DE112017003224T5 - Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkristall - Google Patents

Abstract

Ein Silicium-Einkristall wird unter einer gegebenen Herstellungsbedingung hergestellt, indem für die gegebene Herstellungsbedingung vorher Korrelationen zwischen einem Durchmesser (D) eines Einkristalls (C), wenn er mit einem CZ-Verfahren hochgezogen wird, der Stärke eines horizontalen Magnetfeldes (G), das an eine Schmelze (M) angelegt wird, einer Kristallrotationsgeschwindigkeit (V) des Einkristalls (C), wenn er hochgezogen wird, und einer Verteilungscharakteristik (δ) einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers erhalten werden, ein Minimaldurchmesser des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, aus einem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, einem Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und den Korrelationen erhalten wird, und der erhaltene Minimaldurchmessers als Zieldurchmesser verwendet wird.

Description

• [Technisches Gebiet]
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls.
• [Stand der Technik]
• In einem Czochralski-Verfahren mit angelegtem horizontalen Magnetfeld (HMCZ-Verfahren) wurde vorgeschlagen, dass die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in Richtung der Kristallwachstumsachse gleichmäßig gemacht wird, indem man die Konvektion in dem Oberflächenteil der Schmelze in einem Tiegel leicht auftreten lässt und die Konvektion in dem Bodenteil des Tiegels unterdrückt (Patentdokument 1: JP9-188590A ).
• [Dokument des Standes der Technik]
• [Patentdokument]
• [Patentdokument 1] JP9-188590A
• [Zusammenfassung der Erfindung]
• [Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
• Im Allgemeinen ist die Sauerstoffkonzentration in einem Bereich von etwa 10 mm von dem Teil am Ende des äußeren Umfangs eines Wafers (dieser Bereich wird ebenso nachstehend als ein „äußerer Umfangsteil“ bezeichnet) niedriger als in den anderen Zentralbereichen. Ein solcher äußerer Umfangsteil kann in dem Bauelementprozess Defekte hervorrufen, und es ist folglich erforderlich, die Sauerstoffkonzentration bis in den äußeren Umfangsteil hinein gleichmäßig zu machen, um die Ausbeute an Bauelementen zu steigern.
• Ein durch die vorliegende Erfindung zu lösendes Problem liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls zur Verfügung zu stellen, das die Sauerstoffkonzentration an der Waferoberfläche bis in den äußeren Umfangsteil hinein gleichmäßig machen kann, während die Herstellungskosten des Silicium-Einkristalls gering gehalten werden.
• [Mittel zur Lösung der Aufgaben]
• Ein erster Aspekt der Erfindung löst das obige Problem, indem vorher für eine gegebene Produktionsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, der hochgezogen werden soll, der Stärke eines horizontalen Magnetfeldes und einer Kristallrotation des Einkristalls und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers erhalten werden, ein Durchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, aus der zulässigen Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, einem Grenzwert der Kristallrotation des Einkristalls und den Korrelationen erhalten wird, und der Silicium-Einkristall mit dem erhaltenen Durchmesser unter der gegebenen Herstellungsbedingung hergestellt wird.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung löst das obige Problem, indem vorher für eine gegebene Herstellungsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, der hochgezogen werden soll, einer Stärke eines horizontalen Magnetfeldes, einer Kristallrotation des Einkristalls und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers erhalten werden, die anzulegende Stärke des horizontalen Magnetfeldes aus einer zulässigen Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, einem Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls und den Korrelationen erhalten wird, und der Einkristall unter der erhaltenen Stärke des horizontalen Magnetfeldes und der gegebenen Herstellungsbedingung hergestellt wird.
• Ein dritter Aspekt der Erfindung löst das obige Problem, indem vorher für eine gegebene Herstellungsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, der hochgezogen werden soll, einer Stärke eines horizontalen Magnetfeldes, einer Kristallrotation des Einkristalls und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers erhalten werden, die Kristallrotation des Einkristalls aus einer zulässigen Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, einem Grenzwert des horizontalen Magnetfeldes und den Korrelationen erhalten wird, und der Einkristall unter der erhaltenen Kristallrotation und der gegebenen Herstellungsbedingung hergestellt wird.
• Wenn auch nicht besonders beschränkt, sind in den obigen ersten bis dritten Aspekten der Erfindung, vorausgesetzt der Durchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, ist D (mm), die Stärke des horizontalen Magnetfeldes ist G (Gauss), die Kristallrotation des Einkristalls ist V (U/min), die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers ist δ (10¹⁷ Atome/cm³) und a, b, c und d sind Konstanten, die Korrelationen vorzugsweise durch die Gleichung δ=aD+bG+cV+d definiert, und die Konstanten a, b, c und d werden vorzugsweise vorher erhalten.
• [Effekt der Erfindung]
• Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden die Korrelationen vorher erhalten, bei denen der Durchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, zu der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, der Kristallrotation des Einkristalls und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers hinzuaddiert wird, und, wenn der Einkristall hergestellt wird, ein Minimaldurchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, aus dem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration im äußeren Umfangsteil des Wafers, dem Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, dem Grenzwert der Kristallrotation des Einkristalls und den Korrelationen erhalten wird. Dies minimiert den Durchmesser des hochzuziehenden Einkristalls und kann folglich die Herstellungskosten des Silicium-Einkristalls auf ein Minimum senken. Darüber hinaus hält die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers ihren Grenzwert aufrecht, und die Sauerstoffkonzentration an der Waferoberfläche kann somit gleichmäßig gemacht werden.
• Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Korrelationen vorher erhalten, bei denen der Durchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, zu der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, der Kristallrotation des Einkristalls und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers hinzuaddiert wird, und, wenn der Einkristall hergestellt wird, die Stärke des horizontalen Magnetfeldes, das angelegt werden soll, aus dem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, dem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, dem Grenzwert der Kristallrotation des Einkristalls und den Korrelationen erhalten wird. Dies minimiert den Durchmesser des hochzuziehenden Einkristalls und kann folglich die Herstellungskosten des Silicium-Einkristalls auf ein Minimum drücken. Darüber hinaus hält die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers ihren Grenzwert aufrecht, und die Sauerstoffkonzentration an der Waferoberfläche kann somit gleichmäßig gemacht werden.
• Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung werden die Korrelationen vorher erhalten, bei denen der Durchmesser des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, zu der Stärke des horizontalen Magnetfeldes, der Kristallrotation des Einkristalls und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers hinzuaddiert wird, und, wenn der Einkristall hergestellt wird, die Kristallrotation des Einkristalls erhalten wird aus dem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, dem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, der hochgezogen werden soll, dem Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und den Korrelationen. Dies minimiert den Durchmesser des hochzuziehenden Einkristalls und kann folglich die Herstellungskosten des Silicium-Einkristalls auf ein Minimum senken. Darüber hinaus hält die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers ihren Grenzwert aufrecht, und die Sauerstoffkonzentration an der Waferoberfläche kann somit gleichmäßig gemacht werden.
• Figurenliste
• 1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Herstellungsvorrichtung veranschaulicht, auf die das Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
• 2 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Stärke des horizontalen Magnetfeldes der in 1 veranschaulichten Herstellungsvorrichtung und einer Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers illustriert.
• 3 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Kristallrotation eines Einkristalls in der in 1 illustrierten Herstellungsvorrichtung und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers illustriert.
• 4 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Position in Richtung des Durchmessers in einem Wafer eines Silicium-Einkristalls, der mit der in 1 veranschaulichten Herstellungsvorrichtung hergestellt wurde, und der Sauerstoffkonzentration illustriert.
• 5 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Durchmesser eines Einkristalls, der mit der in 1 veranschaulichten Herstellungsvorrichtung hochgezogen wurde, und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil illustriert.
• [Weg(e) zur Durchführung der Erfindung]
• Nachstehend werden eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Herstellungsvorrichtung veranschaulicht, auf die das Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls (nachstehend ebenso einfach als „Herstellungsvorrichtung (1)“ bezeichnet), auf die das Verfahren zur Herstellung gemäß der vorliegenden Ausführungsform angewandt wird, umfasst eine erste Kammer (11), die in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, und eine zweite Kammer (12), die ebenso in einer zylindrischen Form ausgebildet ist. Die ersten und zweiten Kammern (11) und (12) sind luftdicht miteinander verbunden.
• Ein Quarztiegel (21) zur Aufbewahrung einer Siliciumschmelze (M) und ein Graphittiegel (22) für den Schutz des Quarztiegels (21) werden durch eine Tragewelle (23) in der ersten Kammer (11) getragen, und ein Antriebsmechanismus (24) erlaubt es, sie zu drehen und nach oben und unten zu bewegen. Zusätzlich sind eine ringförmige Heizung (25) und eine Tonne (26) zur thermischen Isolierung, die ebenso ringförmig ist und aus einem thermischen Isoliermaterial ausgebildet ist, so angeordnet, dass sie den Quarztiegel (21) und den Graphittiegel (22) umgeben. Eine zusätzliche Heizung kann unterhalb des Quarztiegels (21) hinzugefügt werden.
• Ein zylindrisches Bauteil (27) zur thermischen Abschirmung ist innerhalb der ersten Kammer (11) und oberhalb des Quarztiegels (21) vorgesehen. Das Bauteil (27) zur thermischen Abschirmung ist aus einem refraktären Metall, wie Molybdän oder Wolfram, oder Kohlenstoff gebildet. Das Bauteil (27) zur thermischen Abschirmung dient dazu, die Strahlung von der Siliciumschmelze (M) zu einem Silicium-Einkristall (C) zu blockieren und das Gas, das in der ersten Kammer (11) fließt, zu regulieren. Das Bauteil (27) zur thermischen Abschirmung ist unter Verwendung einer Halterung (28) an der Tonne (22) zur thermischen Isolierung befestigt. In einer Ausführungsform kann das untere Ende des Bauteils (27) zur thermischen Abschirmung mit einem thermischen Barriereteil versehen sein, das der gesamten Oberfläche der Siliciumschmelze (M) gegenüberliegt. Dieses kann die Strahlung von der Oberfläche der Siliciumschmelze (M) abschneiden und das Wärmerückhaltevermögen an der Oberfläche der Siliciumschmelze (M) fördern.
• Die zweite Kammer (12), die mit dem oberen Teil der ersten Kammer (11) verbunden ist, ist eine Kammer, die einen gezogenen Silicium-Einkristall (C) aufnimmt. Der Silicium-Einkristall (C) kann durch die zweite Kammer (12) entnommen werden. Der obere Teil der zweiten Kammer (12) ist mit einem Hochziehmechanismus (32) versehen, der den Silicium-Einkristall mit einem Draht (31) hochzieht, während er rotiert wird. Ein Keimkristall (S) ist an einem Spannfutter am unteren Ende des Drahts (31) befestigt, der senkrecht an dem Hochziehmechanismus (32) aufgehängt ist. Ein Inertgas, wie ein Argongas, wird durch eine Gaseinlassöffnung (13), die an dem oberen Teil der ersten Kammer (11) vorgesehen ist, in die erste Kammer (11) eingeführt. Das Inertgas tritt durch einen Raum zwischen dem Silicium-Einkristall (C), der hochgezogen wird, und dem Bauteil (27) zur thermischen Abschirmung hindurch, tritt dann durch einen Raum zwischen dem unteren Ende des Bauteils (27) zur thermischen Abschirmung und der Schmelzoberfläche der Siliciumschmelze (M) hindurch, steigt ferner zu dem oberen Ende des Quarztiegels (21) empor und wird letztendlich durch eine Gasauslassöffnung (14) abgelassen.
• Eine Vorrichtung (41) zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist außerhalb der ersten Kammer (11) (die aus einem nichtmagnetischen Abschirmmaterial ausgebildet ist) angeordnet, so dass sie die erste Kammer (11) umgibt. Die Vorrichtung (41) zur Erzeugung eines Magnetfeldes dient dazu, ein Magnetfeld an die Schmelze (M) in dem Quarztiegel (21) anzulegen. Die Vorrichtung (41) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die ein horizontales Magnetfeld in Richtung des Quarztiegels (21) erzeugt, ist so konfiguriert, dass sie eine oder mehrere Magnetspulen einschließt. Die Vorrichtung (41) zur Erzeugung eines Magnetfeldes kontrolliert die thermische Konvektion der Schmelze (M) in dem Quarztiegel (21) und stabilisiert hierdurch das Kristallwachstum und unterdrückt die mikroskopische Schwankung der Verteilung von Verunreinigungen in Kristallwachstumsrichtung. Dieser Effekt ist insbesondere dann signifikant, wenn ein Silicium-Einkristall mit einem großen Durchmesser hergestellt wird. Die unten beschriebene Stärke des Magnetfeldes bezieht sich auf Werte, die an der Zentralposition der Schmelzeoberfläche der Schmelze (M) in dem Quarztiegel (21) gemessen werden.
• Wenn die Herstellungsvorrichtung (1) der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um einen Silicium-Einkristall mit dem CZ-Verfahren zu ziehen, wird die Siliciumschmelze (M) zuerst hergestellt durch das Befüllen des Quarztiegels (21) mit einem Silicium-Ausgangsmaterial von polykristalinem Silicium, das gegebenenfalls mit einem Dotierungsmittel dotiert sein kann, und Einschalten der Heizung (25), um das Silicium-Ausgangsmaterial in dem Quarztiegel (21) zu schmelzen. Anschließend wird die Temperatur der Siliciumschmelze (M) auf eine Temperatur des Beginns des Hochziehens eingestellt, während die Vorrichtung (41) zur Erzeugung des Magnetfeldes eingeschaltet wird, um das Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an den Quarztiegel (21) zu beginnen. Nachdem sich die Temperatur der Siliciumschmelze (M) und die Magnetfeldstärke stabilisiert haben, wird der Quarztiegel (21) mit dem Antriebsmechanismus (24) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit rotiert, während das Inertgas durch die Gaseinlassöffnung (13) zugeführt wird und über die Gasauslassöffnung (14) abgelassen wird, und der Keimkristall (S), der an dem Draht (31) befestigt ist, wird in die Siliciumschmelze (M) eingetaucht. Dann wird, nachdem der Draht (31) langsam hochgezogen wurde, während er ebenso mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht wurde, um einen Halsteil des Silicium-Einkristalls (C) auszubilden, dessen Durchmesser bis zu einem gewünschten Durchmesser vergrößert. Der Silicium-Einkristall (C) wird so gezogen, dass er einen Teil eines geraden Körpers mit in etwa zylindrischer Form aufweist.
• Wenn der Silicium-Einkristall (C) hochgezogen wird, senkt sich die Schmelzeoberfläche der Siliciumschmelze (M) in dem Quarztiegel (21) ab und die Bedingung der heißen Zone verändert sich, eingeschlossen das horizontale Magnetfeld, das von der Vorrichtung (41) zur Erzeugung eines Magnetfeldes an den Quarztiegel (21) angelegt ist. Um die Schwankung an der Oberfläche der Schmelze zu unterdrücken, wird die Höhe in senkrechter Richtung der Schmelzeoberfläche der Siliciumschmelze (M) während des Hochziehens des Silicium-Einkristalls (C) durch den Antriebsmechanismus (24) konstant gehalten. Diese Steuerung durch den Antriebsmechanismus (24) wird beispielsweise auf Basis von Informationen, wie der Position des Tiegels (21), der Position der Schmelzeoberfläche der Siliciumschmelze (M), gemessen mit einer CCD-Kamera oder dergleichen, die Hochziehlänge des Silicium-Einkristalls (C), der Temperatur in der ersten Kammer (11), der Oberflächentemperatur der Siliciumschmelze (M) und der Flussrate von Inertgas durchgeführt. Auf diese Weise wird die senkrechte Position des Quarztiegels (21) durch den Antriebsmechanismus (24) bewegt.
• Wenn ein 300 mm-Wafer hergestellt wird, wird beispielsweise der Hochziehdurchmesser des Silicium-Einkristalls (C) unter Berücksichtigung von Schwankungen auf einen vorgegebenen Wert geringfügig größer als 300 mm eingestellt. 4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in einem Waferzustand des auf solche Weise hergestellten Silicium-Einkristalls (C) veranschaulicht. Die waagerechte Achse bezeichnet die Position in Richtung des Durchmessers, wobei das Zentrum des Wafers null ist, und die senkrechte Achse bezeichnet die Sauerstoffkonzentration (×10¹⁷ Atome/cm³). Die Sauerstoffkonzentration, auf die sich die vorliegende Beschreibung bezieht, ist ein Wert, der mit dem FT-IR-Verfahren (Fourier-Transformation-Infrarot-Spektroskopieverfahren), das vollständig durch ASTM F-121 (1979) standardisiert ist, gemessen wird. Der äußere Umfangsteil des Wafers, worauf sich die vorliegende Beschreibung bezieht, ist ein Bereich von dem Teil des Wafers am äußeren Umfangsende zu der Innenseite von 10 mm. Die folgenden, in den 2, 3 und 5 illustrierten Beispiele, sind diejenigen, in denen das Abfallen der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers an einer Position 5 mm von dem Teil am äußeren Umfangsende gemessen wird, diese Beispiele werden jedoch lediglich als typische Beispiele des äußeren Umfangsteils des Wafers gegeben, und die Messposition ist nicht auf die Position von 5 mm beschränkt. Gemäß diesen Beispielen ist die Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers um etwa 0,5×10¹⁷ Atome/cm³ niedriger als an anderen Stellen. Denn, wenn das horizontale Magnetfeld angelegt wird, wenn sich der Durchmesser des Wafers vergrößert und die thermische Konvektion die in der Siliciumschmelze (M) in dem Quarztiegel (21) auftritt, dadurch kontrolliert wird, um die Kontrollierbarkeit des Hochziehdurchmessers zu verbessern, wird es unwahrscheinlicher, dass der Sauerstoff in der Schmelze durch die thermische Konvektion gerührt wird, und die Schmelze in der Oberflächenschicht, aus der Sauerstoff verdampft, wird als der äußere Umfangsteil des Kristalls genommen, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Kristalls tendenziell abnimmt.
• Entsprechend kann es, wenn die Stärke des horizontalen Magnetfeldes durch die Vorrichtung (41) zur Erzeugung des Magnetfeldes verringert wird, möglich sein, die Abnahme der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers zu unterdrücken. Die Verringerung der Stärke des horizontalen Magnetfeldes durch die Vorrichtung (41) zur Erzeugung des Magnetfeldes kann jedoch die Kontrollierbarkeit der thermischen Konvektion, die in der Siliciumschmelze (M) in dem Quarztiegel (21) auftritt, mindern und so zu einer geringen Kontrollierbarkeit der Hochziehgeschwindigkeit führen. Zusätzlich kann die Verringerung der Stärke des horizontalen Magnetfeldes durch die Vorrichtung (41) zur Erzeugung des Magnetfeldes die Kontrollierbarkeit der thermischen Konvektion, die in der Siliciumschmelze (M) in dem Quarztiegel (21) auftritt, mindern, was somit zu einer erhöhten Sauerstoffkonzentration führt. Folglich gibt es einen gewissen Grenzwert, wenn die Stärke des horizontalen Magnetfeldes verringert wird.
• Unter einem weiteren Aspekt, wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) beim Hochziehen (was sich auf eine Rotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) nur durch den Draht (31) und nicht eine relative Rotationsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit des Quarztiegels (21) bezieht) gesteigert wird, kann es möglich sein, die Abnahme der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers zu unterdrücken. Das Steigern der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) beim Hochziehen kann jedoch eine Verdrehung (twist) des Silicium-Einkristalls (C) hervorrufen. Zusätzlich kann die Steigerung der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) beim Hochziehen die Sauerstoffkonzentration erhöhen. Somit besteht ein gewisser Grenzwert auch, wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) beim Hochziehen gesteigert wird.
• Unter einem weiteren Aspekt wird unter Berücksichtigung der Schwankung des Durchmessers infolge von Schwankungen der Steuerung, wie Schwankungen der Hochziehgeschwindigkeit ein Minimalwert für den Durchmesser des Silicium-Einkristalls (C), der hochgezogen werden soll, festgelegt, wenn dieser Durchmesser jedoch erhöht wird, nimmt die Menge zu, die verworfen werden muss und verringert so die Ausbeute der Produktion. Zusätzlich gibt es Einschränkungen der Herstellungsvorrichtung (1) im Hinblick auf die Größe des Quarztiegels (21) oder dergleichen. Somit gibt es einen gewissen Grenzwert auch für das Vergrößern des Durchmessers des Silicium-Einkristalls beim Hochziehen.
• Unter solchen Umständen haben die vorliegenden Erfinder untersucht, wie die Stärke des horizontalen Magnetfeldes und die Kristallrotationsgeschwindigkeit und der Durchmesser des Silicium-Einkristalls (C) jeweils die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteils des Kristalls beeinflussen, und bestätigten die Korrelationen zwischen ihnen.
• 2 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers zeigt, wenn der Silicium-Einkristall (C) unter einer gegebenen Herstellungsbedingung unter Verwendung der in 1 illustrierten Herstellungsvorrichtung (1) hergestellt wird. Die waagerechte Achse bezeichnet die Stärke des horizontalen Magnetfeldes (Gauss, (G), rechte Seite bezeichnet große Werte, während die linke Seite kleine Werte bezeichnet) durch die Vorrichtung (41) zur Erzeugung des Magnetfeldes und die senkrechte Achse bezeichnet einen Unterschied zwischen der Sauerstoffkonzentration an einer Position 5 mm von dem Teil des Wafers am äußeren Umfangsende in Richtung des Zentrums (diese Position wird nachstehend ebenso als „In5“ bezeichnet) und der Sauerstoffkonzentration an einer Position 100 mm von dem Teil des Wafers am äußeren Umfangsende in Richtung des Zentrums (diese Position wird nachstehend ebenso als „In10“ bezeichnet) (Unterschied: (Oi[InlO]-Oi[In5], 10¹⁷ Atome/cm³). Wie oben beschrieben, wurde gezeigt, dass sich der Unterschied der Sauerstoffkonzentration null annähert, wenn die Stärke des horizontalen Magnetfeldes verringert wird.
• 3 ist ein Graph, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls (nachstehend als „Rotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (C) selbst“ bezeichnet) und der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, wenn der Silicium-Einkristall (C) unter einer gegebenen Herstellungsbedingung unter Verwendung der Herstellungsvorrichtung (1), wie in 1 illustriert ist, hergestellt wird, illustriert. Die waagrechte Achse bezeichnet die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls (U/min, die rechte Seite bezeichnet große Werte, während die linke Seite kleine Werte bezeichnet), und die senkrechte Achse bezeichnet den Unterschied der Sauerstoffkonzentration (Oi[In10]-Oi[In5], 10¹⁷ Atome/cm³), wie in 2. Wie oben beschrieben, wurde gezeigt, dass sich der Unterschied der Sauerstoffkonzentration null annähert, wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit gesteigert wird.
• 4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in einem Waferzustand des Silicium-Einkristalls (C) illustriert, wenn der 300 mm-Wafer hergestellt wird, wie oben beschrieben. 5 ist ein Graph, der die Sauerstoffkonzentration darstellt, wenn der Durchmesser vergrößert wird, die unter Verwendung der Resultate von 4 abgeschätzt ist unter der Annahme, dass sich die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffverhalten) in dem äußeren Umfangsteil des Hochziehdurchmessers unabhängig von dem Durchmesser nicht verändert. Die waagrechte Achse bezeichnet den Durchmesser des Einkristalls (mm, die rechte Seite bezeichnet große Werte, während die linke Seite kleine Werte bezeichnet), der eingestellt wird, wenn der Einkristall hochgezogen wird, und die senkrechte Achse bezeichnet den Unterschied der Sauerstoffkonzentration (Oi[InlO]-Oi[In5], 10¹⁷ Atome/cm³), wie in 2 und 3. Wie oben beschrieben, wurde gezeigt, dass sich der Unterschied der Sauerstoffkonzentration null annähert, wenn der Durchmesser des Einkristalls beim Hochziehen größer eingestellt wird.
• Aus diesen Resultaten der 2 bis 5 wurde gefunden, dass die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Kristalls (Oi[InlO]-Oi[In5], 10¹⁷ Atome/cm³) entsprechende Korrelationen mit der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit und dem Durchmesser des Silicium-Einkristalls (C) hat. Die Erfinder haben folglich die Korrelationen durch eine Gleichung definiert:
  [Ausdruck 1] $$\mathrm{\delta }=\text{aD}+\text{bG}+\text{cV}+\text{d}$$

  

  mit der Maßgabe, dass der Durchmesser des Einkristalls beim Hochziehen D (mm) ist, die Stärke des horizontalen Magnetfeldes G (Gauss) ist, die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen V (U/min) ist, die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers δ (10¹⁷ Atome/cm³) ist und a, b, c und d Konstanten sind. Die Konstanten a, b, c und d entsprechen den entsprechenden Gewichtungen für die Stärke des horizontalen Magnetfeldes und die Rotationsgeschwindigkeit und den Durchmesser des Silicium-Einkristalls.
• Die Konstanten a, b, c und d werden vorher unter einer gegebenen Herstellungsbedingung für jede Herstellungsvorrichtung (1) für einen Silicium-Einkristall erhalten. Dann werden ein Grenzwert (der ein zulässiger Wert sein kann) der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, ein Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und ein Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen in die obige Gleichung 1 eingesetzt und der Durchmesser D (=(δ-bG-cV-d)/a) des Silicium-Einkristalls, der durch die obige Berechnung erhalten wird, wird als der Durchmesser des hochzuziehenden Silicium-Einkristalls (C) festgelegt.
• Hier bezeichnet der Grenzwert (zulässiger Wert) der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers einen Maximalwert des Verteilungswerts (Abfallwert) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil, der für den Wafer als Produkt zulässig ist, und Beispiele davon schließen ein Produktlieferungskriterium ein, das im Hinblick auf Bauteile oder dergleichen festgelegt ist. Der Grenzwert für Oi[In10]-Oi[In5] kann beispielsweise 0,5×10¹⁷ Atome/cm³ sein. Der Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes bezieht sich auf einen unteren Grenzwert unter Berücksichtigung der Kontrollierbarkeit der Hochziehgeschwindigkeit und der Erhöhung der Sauerstoffkonzentration, wie oben beschrieben, und wird für jede Herstellungsbedingung jeder Herstellungsvorrichtung (1) für einen Silicium-Einkristall auf Basis empirischer Werte und/oder Simulation bestimmt. Beispielsweise kann er 2.000 G, 3.000 G oder 4.000 G sein. Der Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen bezieht sich auf einen oberen Grenzwert unter Berücksichtigung der Verdrehung und/oder der Erhöhung der Sauerstoffkonzentration und wird für jede Herstellungsbedingung für jede Herstellungsvorrichtung (1) auf Basis empirischer Werte und/oder Simulation bestimmt. Beispielsweise kann er 8 U/min, 9 U/min, 10 U/min, 12 U/min oder 15 U/min sein.
• Beispiele der Konstanten a, b, c und d in Gleichung 1 wurden durch Regressionsanalyse der tatsächlichen in 2 bis 5 illustrierten Beispiele wie folgt erhalten.
  [Ausdruck 2] $$\mathrm{\delta }=\mathrm{0,0166}\text{D}+\mathrm{0,0005}\text{G}-\mathrm{0,4836}\text{V}+\mathrm{8,1984}$$

  
• In der Gleichung 2 von oben ergibt, mit der Maßgabe, dass der Grenzwert (zulässige Wert) der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers 0,1×10¹⁷ Atome/cm³ ist, der Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes 2.500 G ist und der Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen 8 U/min ist, das Einsetzen dieser Werte in die obige Gleichung 2 einen Durchmesser (D) des Silicium-Einkristalls von 330 mm. Wenn der Silicium-Einkristall mit diesem Durchmesser (D) als vorgegebenem Wert hergestellt wird, kann ein Ingot erhalten werden, der die Verteilungscharakteristik(δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers von 0,5×10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger erfüllt. In dem erhaltenen Ingot ist die Kontrollierbarkeit der Hochziehgeschwindigkeit gut, die Zunahme der Sauerstoffkonzentration und die Verdrehung sind unterdrückt und die Menge des äußeren Umfangsteils, der verworfen werden muss, ist minimal, wenn der Ingot in Wafer mit einem festgesetzten Durchmesser weiterverarbeitet wird.
• In dem oben beschriebenen Beispiel werden der Grenzwert der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, der Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und der Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen in Gleichung 2 eingesetzt und dadurch der Durchmesser (D) des Silicium-Einkristalls erhalten. In einem alternativen Beispiel können der Grenzwert der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, der Grenzwert des Durchmessers des Silicium-Einkristalls und der Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen in Gleichung 2 eingesetzt und dadurch die Stärke des horizontalen Magnetfeldes erhalten werden, und die erhaltene Stärke des horizontalen Magnetfeldes kann eingestellt werden und so ein Silicium-Einkristall hergestellt werden. In einem alternativen Beispiel können der Grenzwert der Verteilungscharakteristik (δ) der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, der Grenzwert des Durchmessers des Silicium-Einkristalls und der Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes in Gleichung 2 eingesetzt und dadurch die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls beim Hochziehen erhalten werden, und die erhaltene Kristallrotationsgeschwindigkeit kann eingestellt werden und so ein Silicium-Einkristall hergestellt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Herstellungsvorrichtung für Silicium-Einkristall

11

erste Kammer

12

zweite Kammer

13

Gaseinlassöffnung

14

Gasauslassöffnung

21

Quarztiegel

22

Graphittiegel

23

Tragewelle

24

Antriebsmechanismus

25

Heizung

26

Tonne für die thermische Isolierung

27

Bauteil für die thermische Abschirmung

28

Halterung

31

Draht

32

Hochziehmechanismus

41

Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes

M

Siliciumschmelze

C

Silicium-Einkristall

S

Keimkristall

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 9188590 A [0002, 0003]

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls, das folgendes umfasst: man erhält vorher für eine gegebene Herstellungsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, wenn er mit einem CZ-Verfahren hochgezogen wird, einer Stärke eines an eine Schmelze angelegten horizontalen Magnetfeldes, einer Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers; man erhält einen Minimaldurchmesser des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, aus einem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert der Stärke des an die Schmelze angelegten horizontalen Magnetfeldes, einem Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und den Korrelationen; und man stellt den Silicium-Einkristall unter der gegebenen Herstellungsbedingung unter Verwendung des erhaltenen Minimaldurchmessers als Zieldurchmesser her.
2. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls, das folgendes umfasst: man erhält vorher für eine gegebene Herstellungsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, wenn er mit einem CZ-Verfahren hochgezogen wird, einer Stärke eines an eine Schmelze angelegten horizontalen Magnetfeldes, einer Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers; man erhält die anzulegende Stärke des horizontalen Magnetfeldes aus einem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, einem Grenzwert der Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und den Korrelationen; und man stellt den Silicium-Einkristall unter der erhaltenen Stärke des horizontalen Magnetfeldes und der gegebenen Herstellungsbedingung her.
3. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls, das folgendes umfasst: man erhält vorher für eine gegebene Herstellungsbedingung Korrelationen zwischen einem Durchmesser eines Einkristalls, wenn er mit einem CZ-Verfahren hochgezogen wird, einer Stärke eines an eine Schmelze angelegten horizontalen Magnetfeldes, einer Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, und einer Verteilungscharakteristik einer Sauerstoffkonzentration in einem äußeren Umfangsteil eines Wafers; man erhält die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, aus einem Grenzwert der Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers, einem Grenzwert des Durchmessers des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, einem Grenzwert der Stärke des horizontalen Magnetfeldes und den Korrelationen; und man stellt den Einkristall unter der erhaltenen Kristallrotationsgeschwindigkeit und der gegebenen Herstellungsbedingung her.
4. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem, vorausgesetzt, der Durchmesser des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, ist D (mm), die Stärke des horizontalen Magnetfeldes ist G (Gauss), die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Einkristalls, wenn er hochgezogen wird, ist V (U/min), die Verteilungscharakteristik der Sauerstoffkonzentration in dem äußeren Umfangsteil des Wafers ist δ (10¹⁷ Atome/cm³) und a, b, c und d sind Konstanten, die Korrelationen durch eine Gleichung δ=aD+bG+cV+d definiert sind und die Konstanten a, b, c und d vorher unter der gegebenen Herstellungsbedingung erhalten werden.

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