DE4309769A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des Sauerstoffeinbaus in einen Einkristall aus Silicium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Sauerstoffeinbaus in einen Einkristall aus Silicium, wobei der Einkristall aus einer Schmelze gezogen wird, die sich in einem mit Quarz ausgekleideten Tiegel befindet. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Art der Zucht von Einkristallen ist unter dem Begriff Czochralski-Verfahren bekannt geworden. Der Gehalt an Sauer­ stoff in Einkristallen aus Silicium, die nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt wurden, hat wesentliche Auswirkungen auf die spätere Verwendung des Einkristalls als Grundmaterial zur Herstellung elektronischer Bauelemente. Die Dotierung des Kristallgitters mit Sauerstoff stört im oberfächennahen Bereich der dünnen Scheiben, in die der Ein­ kristall zunächst geteilt wird. In diesem Bereich werden die elektronischen Strukturen integriert und jede nicht gezielt dort eingeführte Verunreinigung kann später die einwandfreie Funktion eines Bauteils beeinträchtigen oder sogar zum Aus­ fall ganzer Schaltungen führen. Es wird deshalb beispiels­ weise durch eine thermische Behandlung der Scheibe dafür gesorgt, daß im Kristall eingebauter Sauerstoff aus dem oberflächennahen Bereich ausdiffundiert, wobei sich eine sauerstoffarme Zone ausbildet, die typischerweise 10 µm tief ins Innere der Scheibe reicht. Im darunter liegenden Schei­ benbereich, der nur als Träger der Bauelemente fungiert, bildet der im Kristall eingebaute Sauerstoff im Verlauf der Scheibenbehandlung Präzipitate, die als Keimzentren auch die die Funktion der Bauelemente besonders störenden metalli­ schen Verunreinigungen aus allen Bereichen der Scheibe an­ ziehen und binden. Für diesen, unter dem Begriff "intrinsic gettering" bekannten Zweck ist der Einbau von Sauerstoff beim Ziehen des Einkristalls durchaus erwünscht. Nachteilig am Czochralski-Verfahren ist, daß der Sauerstoff­ einbau beim Ziehen des Einkristalls nicht mit einer konstan­ ten Rate erfolgt, so daß entlang der Längsachse des in der Regel stabförmigen Einkristalls unterschiedliche Sauerstoff­ konzentrationen gemessen werden. Zu Beginn des Kristall­ wachstums, wenn die Tiegelinnenwand von der Schmelze weit­ gehend bedeckt wird, ist der Einbau von Sauerstoff in den Einkristall am höchsten. Zum Stabende hin nimmt die Konzen­ tration an Sauerstoff im Einkristall ab. Gemäß der Patent­ schrift US-A 4,545,849 kann durch einen torusförmigen Körper aus Siliciumdioxid, der sich während des Ziehens des Kristalls auf dem Boden des Tiegels befindet, der Sauer­ stoffeinbau im Einkristall erhöht und die axiale Verteilung des Sauerstoffs im Einkristall vergleichmäßigt werden. Nachteilig daran ist, daß die aus einem solchen Einkristall hergestellten Scheiben verhältnismäßig lange Temperzeiten für die Erzeugung des sauerstoffarmen, oberflächennahen Bereichs benötigen. Die Hersteller elektronischer Bauelemen­ te verlangen deshalb zunehmend auch Siliciumscheiben mit niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen, zumal nicht nur durch das "intrinsic gettering", sondern auch durch eine als "backside damage" bezeichnete Behandlung der Scheibenrück­ seite das Entfernen von Verunreinigungen aus den ober­ flächennahen Scheibenbereichen, in die die elektronischen Strukturen integriert werden, möglich ist. Mit dem in der US-A 4,545,849 beschriebenen Verfahren sind jedoch nur Ein­ kristalle mit besonders hohen Sauerstoffkonzentrationen ziehbar. Die stabförmigen Einkristalle, die nach dem übli­ chen Czochralski-Verfahren hergestellt werden, weisen insbe­ sondere am Stabanfang so hohe Sauerstoffkonzentrationen auf, daß die daraus hergestellten Scheiben den Anforderungen der Kunden oft nicht mehr genügen.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich die genannten Nachteile vermeiden lassen und das Einkristalle mit gleichmäßiger axialer Sauerstoffkonzen­ tration liefert, wobei der Sauerstoffeinbau gegenüber dem herkömmlichen Czochralski-Verfahren verringert ist. Ferner bestand die Aufgabe darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Verringerung des Sauerstoffeinbaus in einen Einkristall aus Silicium, wobei der Einkristall aus einer Schmelze gezogen wird, die sich in einem mit Quarz ausgekleideten Tiegel befindet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Formkörper zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tiegels während des Ziehens des Einkristalls zumindest zeitweise in die Schmelze eingetaucht wird.

Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 gelöst, die durch einen Formkör­ per gekennzeichnet ist, der zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tiegels während des Ziehens des Einkristalls zumindest zeitweise in die Schmelze eintaucht.

Überraschenderweise gelingt es, den Sauerstoffeinbau in den wachsenden Einkristall zu verringern, wenn die während des Ziehens des Einkristalls in der Schmelze vorherrschenden Konvektionsströme durch das Eintauchen eines Formkörpers in die Schmelze gestört werden. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, daß die Schmelze durch den eintauchenden Formkör­ per homogenisiert wird, die resultierenden Einkristalle weniger Kristalldefekte aufweisen und die Ausbeuten an für elektronische Zwecke verwertbarem Material steigen.

Der Formkörper kann grundsätzlich aus einem beliebigen Mate­ rial bestehen, welches vom schmelzflüssigen Silicium nicht angegriffen wird und keine Verunreinigungen in die Schmelze abgibt. Vorzugsweise besteht der Formkörper aus Quarz oder hat zumindest eine Oberflächenbeschichtung aus Quarz. Obwohl bei einem Formkörper aus Quarz zu erwarten ist, daß sich der Quarz beim Kontakt mit der Schmelze langsam auflöst, bleibt die den Einbau von Sauerstoff im Einkristall verringernde Wirkung des Formkörpers davon unberührt.

Selbstverständlich muß der Formkörper so stabil ausgeführt sein, daß ausgeschlossen ist, daß Teile davon während des Ziehens des Einkristalls wegbrechen und das versetzungsfreie Kristallwachstum stören können. Darüber hinaus gibt es keine besonderen Regeln bezüglich der zu wählenden Geometrie des Formkörpers. Bewährt haben sich rechteckige oder runde flächige Formkörper und quader-, würfel-, zylinder- oder kugelförmige Formkörper.

Wichtig für die den Sauerstoffeinbau in den Einkristall ver­ ringernde Wirkung des Formkörpers ist, daß der Formkörper und die Schmelze eine Relativbewegung ausführen. Da in der Regel der Einkristall und der Tiegel mit der Schmelze wäh­ rend des Ziehens des Einkristalls gedreht werden, genügt es in diesem Fall, den Formkörper ortsfest in die Schmelze zu tauchen. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, den in die Schmelze getauchten Formkörper mit geringer Amplitude hin- und herzubewegen oder ihn in einer konzentrischen Bahn um den Einkristall zu führen.

Der Formkörper wird an einer Stelle zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tiegels, vorzugsweise 15 bis 35 mm von der 3-Phasengrenze von Schmelze, Einkristall und Gasraum entfernt, in die Schmelze eingetaucht. Die Eintauchtiefe beträgt mindestens 5 mm, vorzugsweise 10 bis 20 mm. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Formkörper schon in seine während des Ziehens des Einkristalls vorgesehene Posi­ tion gebracht, bevor das Ziehen des Einkristalls beginnt. Der mit schmelzflüssigem Silicium gefüllte Tiegel wird dann aus einer Lage unterhalb des Formkörpers soweit angehoben, bis der Formkörper in die Schmelze eintaucht und die vorge­ sehene Eintauchtiefe erreicht hat. Erst dann wird das eigentliche Ziehen des Einkristalls eingeleitet, indem ein monokristalliner Impfkristall über eine Ziehvorrichtung zunächst mit der Schmelze in Kontakt gebracht und anschlie­ ßend kontrolliert in vertikaler Richtung zur Schmelze herausgezogen wird. In einer anderen Ausführungsform befin­ det sich der Formkörper zunächst oberhalb der Schmelzenober­ fläche und wird dann soweit abgesenkt, bis er auf die vorge­ sehene Weise in die Schmelze eintaucht. Dies kann vor oder nachdem der Impfkristall mit der Schmelze in Kontakt gebracht worden ist, geschehen.

Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform der Formkörper während des Ziehens des Einkristalls ununterbrochen in die Schmelze eingetaucht wird und dementsprechend dafür gesorgt wird, daß bei fallendem Schmelzenniveau die Eintauchtiefe des Formkörpers konstant bleibt, ist dies nicht zwingend vorgeschrieben. Der Formkörper kann auch nur zeitweise, beispielsweise nur während der Anfangsphase des Ziehvor­ gangs während der die Einbaurate von Sauerstoff in den Ein­ kristall besonders hoch ist, in die Schmelze getaucht wer­ den. Auf diese Weise lassen sich Einkristalle herstellen, deren axiale Sauerstoffkonzentration besonders gleichmäßig ist.

Die bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens beinhaltet neben den typischen Merk­ malen einer Anlage zum Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren, wie einem beheizbaren, mit einer Innenwand aus Quarz versehenen Tiegel zum Aufnehmen der Schmelze, einer das Herausziehen des mit der Schmelzenober­ fläche in Kontakt gebrachten Impfkristalls ermöglichenden Ziehvorrichtung und einer Vorrichtung zum Heben, Senken und Drehen des Tiegels, auch den zumindest zeitweise während des Ziehens des Einkristalls in die Schmelze eintauchenden Form­ körper und eine Vorrichtung mit der dieser in die vorbe­ stimmte Position zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tiegels gebracht und gehalten werden kann. Der Formkör­ per ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als rechteckiges, blattförmiges Flächengebilde aus Quarz gestal­ tet, das ortsfest in die Schmelze getaucht wird, und zwar vorzugsweise so, daß der Formkörper der durch die Tiegel­ drehung bewirkten Bewegung der Schmelze einen möglichst hohen Strömungswiderstand entgegensetzt.

Die Vorrichtung, mit der der Formkörper in die vorbestimmte Position zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tie­ gels gebracht und gehalten wird, besteht vorzugsweise aus einer den Formkörper tragenden Lanze aus Graphit oder einem anderen, den Einkristall nicht verunreinigenden Material. Das freie Ende der Lanze wird an einer geeigneten Stelle der Ziehanlage, beispielsweise an der Rezipientenwand, der Ab­ schirmung der Tiegelheizung oder der häufig in Ziehanlagen anzutreffenden, topfförmigen Tiegelabdeckung, befestigt.

Das folgende Beispiel macht die den Sauerstoffeinbau in den Einkristall verringernde Wirkung des Formkörpers deutlich.

Beispiel

In einer zum Ziehen von Silicium-Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren üblichen Anlage, die zusätzlich wie vorstehend beschrieben mit einem rechteckigen Flächengebilde als Formkörper ausgestattet war, wurde ein stabförmiger Ein­ kristall mit einer Länge von 710 mm und einem Durchmesser von 205 mm gezogen. Während des Ziehens des Einkristalls tauchte der Formkörper wie vorstehend beschrieben ortsfest 12 mm tief in die Schmelze ein. In einem zweiten Versuch wurde unter sonst identischen Bedingungen aber ohne den Formkörper ein Vergleichskristall gezogen. Anschließend wur­ de der Einbau von Sauerstoff in die Einkristalle in Abhän­ gigkeit der axialen Position im Kristallstab gemessen. Zu diesem Zweck wurden die Einkristalle in dünne Scheiben zer­ teilt, die Position einer Scheibe im Stab dokumentiert und die Sauerstoffkonzentration im Scheibenzentrum durch Infra­ rot-Absorptionsmessungen bestimmt.

Das Ergebnis der Messungen ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Claims (7)

1. Verfahren zur Verringerung des Sauerstoffeinbaus in einen Einkristall aus Silicium, wobei der Einkristall aus einer Schmelze gezogen wird, die sich in einem mit Quarz ausgekleideten Tiegel befindet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Formkörper zwischen dem Einkristall und der Innen­ wand des Tiegels während des Ziehens des Einkristalls zumindest zeitweise in die Schmelze eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ortsfest in die Schmelze eingetaucht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eintauchtiefe 10-20 mm beträgt.

4. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Silicium aus einer Schmelze, im wesentlichen bestehend aus einem die Schmelze aufnehmenden, mit einer Innenwand aus Quarz versehenen Tiegel, einer das Herausziehen eines mit der Schmelzenoberfläche in Kontakt gebrachten, monokristal­ linen Impfkristalls ermöglichenden Ziehvorrichtung, einer Vorrichtung zum Heben, Senken und Drehen des Tie­ gels sowie Mitteln zum Beheizen des Tiegels, gekenn­ zeichnet durch einen Formkörper, der zwischen dem Einkristall und der Innenwand des Tiegels während des Ziehens des Ein­ kristalls zumindest zeitweise in die Schmelze ein­ taucht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Quarz gefertigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen rechteckigen oder runden, flächigen Formkörper.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen quader-, würfel-, zylinder- oder kugelförmigen Form­ körper.