DE112015003573B4

DE112015003573B4 - Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands und N-Silicium-Einkristall

Info

Publication number: DE112015003573B4
Application number: DE112015003573.7T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Hoshi; Hiroyuki Kamada; Kiyotaka Takano
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2035-08-15
Also published as: KR20170046135A; CN106795647A; CN106795647B; JP2016050140A; JP6222013B2; KR102312204B1; DE112015003573T5; US10400353B2; WO2016031164A1; US20170260645A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands eines gezüchteten Silicium-Einkristalls durch Verwenden eines Dotierungsstoffs, wenn der Silicium-Einkristall mit dem CZ-Verfahren gezüchtet wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:anfängliches Dotieren mit einem primären Dotierungsstoff, so dass der Silicium-Einkristall eine vorgegebene Leitfähigkeit aufweist; undzusätzliches kontinuierliches oder diskontinuierliches Dotieren mit einem sekundären Dotierungsstoff mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der des primären Dotierungsstoffs, entsprechend einem Erstarrungsverhältnis ausgedrückt durch (kristallisiertes Gewicht)/(Ausgangsgewicht des Silicium-Rohmaterials) während des Züchtens des Silicium-Einkristalls, wobeiim zusätzlichen Dotierungsschritt das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff durchgeführt wird, wenn das Erstarrungsverhältnis einem vorgegebenen Wert α oder mehr entspricht, während der Kristall mit dem sekundären Dotierungsstoff nicht dotiert wird, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, undder vorgegebene Wert α k/4≤α≤2k entspricht, vorausgesetzt wenn 2k>1, k/4≤α≤1, wobei kein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands eines mit dem CZ-Verfahren gezüchteten Silicium-Einkristalls und ein n-Silicium-Einkristall mit einem vom Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands gesteuerten spezifischen Widerstand.
STAND DER TECHNIK
Ein n-Kristall wird vor allem in Schaltvorrichtungen für Leistungsanwendungen wie einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o. Ä. verwendet. Herkömmlicherweise werden EPW (epitaxiale Wafer) und FZ-PW (mit dem FZ-Verfahren erzeugte Wafer), deren Widerstand relativ einfach gesteuert werden kann, verwendet. Leider sind EPW teuer, da ein zusätzlicher Schritt (ein epitaxialer Wachstumsschritt) im Gegensatz zum CZ-PW (ein mit dem CZ-Verfahren erzeugter Wafer) erforderlich ist, und beim FZ-Verfahren kann der Kristalldurchmesser nur schwer vergrößert werden. Daher hat die Verwendung von CZ-PW, auf denen keine epitaxiale Schicht gestapelt ist, an Aufmerksamkeit gewonnen. Ein mit dem CZ-Verfahren erzeugter Silicium-Einkristall führt aber zu einem Abscheidungsphänomen, so dass es schwierig ist, dessen Verteilung des spezifischen Widerstands in einer axialen Richtung (einer axialen Ziehrichtung) gleichmäßig zu gestalten.
Zum Beheben dieses Problems offenbaren die Patentschriften 1 und 2 Verfahren, bei denen ein primärer Dotierungsstoff und ein sekundärer Dotierungsstoff mir einer entgegengesetzten Polarität und einem niedrigen Abscheidungskoeffizienten im Vergleich zum primären Dotierungsstoff hinzugefügt werden (das heißt Gegendotierung). Solche Verfahren können die axiale Verteilung des spezifischen Widerstands von CZ-Einkristallen verbessern. Es ist darauf hinzuweisen, dass ein am häufigsten verwendeter Dotierungsstoff zum Erzeugen von n-Kristallen Phosphor (P) ist, dessen Abscheidungskoeffizient etwa 0,35 beträgt. Ein Element mit einer entgegengesetzten Polarität und einem niedrigeren Abscheidungskoeffizienten als Phosphor (P) ist wiederum beispielsweise Ga, In und Al. Diese Elemente sind Schwermetalle und es wurde herausgefunden, dass, wenn solche Elemente in beispielsweise einem Oxidfilm enthalten sind, sich die elektrischen Eigenschaften des Oxidfilms verschlechtern. Die Wirkungen dieser Elemente auf die Bauteileigenschaften sind nicht genau bekannt. Daher wird vorzugsweise B (Bor), das ein hauptsächlich verwendeter p-Dotierungsstoff und im großen Umfang für das Erzeugen von Bauteilen eingesetzt wird, wenn möglich als ein Element mit der entgegengesetzten Polarität verwendet. Bor (B) weist aber einen Abscheidungskoeffizienten von etwa 0,78 auf, der höher ist als der Abscheidungskoeffizient von Phosphor (P), und kann somit nicht in den zuvor genannten Verfahren verwendet werden.
Als Lösung für dieses Problem offenbart die Patentschrift 3 ein Verfahren, bei dem Bor (B) kontinuierlich relativ zum Phosphor (P) als primärer Dotierungsstoff hinzugefügt wird. Dieses Verfahren ermöglicht das Erzeugen eines n-Kristalls mit einer verbesserten axialen Verteilung des spezifischen Widerstands durch Gegendotieren mit Phosphor (P) als primärer Dotierungsstoff und Bor (B) als sekundärer Dotierungsstoff. DE 10 2015 100 393 A1 offenbart ein Verfahren eines Czochralski-Wachstums eines Silizium-Ingots umfassend ein Schmelzen einer Mischung eines Siliziummaterials und eines n-Typ-Dotierstoffmaterials in einem Tiegel, wobei der Silizium-Ingot aus dem geschmolzenen Silizium über einer Extraktionszeitdauer extrahiert wird, wobei Bor zu dem geschmolzenen Silizium über wenigstens einen Teil der Extraktionszeitdauer beigefügt wird. DE 10 2014 107 590 B3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumwafers umfassend ein Ziehen eines n-Typ-Silizium-Ingots über eine Ziehzeitdauer aus einer Siliziumschmelze, die n-Typ-Dotierstoffe umfasst; wobei das Verfahren weiterhin ein Beifügen von p-Typ-Dotierstoffen zu der Siliziumschmelze über wenigstens einen Teil der Ziehzeitdauer umfasst, um dadurch eine n-Typ-Dotierung in dem n-Typ-Silizium-Ingot um 20% bis 80% zu kompensieren; wobei das Verfahren weiterhin ein Scheibenschneiden des Silizium-Ingots umfasst.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
PATENTLITERATUR

Patentschrift 1: JP 2002-128591 A
Patentschrift 2: JP 2004-307305 A
Patentschrift 3: JP H03-247585 A
Patentschrift 4: JP H10-029894 A
Patentschrift 5: JP H06-234592 A
Patentschrift 6: DE 10 2015 100 393 A1
Patentschrift 7: DE 10 2014 107 590 B3

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Das in der Patentschrift 3 offenbarte Verfahren weist aber das Problem auf, dass ein Einkristall, in dem eine Dislokation auftritt, nicht nachgeschmolzen werden kann. Bei der Erzeugung von Einkristallen mit dem üblichen CZ-Verfahren (einschließlich MCZ-Verfahren) ist die Einkristallbildung häufig durch eine Ursache gestört, die zu einer Dislokation führt. Wenn eine Dislokation auftritt, verschiebt sich die an einem Dislokationsteil erzeugte Dislokation in einen anderen Teil, der bereits kristallisiert, aber noch heiß ist; dieses Phänomen wird als „Slipback“ bezeichnet. Dies ergibt einen Einkristall, der nur eine durch Abziehen einer Slipback-Länge von einer Länge, an der die Dislokation aufgetreten ist, erzielte Länge aufweist. Ferner wird, da ein Kristalloberteil einen unregelmäßigen Teil umfasst, dessen andere Qualitäten als der spezifische Widerstand wie Sauerstoffkonzentration und eingewachsene Fehlereigenschaften nicht den Normen entsprechen, im Allgemeinen ein Teil in einer gewissen Längenentfernung zum Oberteil zum Erzeugen von Produkten verwendet. Wenn somit eine Dislokation in einem Kristall mit einer relativ kurzen Länge auftritt, können aufgrund des Slipbacks und des für Produkte nicht geeigneten Oberteils überhaupt keine Produkte erzeugt werden. Dementsprechend wird der Kristall, in dem eine Dislokation aufgetreten ist, in eine Rohmaterialschmelze (eine Siliciumschmelze) gegeben und nachgeschmolzen, um erneut mit der Einkristallproduktion zu beginnen. Beim Verfahren der Patentschrift 3 ist der Dotierungsstoff mit einer entgegengesetzten Polarität bereits im Kristall und in der Rohmaterialschmelze zum Zeitpunkt des Erzeugens der Dislokation enthalten. Wenn solch ein Kristall nachgeschmolzen wird, können aufgrund des Fehlens des primären Dotierungsstoffs keine Produkte erzeugt werden. Somit muss ein Kristallteil, der den Dislokationsteil umfasst, von der Rohmaterialschmelze getrennt und entsorgt werden, was zu dem Problem führt, dass die Ausbeute erheblich verringert wird.
Daneben offenbart die Patentschrift 4 ein Verfahren, in dem der Dotierungsstoff mit einer entgegengesetzten Polarität am Boden eines Tiegels gespeichert wird und der Dotierungsstoff eluiert wird, bevor der spezifische Widerstand abnimmt. In diesem Verfahren basiert die Steuerung nicht auf dem Erstarrungsverhältnis oder der Kristalllänge, sondern auf der Schmelzmenge des Tiegels. Da das Schmelzen des Tiegels ebenfalls beim Nachschmelzen fortschreitet, wird der hinzuzufügende Dotierungsstoff früher eluiert als eine beabsichtigte Position beim Nachschmelzen, was zu einem Anstieg des spezifischen Widerstands führt. Somit kommt ein Nachschmelzen auch bei diesem Verfahren nicht in Frage.
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund der zuvor beschriebenen Probleme entwickelt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen eines Verfahrens zum Steuern des spezifischen Widerstands, das ein Verringern der Ausbeute verhindern kann, auch wenn eine Dislokation während der Silicium-Einkristall-Züchtung mit dem CZ-Verfahren auftritt, und den spezifischen Widerstand eines Silicium-Einkristalls mit hoher Präzision steuern kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Zum Erfüllen dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands eines gezüchteten Silicium-Einkristalls durch Verwenden eines Dotierungsstoffs, wenn der Silicium-Einkristall mit dem CZ-Verfahren gezüchtet wird, bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: anfängliches Dotieren mit einem primären Dotierungsstoff, so dass der Silicium-Einkristall eine vorgegebene Leitfähigkeit aufweist; und zusätzliches kontinuierliches oder diskontinuierliches Dotieren mit einem sekundären Dotierungsstoff mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der des primären Dotierungsstoffs, entsprechend einem Erstarrungsverhältnis ausgedrückt durch (kristallisiertes Gewicht)/(Ausgangsgewicht des Silicium-Rohmaterials) während des Züchtens des Silicium-Einkristalls, wobei im zusätzlichen Dotierungsschritt das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff durchgeführt wird, wenn das Erstarrungsverhältnis einem vorgegebenen Wert α oder mehr entspricht, während der Kristall mit dem sekundären Dotierungsstoff nicht dotiert wird, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht , und
der vorgegebene Wert α k/4≤α≤2k entspricht, vorausgesetzt wenn 2k>1, k/4≤α≤1, wobei kein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs ist.
Solch ein Verfahren, bei dem das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff erfolgt, wenn das Erstarrungsverhältnis dem vorgegebenen Wert α oder mehr entspricht, während der Kristall mit dem sekundären Dotierungsstoff erst dotiert wird, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, ermöglicht ein Nachschmelzen, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α im Züchten des Silicium-Einkristalls erreicht, selbst wenn eine Dislokation auftritt. Ferner ist der Silicium-Einkristall bereits in einem bestimmten Umfang gezüchtet, wenn eine Dislokation auftritt, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht. Dies führt zu einem Einkristall mit einer Länge, die durch Abziehen einer Slipback-Länge von einer Länge von der Oberseite des Einkristalls bis zur Position, an der eine Dislokation erzeugt wurde, erzielt wird, wodurch eine Verringerung der Ausbeute verhindert wird. Da das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff entsprechend dem Erstarrungsverhältnis erfolgt, kann der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls mit hoher Präzision gesteuert werden.
Ein Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs ist vorzugsweise größer als ein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs.
Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft angewendet werden, wenn der Abscheidungskoeffizient die zuvor genannte Beziehung erfüllt.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner den Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls mit einer zusätzlichen Ladung eines Rohmaterials nach dem Züchten eines ersten Silicium-Einkristalls, wobei der Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls die Phasen umfasst zum: Hinzufügen des primären Dotierungsstoffs unter Berücksichtigung einer Menge des sekundären Dotierungsstoffs, der im vorhergehenden Züchten des Silicium-Einkristalls hinzugefügt wurde; und zum zusätzlichen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α oder mehr erreicht, so dass der Kristall erst mit dem sekundären Dotierungsstoff dotiert wird, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, während der Silicium-Einkristall gezüchtet wird.
Somit kann die vorliegende Erfindung auch in einem Mehrfachziehverfahren zum Züchten einer Vielzahl von Silicium-Einkristallen mit einem Tiegel angewendet werden.
Der vorgegebene Wert α entspricht k/4≤α≤2k (vorausgesetzt wenn 2k>1, k/4≤α≤1), wobei kein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs ist.
Wenn der vorgegebene Wert α im vorhergehenden Bereich liegt, kann die Verringerung der Ausbeute sicher verhindert werden.
Das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff erfolgt vorzugsweise durch Einsetzen oder Einführen eines Silicium-Dünnstabs, der den sekundären Dotierungsstoff oder einen durch Pulverisieren eines Siliciumkristalls, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, erzeugten Dotierungsstoff in eine Siliciumschmelze in einem Bereich zwischen dem gezüchteten Siliciumkristall und einer Tiegelwand.
Solche Verfahren können passenderweise zum zusätzlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff verwendet werden.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung einen n-Silicium-Einkristall mit einem durch das zuvor beschriebene Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands gesteuerten spezifischen Widerstand bereit, wobei der primäre Dotierungsstoff P (Phosphor) ist, der sekundäre Dotierungsstoff B (Bor) ist, eine Differenz N_P-N_B von 1,4×10¹² Atome/cm³ bis 1,4×10¹⁵ Atome/cm³ reicht, wobei N_P eine Phosphorkonzentration im Siliciumkristall ist und N_B eine Borkonzentration im Siliciumkristall ist, und der spezifische Widerstand von 3 Ω cm bis 3000 Ω cm reicht.
Dieser n-Silicium-Einkristall weist hohe Qualitäten auf und kann mit einer hohen Ausbeute erzeugt werden.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wie zuvor erwähnt kann die vorliegende Erfindung das Verringern der Ausbeute verhindern, auch wenn eine Dislokation während der Silicium-Einkristall-Züchtung auftritt, und den spezifischen Widerstand eines Silicium-Einkristalls mit hoher Präzision steuern.
Figurenliste

1 zeigt ein Fließbild zur Darstellung eines Verfahrens zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer beispielhaften Einkristall-Züchtungsvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Graphen zur Darstellung einer Beziehung zwischen einem spezifischen Widerstand und einem Erstarrungsverhältnis eines in Beispiel 1 gezüchteten Silicium-Einkristalls.
4 zeigt einen Graphen zur Darstellung einer Beziehung zwischen einem spezifischen Widerstand und einem Erstarrungsverhältnis eines in Beispiel 2 gezüchteten Silicium-Einkristalls.
5 zeigt einen Graphen zur Darstellung einer Beziehung zwischen einem spezifischen Widerstand und einem Erstarrungsverhältnis eines Silicium-Einkristalls, der zum Züchten im Vergleichsbeispiel geplant war.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben; die Erfindung ist aber nicht auf diese beschränkt.
Obwohl die Verwendung von CZ-PW, auf denen keine epitaxiale Schicht gestapelt ist, an Aufmerksamkeit gewonnen hat, führt ein mit dem CZ-Verfahren erzeugter Silicium-Einkristall zu einem Abscheidungsphänomen und es ist schwierig, dessen Verteilung des spezifischen Widerstands in einer axialen Richtung (einer axialen Ziehrichtung) gleichmäßig zu gestalten. Die Patentschrift 3 offenbart andererseits ein Verfahren, bei dem B kontinuierlich relativ zum primären Dotierungsstoff P hinzugefügt wird. Dieses Verfahren ermöglicht das Erzeugen eines n-Kristalls mit einer verbesserten axialen Verteilung des spezifischen Widerstands durch Gegendotieren mit P als primärer Dotierungsstoff und B als sekundärer Dotierungsstoff. Das in der Patentschrift 3 offenbarte Verfahren weist aber das Problem auf, dass ein Einkristall, in dem eine Dislokation auftritt, nicht nachgeschmolzen werden kann. Insbesondere ist beim Verfahren der Patentschrift 3 der sekundäre Dotierungsstoff mit einer entgegengesetzten Polarität bereits im Kristall und in der Rohmaterialschmelze zum Zeitpunkt des Erzeugens der Dislokation enthalten. Wenn solch ein Kristall nachgeschmolzen wird, können aufgrund des Fehlens des primären Dotierungsstoffs keine Produkte erzeugt werden. Somit muss ein Kristallteil, der den Dislokationsteil umfasst, von der Rohmaterialschmelze getrennt, herausgenommen und entsorgt werden, was zu dem Problem führt, dass die Ausbeute erheblich verringert wird.
Vor diesem Hintergrund führten die vorliegenden Erfinder sorgfältige Untersuchungen zu einem Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands durch, das ein Verringern der Ausbeute verhindern kann, auch wenn eine Dislokation während der Silicium-Einkristall-Züchtung auftritt, und den spezifischen Widerstand eines Silicium-Einkristalls mit hoher Präzision steuern kann. Die vorliegenden Erfinder fanden als ein Ergebnis heraus, dass das Verfahren, bei dem zusätzliches Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff erfolgt, wenn das Erstarrungsverhältnis dem vorgegebenen Wert α oder mehr entspricht, während der Kristall mit dem sekundären Dotierungsstoff erst dotiert wird, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, ein Nachschmelzen ermöglicht, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α im Züchten des Silicium-Einkristalls erreicht, selbst wenn eine Dislokation auftritt. Ferner ist der Silicium-Einkristall bereits in einem bestimmten Umfang gezüchtet, wenn eine Dislokation auftritt, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht. Somit kann ein resultierender Einkristall eine Länge aufweisen, die durch Abziehen einer Slipback-Länge von einer Länge von der Oberseite des Einkristalls bis zur Position, an der eine Dislokation erzeugt wurde, erzielt wird, und es kann die Verringerung der Ausbeute verhindert werden. Auf der Basis der vorhergehenden Erkenntnisse wurde die vorliegende Erfindung zu einem Abschluss geführt.
Nachfolgend sind das Abscheidungsphänomen und das Erstarrungsverhältnis auf einfache Weise beschrieben. Während des Erstarrens (Kristallisierens) von Silicium sind Verunreinigungen in einer Schmelze im Kristall schwierig aufzunehmen. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Verhältnis einer Konzentration von in den Kristall aufgenommenen Verunreinigungen zu einer Konzentration von in der Schmelze vorhandenen Verunreinigungen, das heißt (Konzentration von in den Kristall aufgenommenen Verunreinigungen)/(Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze)), als Abscheidungskoeffizient k bezeichnet. Dementsprechend weisen die Kristall-Verunreinigungskonzentration C_s zu einem bestimmten Zeitpunkt und die Schmelzen-Verunreinigungskonzentration C_L zum gleichen Zeitpunkt eine Beziehung von C_S=k×C_L auf. k ist im Allgemeinen eine Zahl kleiner als 1 und somit ist die Konzentration der in den Kristall aufgenommenen Verunreinigungen niedriger als die Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze. Da der Kristall kontinuierlich gezüchtet wird, verbleiben viele Verunreinigungen in der Schmelze und die Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze nimmt schrittweise zu. Dementsprechend nimmt ebenfalls die Konzentration von Verunreinigungen im Kristall zu. Diese Konzentration C_S wird ausgedrückt durch C_S(x)=C_L0×k×(1-x)^(k-1), wobei x ein durch ein Verhältnis des kristallisierten Gewichts zum ursprünglichen Rohmaterialgewicht dargestelltes Erstarrungsverhältnis ist, und C_L0 eine ursprüngliche Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze ist. Dementsprechend nimmt mit der Zunahme der Kristalllänge und des Erstarrungsverhältnisses die Konzentration von Verunreinigungen im Kristall zu und der spezifische Widerstand nimmt ab. Um zu verhindern, dass der spezifische Widerstand unterhalb einer Norm absinkt, muss der sekundäre Dotierungsstoff kontinuierlich oder diskontinuierlich hinzugefügt werden, während die Dotierungsmenge des sekundären Dotierungsstoffs in Bezug auf das Erstarrungsverhältnis entsprechend angepasst wird. Das Einführen des sekundären Dotierungsstoffs verhindert aber ein Nachschmelzen, wenn eine Dislokation auftritt. Somit darf der sekundäre Dotierungsstoff erst eingeführt werden, wenn die Erstarrung den vorgegebenen Wert α erreicht.
Solch ein Verfahren, bei dem der sekundäre Dotierungsstoff kontinuierlich oder diskontinuierlich während des Züchtens des Silicium-Einkristalls hinzugefügt wird, eignet sich für den Fall, dass der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs größer ist als der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs. Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch angewendet werden, wenn der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs mit einer entgegengesetzten Polarität zum primären Dotierungsstoff kleiner ist als der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs. Das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff während des Züchtens des Einkristalls birgt jedoch die Gefahr eines Erzeugens einer Dislokation. Die Patentschriften 1 und 2 offenbaren, dass, wenn der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs kleiner ist als der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs, eine axiale Gleichmäßigkeit nur durch anfängliches Einführen des sekundären Dotierungsstoffs erhöht werden kann. Somit eignet sich die vorliegende Erfindung besser für den Fall, dass der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs größer ist als der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs, wobei der spezifische Widerstand schwerer zu steuern ist. Zusätzlich eignet sich die vorliegende Erfindung für den Fall, dass der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs größer ist als der des primären Dotierungsstoffs, unter der Berücksichtigung, dass Bor (B), das kein Schwermetall ist und einen größeren Abscheidungskoeffizienten aufweist als der von Phosphor (P), als der sekundäre Dotierungsstoff verwendbar ist, wenn Phosphor (P) als der primäre Dotierungsstoff verwendet wird.
Nachfolgend ist eine beispielhafte CZ-Einkristall-Züchtungsvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 2 beschrieben.
Wie in 2 dargestellt umfasst eine CZ-Einkristall-Züchtungsvorrichtung 100 ein Element zum Speichern und Schmelzen eines polykristallinen Silicium-Rohmaterials und ein Wärmeisolierungselement zum Abschirmen gegen die Wärme, die in einer Hauptkammer 1 angeordnet sind. Eine Ziehkammer 2 ist kontinuierlich oberhalb einer Decke (einer oberen Kammer 11) der Hauptkammer 1 angeordnet und ein Mechanismus (nicht dargestellt) zum Ziehen eines Einkristallstabs (eines Silicium-Einkristalls) 3 mit einem Draht ist darüber angeordnet.
In der Hauptkammer 1 sind ein Quarztiegel 5 zum Speichern einer geschmolzenen Rohmaterialschmelze (einer Siliciumschmelze) 4 und ein Graphittiegel 6 zur Aufnahme des Quarztiegels 5 angeordnet. Diese Tiegel 5, 6 werden mit einem Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) gehalten, so dass sie drehbar und nach oben sowie nach unten entlang einer Tiegelachse beweglich sind. Ein Heizgerät 7 zum Schmelzen des Rohmaterials ist so angeordnet, dass es die Tiegel 5, 6 umgibt. Das Heizgerät 7 ist von einem außen angeordneten Wärmeisolierungsmaterial 8 umgeben.
An der oberen Position der Ziehkammer 2 ist ein Gaseinlass 10 angeordnet. Ein Inertgas wie Argon wird durch den Einlass zugeführt und anschließend durch einen an einem unteren Teil der Hauptkammer 1 angeordneten Gasauslass 9 abgeführt. Ferner ist ein Wärmeabschirmungselement 13 gegenüber der Rohmaterialschmelze 4 angeordnet, um gegen die Strahlung von der Oberfläche der Rohmaterialschmelze 4 abzuschirmen und die Temperatur der Oberfläche der Rohmaterialschmelze 4 zu halten.
Ferner ist ein Gasspülzylinder 12 oberhalb der Rohmaterialschmelze 4 angeordnet und zum Spülen eines Umfangs des Einkristallstabs 3 mit einem durch den Gaseinlass 10 zugeführten Inertgas ausgebildet.
Die obere Kammer 11 ist mit einer Dünnstab-Einsetzeinheit 14 ausgestattet, die zum Einsetzen eines Dünnstabkristalls (eines Silicium-Dünnstabs) 15, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, in die Rohmaterialschmelze 4, wenn das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff erfolgt, ausgebildet ist.
Nachfolgend ist das Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Zunächst wird ein Silicium-Einkristall mit einem primären Dotierungsstoff dotiert, so dass der Silicium-Einkristall eine vorgegebene Leitfähigkeit aufweist (siehe S11 in 1).
Insbesondere wird vor dem Beginn des Züchtens des Silicium-Einkristalls 3 der primäre Dotierungsstoff in die Rohmaterialschmelze 4 eingeführt, so dass der Silicium-Einkristall 3 eine vorgegebene Leitfähigkeit aufweist. Der primäre Dotierungsstoff kann beispielsweise Phosphor (P) sein, wenn ein n-Silicium-Einkristall gezüchtet wird.
Anschließend wird der Silicium-Einkristall ohne zusätzliches Dotieren mit einem sekundären Dotierungsstoff mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zum primären Dotierungsstoff gezüchtet, bis ein Erstarrungsverhältnis ausgedrückt durch (kristallisiertes Gewicht)/(Ausgangsgewicht des Silicium-Rohmaterials) einen vorgegebenen Wert α erreicht (siehe S12 in 1).
Insbesondere wird der Silicium-Einkristall 3 ohne Hinzufügen des sekundären Dotierungsstoffs gezüchtet, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, das heißt bis die Länge eines geraden Körperteils A des Silicium-Einkristalls 3 L_α erreicht. Dabei stellt L_α eine Länge des geraden Körperteils des Silicium-Einkristalls 3 dar, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht. Da der sekundäre Dotierungsstoff erst hinzugefügt wird, wenn die Länge des geraden Körperteils A des Silicium-Einkristalls 3 L_α erreicht, kann der Silicium-Einkristall 3 nachgeschmolzen werden, um das Züchten erneut zu beginnen, selbst wenn eine Dislokation aufgetreten ist.
Das Züchten des Silicium-Einkristalls 3 erfolgt mit dem CZ-Verfahren. Das CZ-Verfahren umfasst ein sogenanntes MCZ-Verfahren, bei dem ein Magnetfeld angewendet wird.
Anschließend wird, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, der Silicium-Einkristall gezüchtet, während zusätzlich kontinuierlich oder diskontinuierlich ein Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff entsprechend dem Erstarrungsverhältnis erfolgt (siehe S13 in 1).
Insbesondere wird, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, das heißt nachdem die Länge des geraden Körperteils A des Silicium-Einkristalls 3 L_α erreicht, der Silicium-Einkristall 3 gezüchtet, während kontinuierlich oder diskontinuierlich der sekundäre Dotierungsstoff entsprechend dem Erstarrungsverhältnis (das heißt der Länge des geraden Körperteils) hinzugefügt wird. Der sekundäre Dotierungsstoff kann beispielsweise Bor (B) sein, wenn Phosphor (P) als der primäre Dotierungsstoff hinzugefügt wird. Nachdem die Länge des geraden Körperteils A des Silicium-Einkristalls 3 L_α erreicht, selbst wenn eine Dislokation auftritt, ist der Silicium-Einkristall bereits in einem bestimmten Umfang gezüchtet. Somit ist das Züchten des Silicium-Einkristalls 3 zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen und es kann der Einkristall mit einer Länge, die durch Abziehen einer Slipback-Länge von einer Länge von der Oberseite des Silicium-Einkristalls 3 bis zur Position, an der eine Dislokation erzeugt wurde, erreicht wird, erzeugt werden.
In diesem Fall ist der Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs vorzugsweise größer als der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs.
Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft angewendet werden, wenn der Abscheidungskoeffizient die zuvor genannte Beziehung erfüllt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise ferner den Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls mit einer zusätzlichen Ladung eines Rohmaterials in einem Tiegel nach dem Züchten eines ersten Silicium-Einkristalls, wobei der Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls die Phasen umfasst zum: Hinzufügen des primären Dotierungsstoffs unter Berücksichtigung einer Menge des sekundären Dotierungsstoffs, der im vorhergehenden Züchten des Silicium-Einkristalls hinzugefügt wurde; und zum zusätzlichen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Dotieren entsprechend dem Erstarrungsverhältnis mit dem sekundären Dotierungsstoff, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α oder mehr erreicht, so dass der Kristall erst mit dem sekundären Dotierungsstoff dotiert wird, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, während der Silicium-Einkristall gezüchtet wird.
Wenn die vorliegende Erfindung auf das Mehrfachziehverfahren zum Züchten einer Vielzahl von Silicium-Einkristallen mit einem Tiegel durch zusätzliches Zuführen des Rohmaterials angewendet wird, enthält die Rohmaterialschmelze 4 den sekundären Dotierungsstoff vor Beginn des Wachstums des zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls. Dies bewirkt, dass der Dotierungsstoff mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zum primären Dotierungsstoff in von der Einkristall-Oberseite zu züchtenden Einkristallen enthalten ist. Somit muss der primäre Dotierungsstoff hinzugefügt werden, um eine Konzentration des in der Einkristall-Oberseite enthaltenen sekundären Dotierungsstoffs auszugleichen, das heißt eine durch Multiplizieren der Konzentration des sekundären Dotierungsstoffs in der Rohmaterialschmelze 4 mit dem Abscheidungskoeffizienten des sekundären Dotierungsstoffs erzielte Konzentration, und es wird ebenfalls die Menge des primären Dotierungsstoffs angepasst, um einen beabsichtigten spezifischen Widerstand zu erzielen.
Somit wird, ebenfalls wenn ein Einkristall von einer Rohmaterialschmelze gezogen wird, in dem die Konzentration des primären Dotierungsstoffs angepasst ist, der sekundäre Dotierungsstoff vorzugsweise erst hinzugefügt, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α überschreitet. Da der primäre Dotierungsstoff in einer Menge eingeführt wird, um den sekundären Dotierungsstoff auszugleichen, der in der vorhergehenden Siliciumkristallzüchtung hinzugefügt wurde, ist ein Nachschmelzen möglich, sofern nicht ein neuer sekundärer Dotierungsstoff hinzugefügt wird (das heißt bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht), selbst wenn eine Dislokation auftritt. Nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α oder mehr erreicht, erfolgt vorzugsweise ein zusätzliches Dotieren kontinuierlich oder diskontinuierlich in einer geeigneten Menge, die auf der Basis der Mengen von primärem und sekundärem Dotierungsstoff, die hinzufügt wurden, entsprechend dem Erstarrungsverhältnis. Auf diese Weise kann der spezifische Widerstand selbst im Mehrfachziehverfahren präzise gesteuert werden, in dem der sekundäre Dotierungsstoff durch die vorhergehende Einkristallzüchtung hinzugefügt wurde.
Ferner wird wie zuvor beschrieben eine Dislokation häufig zum Zeitpunkt des zusätzlichen Dotierens mit dem sekundären Dotierungsstoff erzeugt. Wenn das zusätzliche Dotieren gerade begonnen hat und nur die Menge des sekundären Dotierungsstoffs von einer Minute eingeführt ist, ist ein Nachschmelzen möglich. Beispielsweise verringert selbst bei Berücksichtigung eines durch den sekundären Dotierungsstoff, der bisher hinzugefügt wurde, erhöhten spezifischen Widerstands ein Nachschmelzen nicht eine Ausbeute aufgrund des spezifischen Widerstands, so lange sich der spezifische Widerstand innerhalb der Norm an einer ursprünglichen obersten Position des Silicium-Einkristalls befindet, von der Produkte erzeugt werden können. Somit ist ein Nachschmelzen möglich.
Ferner ist, wenn der spezifische Widerstand der obersten Position, von der Produkte erzeugt werden können, nicht der Norm entspricht, aber ein Bereich, welcher der Norm entspricht, nicht wesentlich verschoben ist, und die Verringerung der Ausbeute als gering zu betrachten ist, ein Nachschmelzen selbst nach zusätzlichem Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff möglich.
Nicht nur nach zusätzlichem Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff, sondern auch vor zusätzlichem Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff kann auf der Basis einer Gesamtbeurteilung von Ausbeute und Produktivität bestimmt werden, ob der Kristall, in dem eine Dislokation auftritt, entnommen oder nachgeschmolzen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Nachschmelzen eine Ausbeute nicht verringert, sondern Zeit erfordert, was zu einer Verringerung der Produktivität führt. Obwohl ein Nachschmelzen nicht in Frage kommt, wenn anfänglich ein zusätzliches Dotieren erfolgt, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Beurteilung, ob der Kristall entnommen oder nachgeschmolzen wird, sowie eine Gesamtbeurteilung von Ausbeute und Produktivität. Daher kann eine Verringerung der Ausbeute wirksamer verhindert werden, wenn der vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses im zuvor genannten Bereich liegt.
Der vorgegebene Wert α entspricht k/4≤α≤2k (vorausgesetzt wenn 2k>1, k/4≤α≤1), wobei k der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs ist. Wie zuvor beschrieben entspricht der vorgegebene Wert α vorzugsweise dem ersten Erstarrungsverhältnis, bei dem ein Produkt erzeugt werden kann, selbst wenn eine Dislokation auftritt und ein Slipback bei einer entsprechenden Kristalllänge verursacht wird, oder mehr und dem zweiten Erstarrungsverhältnis, bei welchem der spezifische Widerstand nur durch einen vor dem Ziehen des Kristalls eingeführten Dotierungsstoff einer Norm entspricht, oder weniger. Die Silicium-Einkristall-Länge entsprechend dem Erstarrungsverhältnis, bei welchem der spezifische Widerstand nur durch einen vor dem Ziehen des Kristalls eingeführten Dotierungsstoff der Norm entspricht, ist lang, wenn der Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs groß ist, und ist kurz, wenn der Abscheidungskoeffizient klein ist. Somit ist der vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses nahezu proportional zum Abscheidungskoeffizienten k des primären Dotierungsstoffs.
Diese Beziehung kann aber nicht spezifisch ausgedrückt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Beziehung von einer Produktkonzeption des Kristalls abhängt. Beispielsweise variiert eine gerade Körperlänge von einer Oberseitenposition, die Normen der Kristallqualitäten wie Sauerstoffkonzentration und Kristalfehler erreicht, von 10 cm bis 30 cm. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Länge von der Striktheit der anderen Qualitätsnormen als der spezifische Widerstand abhängt. Da der spezifische Widerstand so angepasst wird, dass er der Norm innerhalb der für Produkte verwendeten Länge entspricht, hängt das Erstarrungsverhältnis, bei welchem der spezifische Widerstand nur durch einen vor dem Ziehen des Kristalls eingeführten Dotierungsstoff einer Norm entspricht, schließlich von einer Produktkonzeption des Kristalls ab und kann somit nicht eindeutig bestimmt werden. Unter Berücksichtigung solch einer vertikalen Verschiebung aufgrund der Produktkonzeption zum Festlegen eines Näherungswerts beträgt der vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses k/4≤α≤2k. Wenn der vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses kj4 oder mehr beträgt, kann ein Produkt erzeugt werden, selbst wenn eine Dislokation auftritt und ein Slipback bei einer Silicium-Einkristall-Länge entsprechend des Erstarrungsverhältnisses verursacht wird. Wenn der vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnis 2k oder weniger beträgt, kann der spezifische Widerstand nur durch einen vor Züchten des Silicium-Einkristalls eingeführten Dotierungsstoff eine Norm erfüllen.
Als Beispiele für ein Verfahren zum zusätzlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff in einer geeigneten Menge entsprechend dem Erstarrungsverhältnis kann ein Verfahren, bei dem ein Silicium-Dünnstab, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, in die Rohmaterialschmelze 4 zwischen der Tiegelwand und dem Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens eingeführt wird, oder ein Verfahren, bei dem ein durch Pulverisieren eines Siliciumkristalls, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, erzeugter Dotierungsstoff in die Rohmaterialschmelze 4 zwischen der Tiegelwand und dem Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens eingeführt wird, genannt werden.
Solche Verfahren ermöglichen ein zusätzliches Dotieren in einer geeigneten Menge entsprechend dem Erstarrungsverhältnis. Wenn beispielsweise ein Silicium-Dünnstab 15 in die Rohmaterialschmelze 4 zwischen der Tiegelwand und dem Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens eingesetzt wird, kann eine bewegliche Einheit (eine Dünnstab-Einsetzeinheit 14 wie in 2), die an der oberen Kammer 11 befestigt, abgedichtet ist, um den Druck im Ofen zu halten, und den Kristalldünnstab nahezu vertikal bewegen kann, verwendet werden. Diesbezüglich können in der Patentschrift 5 o. Ä. offenbarte Verfahren angewendet werden.
Alternativ kann, wenn ein durch Pulverisieren eines Siliciumkristalls, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, erzeugter Dotierungsstoff in die Rohmaterialschmelze 4 zwischen der Tiegelwand und dem Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens eingeführt wird, ein Rohr, das an der oberen Kammer 11 befestigt ist, abgedichtet ist, um den Druck im Ofen zu halten, und ausgebildet ist, den pulverisuerten Dotierungsstoff in die Rohmaterialschmelze 4 zwischen der Tiegelwand und dem Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens einzuführen, verwendet werden.
Als Mechanismus zum zusätzlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff weist das zum Einführen des pulverisierten Dotierungsstoffs in die Rohmaterialschmelze 4 ausgebildete Rohr eine vereinfachte Struktur auf. Dieses Rohr führt aber den körnigen Dotierungsstoff in der Nähe des Einkristalls während des Züchtens ein und führt mit hoher Wahrscheinlichkeit dazu, dass der Dotierungsstoff spritzt oder schwimmt, was zu einer Dislokation führen kann. Andererseits bewirkt das Anordnen der beweglichen Einheit (der Dünnstab-Einsetzeinheit 14), die den Kristalldünnstab 15 vertikal bewegen kann, mehr Kosten als das zuvor genannte Einführrohr, bietet aber den Vorteil, dass es nahezu keine Dislokation im Silicium-Einkristall 3 während des Züchtens bewirkt, selbst wenn der Kristalldünnstab in der Nähe des Kristalls während des Züchtens eingesetzt wird.
Das zuvor beschriebene Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Verringern der Ausbeute verhindern, auch wenn eine Dislokation während der Silicium-Einkristall-Züchtung auftritt, und den spezifischen Widerstand eines Silicium-Einkristalls mit hoher Präzision steuern.
Nachfolgend ist der n-Silicium-Einkristall der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der n-Silicium-Einkristall der vorliegenden Erfindung wird durch das zuvor beschriebene Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands erzeugt. In diesem Kristall ist der primäre Dotierungsstoff Phosphor (P), der sekundäre Dotierungsstoff Bor (B), reicht eine Differenz N_P-N_B zwischen einer Phosphorkonzentration N_P und einer Borkonzentration N_B im Silicium-Einkristall von 1,4×10¹² Atome/cm³ bis 1,4x10¹⁵ Atome/cm³ und reicht der spezifische Widerstand von 3 Ω cm bis 3000 Ω cm.
Solch ein n-Silicium-Einkristall, der Phosphor (P) als primären Dotierungsstoff und Bor (B) als primären Dotierungsstoff enthält, führt mit größter Wahrscheinlichkeit nicht zu einer unerwarteten Fehlfunktion, da beide Elemente im großen Umfang für die Bauteilfertigung verwendet werden. Insbesondere ein vertikales Starkstromgerät mit einer hohen Durchschlagspannung, in dem Strom in Einkristallen fließt sowie eine Sperrspannung in den Einkristallen angewendet wird, erfordert Einkristalle mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand und einer hohen Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands. Für dieses Gerät eignet sich ein n-Silicium-Einkristall, in dem die Phosphorkonzentration höher ist als die Borkonzentration, die Konzentrationsdifferenz im zuvor genannten Bereich liegt und der spezifische Widerstand im zuvor genannten Bereich liegt. Ferner ermöglicht das Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung das gleichmäßige Steuern eines Einkristalls von oben nach unten im CZ-Verfahren, so dass die gewünschte Konzentrationsdifferenz und der spezifische Widerstand in den zuvor genannten Bereichen liegen. Daher eignet sich ein vom Verfahren zum Steuern des spezifischen Widerstands gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuerter Silicium-Einkristall, so dass der spezifische Widerstand einer schmalen Norm im zuvor genannten Bereich entspricht, für die neuesten Geräte wie Starkstromgeräte.
BEISPIEL
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung in Bezug auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein n-Silicium-Einkristall mit einer Norm für den spezifischen Widerstand von 55-75 Ω cm und einem Durchmesser von 200 mm wurde mit der in 2 dargestellten CZ-Einkristall-Züchtungsvorrichtung 100 gezüchtet. Die anfängliche Ladungsmenge von Silicium-Rohmaterial betrug 200 kg und etwa 160 kg eines Silicium-Einkristalls wurden gezüchtet. Unter der Berücksichtigung, dass ein Einkristall-Oberteil schlechtere andere Qualitäten als der spezifische Widerstand (beispielsweise Sauerstoffkonzentration o. Ä.) aufwies, erfolgte eine anfängliche Dotierung durch Verwenden von Phosphor (P) als primärer Dotierungsstoff, so dass der spezifische Widerstand der Norm entsprach, wenn der gerade Körperteil eine Länge von etwa 20 cm von der Oberseite des geraden Körperteils aufwies und das Erstarrungsverhältnis etwa 0,09 betrug. In Bezug auf die Dotierungsmenge wurden 0,82 g eines durch Pulverisieren eines Silicium-Einkristalls, der eine Phosphorkonzentration von 4×10¹⁹ Atomen/cm³ aufwies, zubereiteten Dotierungsstoffs verwendet. Diese Dotierungsmenge ermöglicht es, dass der Kristall die Norm für den spezifischen Widerstand bis zu einer Länge des geraden Körperteils von etwa 100 cm und eines Erstarrungsverhältnisses von etwa 0,4 erfüllt, sofern nicht der sekundäre Dotierungsstoff eingeführt wird. Anschließend wurde mit dem zusätzlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff zu dem Zeitpunkt begonnen, zu dem der Silicium-Einkristall gezüchtet wurde, bis der gerade Körperteil eine Länge von 85 cm aufwies und das Erstarrungsverhältnis etwa 0,34 betrug, was der Situation entspricht, dass die Länge des geraden Körperteils weniger als 100 cm beträgt und Produkte erzeugt werden können, auch wenn eine Dislokation erzeugt wird. Das heißt der zuvor beschriebene vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses betrug etwa 0,34 und der Kristall wurde mit dem sekundären Dotierungsstoff bis zum vorgegebenen Wert α nicht dotiert.
Das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff wurde durch Befestigen eines Dünnstabkristalls 15 an der Spitze der Dünnstab-Einsetzeinheit 14 in 2 und Einsetzen des Dünnstabkristalls 15 in die Rohmaterialschmelze 4 durchgeführt. Der verwendete Dünnstabkristall (Silicium-Dünnstab) 15 wurde durch Schneiden eines mit Bor (B) gezüchteten Einkristalls mit einem Durchmesser von etwa 300 mm und einer Länge von etwa 300 mm in Silicium-Einkristallblöcke mit einem spezifischen Widerstand von 0,15 Ω cm und anschließendem vertikalen Schneiden des Blocks in rechteckige Säulen mit einer Größe von 2x2x30 cm erzeugt. Das Verfahren zum Erzeugen des Dünnstabkristalls ist nicht darauf beschränkt. Wenn der Block beispielsweise horizontal geschnitten wird, kann der spezifische Widerstand mit einer höheren Präzision gesteuert werden.
Das zusätzliche Dotieren des sekundären Dotierungsstoffs wurde bei einem Erstarrungsverhältnis von 0,34, 0,47, 0,57, 0,65, und 0,71 durch diskontinuierliches Einsetzen und Schmelzen des Dünnstabkristalls (Silicium-Dünnstabs) mit einem Gewicht von jeweils 13, 10, 8,5, 7 und 6 g in die Rohmaterialschmelze 4 durchgeführt. 3 zeigt ein Profil des resultierenden spezifischen Widerstands in einer axialen Richtung (das heißt einer axialen Ziehrichtung), das heißt eine Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und dem Erstarrungsverhältnis des gezüchteten Silicium-Einkristalls. In diesem Beispiel betrug die Differenz N_P-N_B zwischen der Phosphorkonzentration N_P und der Borkonzentration N_B im Einkristall 5,5-7,1×10¹³ Atome/cm³. Im Beispiel 1 waren, selbst wenn eine Dislokation bei einer geraden Körperlänge von weniger als 85 cm (ein Erstarrungsverhältnis von etwa 0,34) aufgetreten ist, Nachschmelzen und Neuproduktion möglich. Ferner lag auch bei Nachschmelzen und Neuproduktion der spezifische Widerstand innerhalb der Norm, während das Erstarrungsverhältnis etwa 0,09 bis 0,75 betrug. Wenn hingegen ein zusätzliches Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff nicht erfolgte, lag der spezifische Widerstand nur innerhalb der Norm, wenn das Erstarrungsverhältnis etwa 0,09 bis 0,4 betrug. Somit war die Produktlänge in diesem Beispiel doppelt so lang wie in dem Fall, bei dem ein zusätzliches Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff nicht erfolgt ist.
(Beispiel 2)
Nach dem Züchten des Kristalls von Beispiel 1 wurden etwa 160 kg Silicium-Rohmaterial zusätzlich zugeführt, um ein Rohmaterial-Gesamtgewicht von 200 kg zu erzielen. Für das Züchten des zweiten Silicium-Einkristalls wurde ein n-Silicium-Einkristall mit einer Norm für den spezifischen Widerstand von 55-75 Ω cm und einem Durchmesser von 200 mm gezüchtet. Berechnungen ergaben, dass die Restkonzentration von Phospor (P) in der Rohmaterialschmelze 4 nach Abschluss des Züchtens des ersten Silicium-Einkristalls 1,7×10¹⁴ Atome/cm³ betrug und die Restkonzentration von Bor (B) in der Rohmaterialschmelze 4 nach Abschluss des Züchtens des ersten Silicium-Einkristalls 6,7×10¹³ Atome/cm³ betrug. Unter Berücksichtigung dieser Reste wurden 0,79 g eines durch Pulverisieren eines Siliciumkristalls mit einer Konzentration von Phosphor (P) von 4×10¹⁹ Atome/cm³ erzeugten Dotierungsstoffs eingeführt, um eine Rohmaterialschmelze zum Züchten des zweiten Silicium-Einkristalls zu erzeugen, so dass der spezifische Widerstand die Norm erreichte, wenn der gerade Körperteil eine Länge von etwa 20 cm aufwies und das Erstarrungsverhältnis etwa 0,09 betrug. Da Bor (B) bereits im Züchten des ersten Silicium-Einkristalls hinzugefügt wurde, erfüllt der spezifische Widerstand die Norm in einem kürzeren Bereich als der erste Kristall, nämlich bis zu einer Länge des geraden Körperteils von etwa 95 cm und einem Erstarrungsverhältnis von etwa 0,38, sofern nicht ein zusätzliches Dotieren ausgeführt wird. Anschließend wurde mit dem zusätzlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff zu dem Zeitpunkt begonnen, zu dem der gerade Körperteil eine Länge von 80 cm aufwies und das Erstarrungsverhältnis etwa 0,32 betrug, was der Situation entspricht, dass die Länge des geraden Körperteils weniger als 95 cm beträgt und Produkte erzeugt werden können, auch wenn eine Dislokation erzeugt wird. Das heißt der zuvor beschriebene vorgegebene Wert α des Erstarrungsverhältnisses betrug etwa 0,32.
Das zusätzliche Dotieren wurde durch Befestigen eines Dünnstabkristalls (eines Silicium-Dünnstabs) 15 mit einem spezifischen Widerstand von 0,15 Ω cm und einer Größe von 2x2x30 cm an der Spitze der Dünnstab-Einsetzeinheit 14 in 2 und Einsetzen des Dünnstabkristalls 15 in die Rohmaterialschmelze 4 wie in Beispiel 1 durchgeführt. Es wurde aber anders als im Beispiel 1 kontinuierlich Bor (B) eingeführt. Die Menge des zusätzlichen Dotierens wurde auf der Basis der Patentschrift 3 proportional zu {(1-x)^(kp-1)-1+[1+kp×(1-x)^(kp-1)]/kb} bestimmt (wobei kp der Abscheidungskoeffizient von Phosphor ist, kb der Abscheidungskoeffizient von Bor ist und x das Erstarrungsverhältnis ist). 4 zeigt ein Profil des resultierenden spezifischen Widerstands in einer axialen Richtung (das heißt eine Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und dem Erstarrungsverhältnis des gezüchteten Silicium-Einkristalls). In diesem Beispiel betrug die Differenz N_P-N_B zwischen der Phosphorkonzentration N_P und der Borkonzentration N_B im Einkristall 5,4-7,1×10¹³ Atome/cm³. Wie aus 4 ersichtlich konnte eine sehr gleichmäßige Verteilung des spezifischen Widerstands in Beispiel 2 erzielt werden.
(Vergleichsbeispiel)
Ein Silicium-Einkristall wurde wie in Beispiel 2 gezüchtet; ein zusätzliches Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff wurde aber mit Beginn des Züchtens des geraden Körperteils des Silicium-Einkristalls gestartet. Diese Konfiguration wurde so geplant, dass ein nahezu flacher spezifischer Widerstand von der Einkristall-Oberseite zur Einkristall-Unterseite wie in 5 dargestellt erzielt wurde. In der Praxis wurde jedoch eine Dislokation bei einer geraden Körperlänge von 60 cm und ein Erstarrungsverhältnis von 0,24 erzeugt. Anschließend wurde das Nachschmelzen geplant; die Berechnung ergab jedoch, dass, wenn der Kristall nach dem Nachschmelzen wieder gezüchtet wird, der spezifische Widerstand am Kristalloberteil etwa 80 Ω cm beträgt. Somit kann ein Silicium-Einkristall mit einem spezifischen Normwiderstand nicht erzeugt werden, wenn das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff erneut mit dem Beginn des Züchten des geraden Körperteils des Silicium-Einkristalls zum erneuten Ziehen des Einkristalls begonnen wird. Daher wurden etwa 48 kg des Silicium-Einkristall, was dem geraden Körper mit einer Länge von 60 cm entspricht, von der Rohmaterialschmelze abgetrennt und der CZ-Einkristall-Produktionsvorrichtung entnommen. Der entnommene Silicium-Einkristall wies einen Slipback bis zu einer Länge von etwa 30 cm von der Oberseite des geraden Körperteils auf. Ein Teil von 10 cm zwischen 20 cm und 30 cm von der Oberseite des geraden Körperteils hätte für Produkte verwendet werden können; aber dieser Teil war so kurz, dass das Kosten-Leistungs-Verhältnis unter Berücksichtigung der Verarbeitungsverluste usw. ungünstig war. Somit wurde dieser Teil entsorgt. Wie zuvor beschrieben konnte Produkt aus 48 kg des Rohmaterials erzeugt werden, wenn das zusätzliche Dotieren mit dem Beginn des Züchtens des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls begonnen wurde, was zu einer wesentlichen Verringerung der Ausbeute führte.

Claims

Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands eines gezüchteten Silicium-Einkristalls durch Verwenden eines Dotierungsstoffs, wenn der Silicium-Einkristall mit dem CZ-Verfahren gezüchtet wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: anfängliches Dotieren mit einem primären Dotierungsstoff, so dass der Silicium-Einkristall eine vorgegebene Leitfähigkeit aufweist; und zusätzliches kontinuierliches oder diskontinuierliches Dotieren mit einem sekundären Dotierungsstoff mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der des primären Dotierungsstoffs, entsprechend einem Erstarrungsverhältnis ausgedrückt durch (kristallisiertes Gewicht)/(Ausgangsgewicht des Silicium-Rohmaterials) während des Züchtens des Silicium-Einkristalls, wobei im zusätzlichen Dotierungsschritt das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff durchgeführt wird, wenn das Erstarrungsverhältnis einem vorgegebenen Wert α oder mehr entspricht, während der Kristall mit dem sekundären Dotierungsstoff nicht dotiert wird, bis das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, und der vorgegebene Wert α k/4≤α≤2k entspricht, vorausgesetzt wenn 2k>1, k/4≤α≤1, wobei kein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs ist.
Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands nach Anspruch 1, wobei ein Abscheidungskoeffizient des sekundären Dotierungsstoffs größer ist als ein Abscheidungskoeffizient des primären Dotierungsstoffs.
Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls mit einer zusätzlichen Ladung eines Rohmaterials nach dem Züchten eines ersten Silicium-Einkristalls, wobei der Schritt zum wiederholten Züchten eines zweiten oder späteren Silicium-Einkristalls die Phasen umfasst zum: Hinzufügen des primären Dotierungsstoffs unter Berücksichtigung einer Menge des sekundären Dotierungsstoffs, der im vorhergehenden Züchten des Silicium-Einkristalls hinzugefügt wurde; und zusätzlichen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff, nachdem das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α oder mehr erreicht, so dass der Kristall erst mit dem sekundären Dotierungsstoff dotiert wird, wenn das Erstarrungsverhältnis den vorgegebenen Wert α erreicht, während der Silicium-Einkristall gezüchtet wird.
Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zusätzliche Dotieren mit dem sekundären Dotierungsstoff durch Einsetzen oder Einführen eines Silicium-Dünnstabs, der den sekundären Dotierungsstoff oder einen durch Pulverisieren eines Siliciumkristalls, der den sekundären Dotierungsstoff enthält, erzeugten Dotierungsstoff in eine Siliciumschmelze in einem Bereich zwischen dem gezüchteten Siliciumkristall und einer Tiegelwand erfolgt.
N-Silicium-Einkristall mit einem mit dem Verfahren zum Steuern eines spezifischen Widerstands nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gesteuerten spezifischen Widerstand, wobei der primäre Dotierungsstoff P (Phosphor) ist, der sekundäre Dotierungsstoff B (Bor) ist, eine Differenz N_P-N_B von 1,4×10¹² Atomen/cm³ bis 1,4×10¹⁵ Atomen/cm³ reicht, wobei N_P eine Phosphorkonzentration im Siliciumkristall ist und N_B eine Borkonzentration im Siliciumkristall ist, und der spezifische Widerstand von 3 Ω cm bis 3000 Ω cm reicht.