beurteilungsverfahren dafür gibt. Da es bis zur Verarbeitung zum Wafer unmöglich ist festzustellen, ob Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, vorliegen oder nicht, bestehen daher die Probleme, dass die Kosten für die Waferverarbeitung hoch sind und die Produktivität vermindert ist.
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Herstellungsverfahren für Bor-dotierte Siliziumeinkirstalle sind aus
DE 696 09 574 T2 bekannt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung erfolgt im Hinblick auf die obigen Probleme und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls zur Verfügung zu stellen, ohne Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, beim Verarbeiten eines mit Bor dotierten Silizium-Einkristallblocks mit niedrigem spezifischem Widerstand, der mittels des CZ-Verfahrens zu einem Wafer verarbeitet wird, auf einer Waferoberfläche zu erzeugen.
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Bei der vorliegenden Erfindung, die die oben erwähnten Aufgabe bewerkstelligt, handelt es sich um ein Verfahren zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls, das ein Czochralski-Verfahren zum Wachsenlassen des Silizium-Einkristalls ist, durch Kontaktieren eines Impfkristalls mit einer Schmelze und durch Ziehen nach oben, umfassend die folgenden Schritte: Kontaktieren des Impfkristalls mit der Schmelze; Bilden eines Halsabschnitts unter dem Impfkristall; und Bilden des Silizium-Einkristalls unter dem Halsabschnitt durch Vergrößern eines Durchmessers, wobei ein Durchmesser des Halsabschnitts 2 mm oder mehr und weniger als 5 mm beträgt und wobei eine Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts 2 mm/min oder weniger beträgt und der Silizium-Einkristall mit dem erhöhten Durchmesser ein mit Bor dotierter Silizium-Einkristall mit einem spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger an einem Schulterabschnitt ist.
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Wie oben beschrieben kann in dem Fall des Wachsenlassens des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls mit dem äußerst niedrigen spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger an einem Schulterabschnitt durch Einstellen der Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts auf 2 mm/min oder weniger in den Schritten: Kontaktieren des Impfkristalls mit der Schmelze; gefolgt von dem Bilden des Halsabschnitts unter dem Impfkristall; und anschließendes Bilden des Silizium-Einkristalls unter dem Halsabschnitt durch Vergrößern des Durchmessers, der von Versetzungen freie, mit Bor dotierte Silizium-Einkristall mit niedrigem spezifischen Widerstand erhalten werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des Halsabschnitts 2 mm oder mehr und weniger als 5 mm beträgt.
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Auf diese Weise werden durch Verkleinern des Durchmessers des Halsabschnitts auf 2 mm oder mehr oder weniger als 5 mm und durch Reduzieren der Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts Versetzungen an der Oberfläche leichter ausgeschaltet, kann genug Zeit für das vollständige Ausschalten der Versetzungen übrig bleiben und dadurch der von Versetzungen freie Silizium-Einkristall erhalten werden. Wie oben beschrieben, ist eine solche Maßnahme für die Versetzungsfreiheit insbesondere für einen mit Bor dotierten Silizium-Einkristall mit niedrigem spezifischen Widerstand, bei dem Versetzungen schwer auszuschließen sind, notwendig, wodurch die vorliegende Erfindung wirksam wird.
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Mit dem Verfahren zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung können zuverlässig Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, die an der Oberfläche des Wafers entstehen, im Falle der Verarbeitung des mit Bor dotierten, mittels des CZ-Verfahrens erzeugten Silizium-Einkristallblocks mit niedrigem spezifischen Widerstand zu einem Wafer unterdrückt werden. Als Ergebnis wird es möglich, die Verfahrenskosten zu reduzieren, um den Wafer mit niedrigem spezifischem Widerstand für epitaxiales Wachstum zu bilden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Darstellung von Kratzer-Störstellen, die in einem Wafer festgestellt wurden, der durch Verarbeiten eines Einkristallblocks mit niedrigem spezifischem Widerstand, der gemäß einem herkömmlichen Verfahren wachsen gelassen wurde, erhalten wurde.
- 2 ist ein röntgentopographisches Bild einer geätzten Endfläche eines Einkristallblocks mit geringem spezifischen Widerstand, der gemäß einem herkömmlichen Verfahren wachsen gelassen wurde.
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BESTES VERFAHREN ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
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Da wie oben beschrieben ein Epi-Sub Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand viele Dotierfremdstoffe, wie beispielsweise metallisches Bor, umfasst, hemmen diese Dotierfremdstoffe bei hoher Konzentration das Wandern von Versetzungen; dies führt zu dem Problem, dass Versetzungen nicht vollständig ausgeschaltet werden können, selbst wenn das oben erwähnte Necking-Verfahren durchgeführt wird. Darüber hinaus, bestehen die Probleme, dass bei einem solchen Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand nicht anhand einer Oberfläche beurteilt werden kann, ob Störstellen vorhanden sind oder nicht, Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, manchmal auf einem Wafer erzeugt werden, der aus einem Einkristall erhalten wird, usw.
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Im Zusammenhang mit diesen Problemen haben die vorliegenden Erfinder überlegt, dass die Tatsache, dass Störstellen im Wafer erzeugt werden, nicht einem Waferverarbeitungsverfahren sondern einem Verfahren zum Ziehen des Einkristalls in einem Vorgang des Wachsenlassens des Einkristalls zuzuschreiben ist. Dann haben die vorliegenden Erfinder intensiv Versuche und Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis der Untersuchungen haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass im Falle des Wachsenlassens eines mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls mit einem äußerst niedrigen spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger an einem Schulterabschnitt durch Einstellen einer Ziehrate während des Bildens eines Halsabschnitts auf 2 mm/min oder weniger in den Schritten: Kontaktieren eines Impfkristalls mit der Schmelze; gefolgt vom Bilden eines Halsabschnitts unter dem Impfkristall; und anschließendes Bilden eines Silizium-Einkristalls unter dem Halsabschnitt durch Vergrößern des Durchmessers, der mit Bor dotierte Silizium-Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand, der frei von Versetzungen ist, erhalten werden kann, selbst wenn er zu einem Wafer verarbeitet wird.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nachfolgend erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
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Zum Beispiel wird ein Impfkristall zum Wachsenlassen eines Einkristalls von etwa 10 mm x 10 mm an einem Endabschnitt eines Ziehschafts oder Drahts platziert, der Impfkristall wird mit einer Oberfläche einer Siliziumschmelze in einem Tiegel mit einem Durchmesser von 450 mm kontaktiert und dann wird ein Halsabschnitt mit einem Durchmesser von 2 mm oder mehr und weniger als 5 mm gebildet. Zuerst wird der Durchmesser vom Durchmesser des Impfkristalls verkleinert und der Durchmesser wird mit einer vorbestimmten Rate in einem Abschnitt mit verkleinertem Durchmesser auf einen gewünschten Durchmesser verkleinert. Von der Zeit an, wo ein konstanter Durchmesserabschnitt im Bereich von 2 bis 5 mm erreicht wird, wird der Halsabschnitt mit einer Ziehrate von 2 mm/min oder weniger gebildet. Anschließend wird der Durchmesser auf 205 mm vergrößert und ein Silizium-Einkristall wird wachsen gelassen. Zu dieser Zeit wird der Silizium-Einkristall mit vergrößertem Durchmesser dotiert, um an einem Schulterabschnitt einen spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger zu erhalten, indem zuvor metallisches Bor in die Siliziumschmelze gegeben wird.
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Wie oben beschrieben ist es durch das Reduzieren der Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts möglich, genug Zeit für das Ausschalten von Versetzungen an der Oberflächenschicht zu erhalten. Daher ist im Falle des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls mit niedrigem spezifischem Widerstand, bei dem üblicherweise das Problem besteht, dass das Wandern von Versetzungen durch Dotierfremdstoffe verhindert wird, möglich, genug Zeit für das vollständige Ausschalten von Versetzungen übrig zu behalten, und dadurch ist es möglich, eine Versetzungsfreiheit wirksam zu erzielen. Weiterhin gilt, je langsamer die Ziehrate während des Ausbildens des Halsabschnitts desto besser.
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Es ist möglich, einen Wafer mit niedrigem spezifischem Widerstand für das epitaxiale Wachstum ohne Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, zu erhalten, indem der mit Bor dotierte Silizium-Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand, der gemäß dem oben erwähnten Verfahren erhalten wird, in einen Wafer zerschnitten wird.
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In diesem Fall ist in Bezug auf den mit Bor dotierten Silizium-Einkristall die Ursache dafür, dass Störstellen, wie beispielsweise Kratzer, durch Verringern der Ziehrate des Halsabschnitts unterdrückt werden, unklar, aber sie wird nachfolgend betrachtet. Wenn Versetzungen an der Halsoberfläche ausgeschaltet werden, bewegen sich Versetzungen in dem Fall von Randversetzungen manchmal nach oben. Das sich nach oben Bewegen von Versetzungen, das sich vom gewöhnlichen Verrutschen von Versetzungen unterscheidet, kann nur erhalten werden, nachdem Leerstellen die Versetzungen erreichen. Mit anderen Worten bestimmt die Diffusion von Leerstellen die Rate. Durch Reduzieren der Ziehrate kann ein Hochtemperaturbereich, bei dem die Diffusion aktiv ist, für eine lange Zeit beibehalten werden. Dadurch wird das Wandern der Versetzungen nach oben gefördert und es wird selbst im Falle eines Kristalls mit niedrigem spezifischem Widerstand Versetzungsfreiheit erzielt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung genauer durch die Beispiele der vorliegenden Erfindung erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
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(Vergleichsbeispiel 1)
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Ein Impfkristall zum Wachsenlassen eines Einkristalls mit etwa 10 mm im Quadrat wurde an einem Endabschnitt eines Ziehdrahts platziert, der Impfkristall wurde mit einer Oberfläche einer Siliziumschmelze in einem Tiegel kontaktiert und dann wurde ein Halsabschnitt mit einem Durchmesser von 5 mm gebildet. Zuerst wurde der Durchmesser in dem Abschnitt mit verkleinertem Durchmesser auf einen gewünschten Durchmesser von 5 mm bei einer vorbestimmten Rate verkleinert. Von der Zeit an, zu der ein konstanter Durchmesserabschnitt von 5 mm erreicht war, wurde der Halsabschnitt mit einer Ziehrate von 10 mm/min oder weniger gebildet (maximal: 10 mm/min und durchschnittlich: 6,5 mm/min). Danach wurde der Durchmesser vergrößert und ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 205 mm wurde wachsen gelassen. Wenn die Materialschmelze zuvor mit metallischem Borelement dotiert wurde, wurde ein spezifischer Widerstand an einem Schulterabschnitt des Silizium-Einkristalls mit dem vergrößerten Durchmesser variiert, wie in der Tabelle 1 gezeigt, wodurch jeder mit Bor dotierte Silizium-Einkristall erzeugt wurde.
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Die Tabelle 1 zeigt das Auftreten von Kratzer-Störstellen zu der Zeit, als der mit Bor dotierte Silizium-Einkristall mit jedem spezifischen Widerstand, der durch das oben erwähnte Verfahren erhalten wird und bei dem durch das Erscheinungsbild des Blocks Versetzungsfreiheit festgestellt wird, zu einem Wafer verarbeitet wurde. Wie in der Tabelle 1 dargestellt, zeigte sich, dass bei dem Wafer, der mittels des mit Bor dotierten Silizium-Einrkistalls mit dem spezifischen Widerstand von 2 mΩ•cm oder mehr erzeugt wird, fast keine Kratzer-Störstellen festgestellt werden. Demgegenüber war das Auftreten von Kratzer-Störstellen bei dem Wafer, der unter Verwendung des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls mit dem spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger hergestellt wurde, äußerst hoch.
Es folgt aus diesen Fakten, dass Kratzer-Störstellen nur im Fall des niedrigen spezifischen Widerstands ausgeprägt werden.
Tabelle 1
| Sollwiderstand am Schulterabschnitt | Auftreten von Kratzer-Störstellen |
| 10 mΩ•cm | 0 % |
| 2 mΩ•cm | 3 % |
| 1,5 mΩ•cm | 25 % |
| 1 mΩ•cm | 70 % |
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(Beispiel, Vergleichsbeispiel)
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Ein Impfkristall zum Wachsenlassen eines Einkristalls von etwa 10 mm im Quadrat wurde an einem Endabschnitt eines Ziehdrahts platziert, der Impfkristall wurde mit einer Oberfläche einer Siliziumschmelze in einem Tiegel kontaktiert und dann ein Halsabschnitt mit einem Durchmesser von 5 mm gebildet. Anschließend wurde der Durchmesser auf 205 mm vergrößert und ein Silizium-Einkristall wurde wachsen gelassen. Das Ausbilden des Halsabschnitts wurde durch das Variieren einer Ziehrate durchgeführt, wie in der Tabelle 2 gezeigt. Weiter war zu dieser Zeit die Materialschmelze zuvor mit metallischem Borelement dotiert worden, so dass ein spezifischer Widerstand des Silizium-Einkristalls mit dem vergrößerten Durchmesser 1 mΩ•cm an einem Schulterabschnitt betrug.
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Das Auftreten von Kratzer-Störstellen zu der Zeit, als der mit Bor dotierte Silizium-Einkristall mit dem spezifischen Widerstand von 1 mΩ•cm der mit jeder Ziehrate wachsen gelassen wurde, zu einem Wafer verarbeitet wurde, ist in der Tabelle 2 gezeigt. Wie in der Tabelle 2 gezeigt ist, war das Auftreten von Kratzer-Störstellen bei einem Wafer, der unter Verwendung des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls, der bei 3 mm/min oder mehr während des Bildens eines Halsabschnitts gezogen wurde, erzeugt wurde, trotz der Versetzungsfreiheit durch das Erscheinungsbild des Blocks äußerst hoch. Demgegenüber traten in dem Fall des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls, in dem der Halsabschnitt mit einer Ziehrate on 2 mm/min oder weniger als Beispiel gebildet wurde, überhaupt keine Kratzer-Störstellen auf, selbst wenn der Einkristall zu einem Wafer verarbeitet wurde. Daraus ergab sich, dass in dem Fall des Wachsenlassens des mit Bor dotierten Siliziumkristalls mit dem spezifischen Widerstand von 1 mΩ•cm durch Reduzieren der Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts Versetzungen ausgeschaltet wurden und keine Kratzer-Störstellen verursacht wurden, selbst wenn der Einkristall zu einem Wafer verarbitet wurde.
Tabelle 2
| Ziehrate während des Bildens des Halsabschnitts | Auftreten von Kratzer-Störstellen |
| Herkömmliches Verfahren (≤ 10 mm/min) | 70 % |
| ≤ 5 mm/min | 70 % |
| ≤ 3 mm/min | 50 % |
| ≤ 2 mm/min | 0 % |
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Es ergibt sich aus dem obigen Ergebnis, dass im Falle des Wachsenlassens des mit Bor dotierten Silizium-Einkristalls mit einem äußerst niedrigen spezifischen Widerstand von 1,5 mΩ•cm oder weniger an einem Schulterabschnitt durch Einstellen einer Ziehrate während des Ausbildens eines Halsabschnitts auf 2 mm/min oder weniger in den Schritten: Kontaktieren des Impfkristalls mit der Schmelze; gefolgt vom Bilden eines Halsabschnitts unter dem Impfkristall; und anschließendes Bilden des Silizium-Einkristalls unter dem Halsabschnitt durch Vergrößern eines Durchmessers, der mit Bor dotierte, von Versetzungen freie Silizium-Einkristall mit einem geringen spezifischen Widerstand erhalten werden konnte. Daher wurde gezeigt, dass durch das Herstellen eines Wafers unter Verwendung eines solchen Einkristalls der Wafer für das epitaxiale Wachstum mit niedrigem spezifischem Widerstand, der frei von Störstellen, wie beispielsweise Kratzer-Störstellen, ist, erhalten werden konnte.
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Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist. Die vorstehende Ausführungsform ist nur ein Beispiel und alle Beispiele, die im Wesentlichen dieselben Merkmale haben und dieselben Funktionen wie die in dem technischen Konzept zeigen, wie in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben, sind vom technischen Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
