DE112005000397T5

DE112005000397T5 - Verfahren zum Herstellen von Einkristall-Halbleitern

Info

Publication number: DE112005000397T5
Application number: DE112005000397T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hiratsuka Inagaki; Masanori Hiratsuka Honma; Shigeki Hiratsuka Kawashima; Masahiro Hiratsuka Shibata
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2007-02-08
Also published as: US20070193500A1; WO2005080647A1; TW200528592A; TWI310058B; US7767020B2; JP4758338B2; JPWO2005080647A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem ein Impfkristall zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters mit einer in diesen eingefügten Verunreinigung in eine Schmelze in einem Tiegel eingetaucht und aufgezogen wird, wobei bei dem Aufziehen des Einkristall-Halbleiters Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit kontrolliert werden, um eine Veränderung der Konzentration der Verunreinigung in dem Einkristall-Halbleiter zu reduzieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, zwar eines Einkristall-Siliziums, unter Verwendung des CZ-Verfahrens (Czochralski-Verfahrens) und ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters derart, dass Halbleiter-Wafer mit einer hohen Ebenheit gewonnen werden können.
STAND DER TECHNIK
Als eines der Herstellungsverfahren für Einkristall-Silizium ist das CZ-Verfahren verfügbar.
Das Einkristall-Silizium (Ingot), das mittels des CZ-Verfahrens gezüchtet und aufgezogen ist, wird geschlitzt, poliert und geätzt, um als Silizium-Wafer zum Herstellen von Halbleiter-Einrichtungen geschaffen zu werden.
Insbesondere wird eine Verunreinigung, etwa Boron B oder dergleichen, zu der Schmelze zugefügt, um eine geeignete Widerstandsfähigkeit für den Silizium-Wafer zu schaffen, bevor das Einkristall-Silizium aus der Schmelze aufgezogen wird.
Bei dem Verfahren des Aufziehens des Einkristall-Siliziums zu dessen Züchten ist die Verunreinigung nicht gleichförmig eingeschlossen. Wenn ein Silizium-Wafer aus dem Einkristall-Silizium (Ingot) gewonnen wird, der zum Züchten aufgezogen worden ist, in Längsrichtung geschnitten wird (senkrecht in Bezug auf die Waferfläche) werden Schichtungen der Variation der Konzentration der Verunreinigung beobachtet. Über die Waferfläche ist die Variation der Verunreinigungskonzentration als ringförmige Ausbildung erkennbar.
In den letzten Jahren sind für manche Arten von Halbleitern insbesondere hohe Anforderungen an die Ebenheit des Silizium-Wafers gestellt.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist dem Stand der Technik das nachfolgend genannte Dokument 1 verfügbar.
Das Patentdokument 1 offenbart eine Erfindung, in der die Variation der Sauerstoffkonzentration, die über der Silizium-Waferfläche auftritt, reduziert ist durch die Berücksichtigung des Sauerstoffs, der von dem Quarztiegel in den Einkristall-Silizium über die Schmelze eingebracht wird. Das Verfahren, das in der Patentliteratur verwendet wird, ist die Reduktion der Variation der Sauerstoffkonzentration über die Silizium-Waferfläche durch Setzen des Ver hältnisses h/d zwischen der Überlappungshöhe h des Schlitzes des Heizgerätes und dem Innendurchmesser d des Heizers auf 0,70 oder darunter.

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift 11-116390

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Der Erfinder dieser Anmeldung hat erkannt, dass eine Variation der Konzentration der Verunreinigung über der Silizium-Waferfläche als eine Variation bezüglich der Härte, die einen Einfluss auf die Ebenheit des Wafers haben kann, entsteht. Insbesondere dann, wenn eine Verunreinigung bei einer hohen Konzentration hinzugefügt wird, wird eine Variation in der Härte beobachtet.
Wenn, mit anderen Worten, eine Verunreinigung hinzugefügt wird, wird der Kristallhärtungseffekt verursacht. Die Variation der Konzentration der Verunreinigung über die Silizium-Waferfläche zeigt sich in einer Variation in der Härte und wenn der Silizium-Wafer in einem Poliervorgang poliert wird, werden kleine Unregelmäßigkeiten aufgrund der Differenz in der Härte zwischen Abschnitten der Waferfläche erzeugt. Entsprechend wird, wenn der Silizium-Wafer in einem Ätzprozess geätzt wird, die Variation der Konzentration kleine Unregelmäßigkeiten erzeugen. Die kleinen Unregelmäßigkeiten, die so gebildet werden, können die Ebenheit behindern.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung einer solchen Situation gemacht, es ist der Zweck, ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters zu schaffen, der in dem Vorgang des Aufziehens des Einkristall-Halbleiters aus der Schmelze zu dessen Züchten die Verunreinigung gleichmäßiger in dem Einkristall-Halbleiter einschließt, was die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Halbleiter-Waferfläche vermindert und damit die Ebenheit des Wafers verbessert.
Die Erfindung, wie sie in dem oben genannten Patentdokument 1 erwähnt ist, ist darauf gerichtet, Sauerstoff, der von dem Quarztiegel in den Einkristall-Halbleiter über die Schmelze eingebracht wird, gerichtet, unter Reduktion der Variation der Sauerstoffkonzentration über die Waferfläche und unterscheidet sich damit von der vorliegenden Erfindung, die sich auf die Verunreinigung (etwa Boron oder dergleichen), die von der Schmelze in den Einkristall-Halbleiter eingebracht wird, richtet, wobei die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Waferfläche reduziert wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine erste Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem ein Impfkristall zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters mit einer in diesen eingefügten Verunreinigung in eine Schmelze in einem Tiegel eingetaucht und aufgezogen wird, wobei bei dem Aufziehen des Einkristall-Halbleiters Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit gesteuert werden, um eine Veränderung der Konzentration der Verunreinigung in dem Einkristall-Halbleiter zu reduzieren.
Eine zweite Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem ein Impfkristall zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters mit einer in diesen eingefügten Verunreinigung in eine Schmelze in einem Tiegel eingetaucht und aufgezogen wird, wobei bei Aufziehen des Einkristall-Halbleiters die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite in 10 Sekunden auf weniger als 0,025 mm/min justiert wird.
Eine dritte Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach Anspruch 1, wobei bei dem Kontrollieren der Aufziehgeschwindigkeit ein Durchmesser des Einkristall-Halbleiters auf den Soll-Durchmesser justiert wird, ein magnetisches Feld von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze aufgebracht wird.
Eine vierte Erfindung schaffte ein Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach Anspruch 2, wobei bei dem Steuern der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass ein Durchmesser des Einkristall-Halbleiters auf den Soll-Durchmesser justiert wird, ein magnetisches Feld von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze aufgebracht wird.
Eine fünfte Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die in den Einkristall-Halbleiter hinzugefügte Verunreinigung Boron B oder Gallium Ga ist und die Verunreinigungskonzentration 8.0e17 Atome/cm² oder mehr beträgt.
Eine sechste Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die dem Einkristall-Halbleiter hinzugefügte Verunreinigung Phosphor P, Antimon Sb oder Arsen As ist und die Verunreinigungskonzentration 5,0e17 Atome/cm² oder mehr beträgt.
Der Erfinder hat angenommen, dass die Intervalle zwischen den Schichtungen, die entstehen, wenn ein Einkristall-Silizium Ingot senkrecht in Bezug auf die Waferfläche geschnitten wird, nicht gleichmäßig sind und über die Waferfläche die Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration als ringförmige Ausbildung aus den folgenden Gründen auftritt:

1) Ein nicht gleichförmiger Fluss wird in der Konvektion der Schmelze 5 gebildet, wenn das Einkristall-Silizium 6 aufgezogen wird und es entsteht eine Änderung in der Konzentration der Verunreinigung, die von der Schmelze 5 in das Einkristall-Silizium 6 eingetragen wird.
2) Das Einkristall-Silizium 6 wächst, während es gedreht wird, und es wird so eine Temperaturdifferenz erzeugt, die in dem Auftreten einer Rückschmelze (ein Phänomen, bei dem bereits gefestigtes Kristall wieder rückgeschmolzen wird), wodurch eine Änderung in der Konzentration der Verunreinigung auftritt, die von der Schmelze 5 in das Einkristall-Silizium 6 eingetragen wird.
3) Die Neigung der Wachstumsschnittstelle (Fest-Flüssig-Schnittstelle), die die Verbindung zwischen dem Einkristall-Silizium 6 und der Schmelze 5 ist, ist steil und es werden daher entlang des Wafer-Längsschnitts eine Anzahl von Schichtungen (wo eine Variation in der Verunreinigungskonzentration vorliegt), die die Wachstumsfläche schneidet, beobachtet. Der Erfinder hat sodann berücksichtigt, dass das folgende Konzept wichtig ist, um die Intervalle zwischen Schichtungen, die auftreten, wenn Einkristall-Silizium-Ingot senkrecht in Bezug auf die Waferfläche geschnitten wird (und die Schichtungen dicht oder dünn sind) gleichförmig zu machen und die Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration über die Waferfläche, die als ringförmige Figuren auftreten, zu reduzieren (eliminieren).
4) Um das Auftreten einer Rückschmelze zu vermeiden, sollten die Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit kontrolliert werden.

Und, unter den oben erwähnten Annahmen, wurden Experimente ausgeführt, um die in 3 gezeigten Ergebnisse zu erreichen, die beweisen, dass die oben gemachten Annahmen zutreffend sind.
Nach der Erfindung wird, mit anderen Worten, durch Steuern der Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit in dem Verfahren des Aufziehens der Einkristall-Halbleiters 6 die Variation bezüglich der Konzentration der Verunreinigung in dem Einkristall-Halbleiter 6 reduziert werden kann.
Nach der zweiten Erfindung konnte durch Einstellen der Fluktuationsbreite ΔV der Aufziehgeschwindigkeit alle 10 Sekunden auf weniger als 0,025 mm/min in dem Vorgang des Auf ziehens des Einkristall-Halbleiters 6 die Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration in dem Einkristall-Halbleiter 6 reduziert werden (s. 3).
Bei der Steuerung zum Justieren der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass der Durchmesser eines Einkristall-Halbleiters 6 den gewünschten Durchmesser erreicht, wird ein Magnetfeld mit einer Stärke von 1.500 Gauss oder über die Schmelze 5 wirksam zur Steuerung der Schwankungen bei der Aufziehgeschwindigkeit (die dritte und die vierte Erfindung). Durch das Anlegen eines Magnetfelds in einer Stärke von 1.500 Gauss oder mehr wird, mit anderen Worten, die Konvektion der Schmelze 5 gesteuert, wodurch die Temperaturschwankung der Schmelze 5 insbesondere die Temperaturschwankung an der Wachstumsschnittstelle (der Fest-Flüssig-Schnittfläche) gesteuert wird, was zu einem Betrag an einer Erhöhung oder Erniedrig der Aufziehgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt der Steuerung reduziert wird, was es erlaubt, die Schwankungen in der Aufziehgeschwindigkeit zu kontrollieren.
Nach der vorliegenden Erfindung werden die Schwankungen in der Verunreinigungskonzentration vermindert und damit die Variation der Härte über die Halbleiter-Waferfläche. Wenn das Polieren oder Ätzen vorgesehen wird, wird die Erzeugung von kleinen Unregelmäßigkeiten aufgrund der Variation der Konzentration eliminiert (oder reduziert), wodurch die Ebenheit nach der Bearbeitung weiter verbessert wird.
Der Grund, aus dem die Variation der Verunreinigungskonzentration einen Einfluss auf die Ebenheit haben kann, wird daran gesehen, dass die Verunreinigung in einer derart hohen Konzentration zugefügt wird, dass sich ein das Kristall härtender Effekt ergibt.
Wenn die Verunreinigung Boron B oder Gallium Ga ist, wird eine Konzentration von mehr als 8.0e17 Atomen/cm², insbesondere die Effekte nach der vorliegenden Erfindung erhöhen (die fünfte Erfindung).
Wenn die Verunreinigung Phosphor P, Antimonium Sb oder Arsen As ist, die in einer Konzentration von über 5,0e17 Atomen/sm² hinzugefügt wird, werden die Effekte nach der vorliegenden Erfindung verstärkt (die sechste Erfindung).
Nach der vorliegenden Erfindung wird durch Steuern der Schwankung der Aufziehgeschwindigkeit unabhängig von der Größe der Verunreinigungskonzentration der Effekt, dass die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche reduziert werden kann, gewonnen, so dass die vorliegende Erfindung implementiert werden kann, ohne auf die hohen Konzentrationen beschränkt zu sein, wie sie durch die fünfte und die sechste Erfindung gegeben sind.
Weiter ist die vorliegende Erfindung anwendbar bei dem Aufziehen eines Einkristall-Halbleiters aus einem anderen Material als Silizium, etwa Gallium Arsen oder dergleichen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung die eine Einkristall-Aufziehvorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel;
2 ist ein Flussdiagramm, das die Inhalte der Steuerung dieses Ausführungsbeispiels verdeutlicht;
3 ist eine Tabelle, die die Ergebnisse von Versuchen darstellt, bei der die Schwankungsbreite der Aufziehgeschwindigkeit bei dem Aufziehen des Einkristall-Silizium geändert wurde, um die Bewertung der Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche zu bewerten;
4 ist eine Darstellung, die das Geschwindigkeitsschwankungsprofil wiedergibt, wobei auf der horizontalen Achse die Zeit (s) wiedergegeben ist und auf der vertikalen Achse auf die Aufzugsgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV (mm/min) in jeweils 10 Sekunden wiedergegeben ist und eine Zeichnung, die ein Geschwindigkeitsschwankungsprofil wiedergibt, wenn der Maximalwert der Schwankung der Aufziehgeschwindigkeitsbreite ΔV auf 0,033 mm/min eingestellt wurde;
5 ist einer Darstellung, die ein Geschwindigkeitsschwankungsprofil wiedergibt, wobei die horizontale Achse die Zeit (s) wiedergibt und die vertikale Achse die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV (mm/min) in jeweils 10 Sekunden wiedergibt, und ist eine Zeichnung, die ein Geschwindigkeitsschwankungsprofil wiedergibt, wenn der Maximalwert der Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV auf 0,011 mm/min gesetzt wurde; und
6A und 6B sind Photos der Schwankungen in dem Längsabschnitt des Wafers, wenn die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreiten 0,033 mm/min, bzw. 0,011 mm/min betrugen.
BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Im folgenden wird eine Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine schematische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels, die dessen Ausbildung wiedergibt.
Wie in 1 gezeigt, weist eine Einkristall-Aufzieheinrichtung 1 nach dem Ausführungsbeispiel einen CZ-Ofen (Kammer) 2 als ein Einkristallaufziehkessel auf. Die Einkristall-Aufzieheinrichtung 1 in 1 ist ein Apparat, der beispielsweise geeignet ist zum Herstellen eines Einkristall-Silizium-Ingots 6 mit einem Durchmesser von 200 bis 300 mm.
In dem CZ Ofen 2 ist ein Quarztiegel 3 zum Schmelzen eines Rohmaterials aus polykristallinem Silizium, der dieses als eine Schmelze 5 aufnimmt, vorgesehen. Zum Aufziehen eines Einkristall-Siliziums mit einem Durchmesser von 300 mm wird ein polykristallines Siliziummaterial mit einem Gewicht von 300 kg oder ähnlich in den Quarztiegel 3 eingeführt. Das Äußere des Quarztiegels 3 wird mit einem Graphittiegel 11 bedeckt. An der Außenseite des Quarztiegels 3 ist ein zylindrisches Heizgerät 9 zum Erhitzen des polykristallinem Siliziumrohmaterials in dem Quarztiegel 3 vorgesehen, um dieses zu schmelzen. Die Ausgangsleistung des Heizgeräts 9 (Leistung in kW) wird zur Einstellung der der Schmelze 5 zugeführten Hitze kontrolliert. Die Temperatur der Schmelze 5 wird, beispielsweise unter Verwendung der erkannten Temperaturen als Rückführgröße, erkannt, die Ausgangsleistung des Heizgeräts wird derart gesteuert, dass die Temperatur der Schmelze 5 bei der Soll-Temperatur liegt.
Bei dem Ausführungsbeispiel erwärmt das Heizgerät 9 die Schmelze 5 von außen. Das Heizmittel ist jedoch nicht auf dieses Heizgerät begrenzt, jede Art von Heizgerät kann verwendet werden. Beispielsweise können die Heizverfahren des Elektromagnetismus oder der Laserstrahlung verwendet werden.
Zwischen dem Heizgerät 5 und der Innenwand des CZ Ofens 2 ist ein Heizisoliermantel 13 vorgesehen.
Ein Aufziehmechanismus 40 ist oberhalb des Quarztiegels 3 angeordnet. Der Aufziehmechanismus 40 weist eine Aufziehachse 41 und ein Impffutter 42 an der Spitze der Aufziehachse 41 auf. Das Impffutter 42 hält einen Impfkristall 14. Die Aufziehachse 41 ist hier ein Draht und der Draht 41 als die Aufziehachse ist auf einer Aufziehtrommel 43 aufgewickelt. Die Aufziehtrommel 43 wir von einem Motor 44 gedreht. Der Motor 44 ist mit einer Lastzelle 45 zum Ermitteln der Last, die auf den Motor 44 aufgebracht wird, versehen, um das Gewicht (Kristallgewicht) des Einkristall-Silizium 6, das aufzuziehen ist, festzustellen. Die Steuertafel 50 empfängt den Wert, der von der Lastzelle als Rückkopplungswert erkannt worden ist und gibt einen Antriebsbefehl auf den Motor 44 aus, wodurch eine Rückkopplungsregelung mit den später unter Bezug auf die 2 beschriebenen Inhalten.
In 1 wird die Aufziehachse durch einen Draht gebildet, es kann jedoch auch eine Welle verwendet werden.
In dem Quarztiegel 3 wird ein polykristallines Siliziummaterial (Si) zum Schmelzen gebracht. Nachdem die Temperatur der Schmelze 5 stabilisiert ist, wird der Aufziehmechanismus 40 betrieben, um das Einkristall-Silizium 6 (das Einkristall-Silizium-Ingot) aus der Schmelze 5 aufzuziehen. Die Aufziehachse 41 wird, mit anderen Worten, abgesenkt und der zweite Impfkristall 14, der von dem Impffutter 42 an der Spitze der Aufziehstange 41 aufgezogen wird, wird in die Schmelze 5 eingetaucht. Nach vollständigem Eintauchen des Impfkristalls 14 in die Schmelze 5 wird die Aufziehachse 41 angehoben. Wenn der Impfkristall 14, der von dem Impffutter 42 gehalten wird, aufgezogen wird, wird ein Einkristall-Silizium gezüchtet. Bei dem Aufziehen wird der Quarztiegel 3 durch eine Rotationsachse 10 mit einer Geschwindigkeit ω1 (beispielsweise 0,1 bis 0,2 U/min) gedreht. Die Aufziehachse 41 in dem Mechanismus 40 wird in dieselbe Richtung wie die Drehachse 10 mit der Geschwindigkeit ω2 gedreht.
Weiter kann die Drehachse 40 in der vertikalen Richtung zum einen vertikalen Bewegen des Quarztiegels 3 in eine gewünschte Position angetrieben werden.
Durch Isolation der Innenseite des CZ-Ofens 2 gegenüber der Umgebungsluft wird das Innere des CZ-Ofens 2 auf Vakuum gehalten, beispielsweise auf 20 Torr oder dergleichen). Ein Argon Gas 7 als Inert-Gas wird mit anderen Worten dem CZ-Ofen 2 zugeführt und wird aus dem Auslassport des CZ-Ofens 2 abgeführt, wobei das Innere des Ofens 2 auf einem vorgegebenen Unterdruck gehalten wird. Während des Vorgangs des Aufziehens des Einkristalls (in einem Batch) entstehen verschiedene Verdampfungen in dem Inneren des CZ-Ofens 2. Argon-Gas 7 wird in den CZ-Ofen 2 eingeführt, das gemeinsam mit den Verdampfungen nach außerhalb des CZ-Ofens 2 abgeführt wird, um den CZ-Ofen 2 von den Verdampfungen zu reinigen und diesen sauber zu machen. Die Flussrate zum Zuführen des Argon-Gases 7 wird für jeden Schritt in einem Batch gesetzt.
Wenn das Einkristall-Silizium 6 aufgezogen wird, wird die Menge an Schmelze 5 reduziert. Mit der Reduktion der Menge der Schmelze 5 wird der Kontaktbereich zwischen der Schmelze 5 und dem Quarztiegel 3 geändert, was zu einer Änderung der Menge des Sauerstoffs, der von dem Quarztiegel 5 gelöst ist, geändert wird. Diese Änderung hat einen Effekt auf die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall-Silizium 6, das aufgezogen wird. Um dies zu vermeiden, kann das polykristalline Siliziumrohmaterial oder das Einkristall-Siliziumrohmaterial zusätzlich in das Innere des Quarztiegels 3 zugeführt werden, während oder nachdem das Aufziehen die Menge der Schmelze vermindert hat.
Um das Einkristall-Silizium 6 oberhalb des Quarztiegels 3 ist eine Schildplatte 8 (Gasrichtzylinder/Strahlungsschild), das die Form eines invertierten Kegelstumpfs hat vorgesehen. die Hitzeschildplatte 8 wird von dem Wärmeisolationsmantel 13 getragen. Die Wärmeschildplatte 8 führt das Argongas 7 als das Trägergas, das von oben in das Innere des CZ Ofens 2 geführt wird, in die Mitte der Schmelzfläche 5a und veranlasst dieses weiter über die Schmelzfläche 5a in Richtung auf den Umfang der Schmelzfläche 5a zu strömen. Sodann wird das Argongas 7 aus dem Auslass, der an dem Boden des CZ Ofens 2 vorgesehen ist, abgeführt gemeinsam mit den Gasen, die aus der Schmelze 5 ausdampfen. Die Flussrate des Gases auf der flüssigen Oberfläche kann daher stabilisiert werden, was es erlaubt, die Menge an Sauerstoff, die aus der Schmelze verdampft, zu stabilisieren.
Zusätzlich isoliert die Wärmeschildplatte 8 als Strahlungsschild thermisch und schirmt den Impfkristall 14 und das Einkristall-Silizium 6, das von dem Impfkristall 14 gezüchtet worden ist, von der Strahlungswärme ab, die in dem Hochtemperaturbereich erzeugt worden ist, etwa dem Quarztiegel 3, der Schmelze 5, der Heizeinrichtung 9 und dergleichen. Zusätzlich verhindert die Wärmeschildplatte 8 eine Verunreinigung (beispielsweise Siliziumoxid) oder dergleichen, die im Inneren des Ofens auftritt, dass sich dieser an dem Einkristall-Silizium ab setzt und bewirkt so, dass das Wachstums des Impfkristalls nicht verhindert wird. Die Größe des Spalts G zwischen dem unteren Ende der Wärmeabschirmplatte 8 und der Schmelzoberfläche 5a kann durch vertikales Bewegen der Rotationsachse 10 zum Ändern der Vertikalposition des Quarztiegels 3 eingestellt werden. Zusätzlich kann die Wärmeabschirmplatte 8 einer Hubeinrichtung zum Einstellen des Spalts G vertikal bewegt werden mittels.
Außerhalb und um den CZ-Ofen 3 herum ist ein Magnet 20 zum Aufbringen eines magnetischen Felds (eines horizontalen magnetischen Felds) auf die Schmelze 5 im Inneren des Quarztiegels 3 vorgesehen.
2 ist ein Flussdiagramm, das die Rückkopplungskontrolle, die durch die Verwendung einer Steuertafel 50 ausgeführt wird, wiedergibt.
Wie in 2 gezeigt, führt die Steuertafel 50 eine Steuerung nach dem Durchmesser-Steuerverfahren vom Gewichtstyp durch.
Insbesondere wird zunächst die Last, die jeweils auf den Motor 44 aufgebracht wird, d. h. das jeweilige Kristallgewicht, mittels der Lastzelle 45 gemessen, die Messung wird von der Steuertafel 50 berücksichtigt (Schritt 101).
Sodann wird das gegenwärtige Kristallgewicht (der Wert, der von der Lastzelle 45 erfasst wird), der von der Steuertafel 50 aufgenommen worden ist, in den gegenwärtigen Durchmesser (Kristalldurchmesser) des Einkristall-Silizium-Ingots 6 gewandelt (Schritt 102).
In der Steuertafel 50 ist der gewünschte Wert des Durchmessers für das Einkristall-Silizium-Ingot 6 (ein vorgegebener Wert für die Abschnitte des gestreckten Körpers) eingestellt und die Abweichung zwischen dem gewünschten Wert und dem jeweiligen Kristalldurchmesser wird berechnet (Schritt 103).
Nachfolgend wird der Befehlswert, um die berechnete Abweichung auf Null zu bringen, d. h. den Betrag zum Erhöhen oder Absenken der Drehgeschwindigkeit, die erforderlich ist für die jeweilige Aufziehgeschwindigkeit berechnet und der elektrische Stromwert, der diesen berechneten Betrag des Erhöhens oder Verringerns der Aufziehgeschwindigkeit wird an den Motor 44 ausgegeben (Schritt 104).
Der Motor 44 wird entsprechend dem aufgebrachten elektrischen Strom angetrieben, wodurch die Geschwindigkeit für die Aufziehachse 41, d. h. die Aufziehgeschwindigkeit für das Einkristall-Silizium 6 erhöht oder abgesenkt (Schritt 105).
Die Steuerung wird – wie oben beschrieben – ausgeführt. Der Kristalldurchmesser des Einkristall-Silizium-Ingots 6 wird auf dem gewünschten Wert gehalten und ist konstant bei jedem Teil des gestreckten Körperabschnitts. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerverfahren unter Verwendung der Gewichtstypdurchmessersteuerung beschrieben worden. Ein Steuerverfahren unter Verwendung eines optischen Verfahrens kann angewendet werden, d. h. der Durchmesser des Einkristall-Silizium 6, der aufgezogen worden ist, kann optisch gemessen werden und basierend auf den optisch gemessenen Daten derart gesteuert werden, dass der Durchmesser einen Soll-Durchmesser erreicht.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat angenommen, dass die Intervalle zwischen den Schichtungen, die auftreten, wenn ein Einkristall-Ingot senkrecht in Bezug auf die Waferfläche geschnitten wird, nicht gleichmäßig sind und über die Waferfläche, die Variationen bezüglich der Verunreinigungskonzentration als ringförmige Figuren erscheinen, verursacht wird, weil:

1) ein nicht gleichmäßiger Fluss in der Konvektion der Schmelze 5 gebildet wird, wenn das Einkristall-Silizium aufgezogen wird und eine Änderung in der Konzentration der Verunreinigung auftritt, die von der Schmelze 5 in das Einkristall-Silizium 6 eingetragen wird;
2) das Einkristall-Silizium 6 wächst, während es rotiert wird, und so eine Temperaturdifferenz erzeugt wird, die zu einer Rückschmelze führt (ein Phänomen, bei dem bereits gefestigter Kristall rückgeschmolzen wird), wodurch eine Änderung in der Konzentration der Verunreinigung auftritt, die von der Schmelze 5 in das Einkristall-Silizium 6 eingeführt wird;
3) die Steigung der Wachstumsschnittstelle (der Fest-Flüssig-Schnittstelle), die die Verbindung zwischen dem Einkristall-Silizium 6 und der Schmelze 5 ist, steil ist und dass eine Anzahl von Schichtungen (wo eine Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration auftritt) gegeben ist, die die Wachstumsschnittstelle schneidet, entlang des Waferlängsschnitts beobachtet werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sodann berücksichtigt, dass das folgende Konzept wichtig ist, um die Intervalle zwischen Schichtungen, die auftreten, wenn ein Einkristall-Silizium-Ingot senkrecht bezüglich der Waferfläche geschnitten wird, gleichförmig zu erhalten (und um die Schichtungen dicht und gleichmäßig zu halten) und zum Reduzieren (Eliminieren) der Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration entlang der Waferfläche, die als ringförmige Figuren erscheinen.
4) Um das Auftreten eines Rückschmelzens zu vermeiden, sollten die Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit gesteuert werden.

Und auf der Grundlage der oben erwähnten Annahme wurden Versuche ausgeführt, um die Ergebnisse, die sich aus 3 ergeben, zu erzielen, die beweisen, dass die oben erwähnte Annahme richtig ist. Bei den Versuchen wurde der Kristalldurchmesser (der Durchmesser des gestreckten Körpers des Einkristall-Silizium-Ingots 6) auf 300 mm eingestellt. Zusätzlich wurde Boron B als Verunreinigung verwendet und die Konzentration wurde so eingestellt, dass das Boron B in den Einkristall-Silizium 6 bei einer Konzentration von 1e18 Atomen/cm² bis 1e19 Atomen/cm².
3 gibt das Bewertungsergebnis, ob die Variation der Verunreinigungskonzentration verursacht wurde oder nicht verursacht wurde bei einer Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV in 10 Sekunden, die in dem Bereich von 0,011 mm/min bis 0,033 mm/min variiert wurde. Für einen Silizium-Wafer, der durch Stützen des Einkristall-Silizium-Ingots 6 gewonnen wurde, wurde die Messung beispielsweise durch das Röntgenstrahlen-Topographie-Verfahren ausgeführt, um die Variation bezüglich der Verunreinigungskonzentration über die Waferfläche zu bewerten (die Schwankungen, die entlang des Waferlängsschnitts auftreten).
In 3 beispielsweise wurde, während ein Silizium-Wafer, der von einem Einkristall-Silizium-Ingot geschnitten worden ist bei einer Aufziehgeschwindigkeitschwankungsbreite ΔV bei 0,020 mm/min als „keine Variation der Verunreinigungskonzentration wurde verursacht" bewertet, ein Silizium-Wafer, der von Einkristall-Silizium-Ingot geschnitten wurde, wenn die Aufziehgeschwindigkeitschwankungsbreite ΔV bei 0,025 mm/min wurde als „eine Variation in der Verunreinigungskonzentration wurde verursacht" bewertet.
Die 4 und 5 zeigen die Ergebnisse von Versuchen, bei dem Prozess des Wachsens eines Einkristall-Silizium-Ingots 6 die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV, für die jeweiligen Bereiche geändert wurde.
In 4 und 5 sind Geschwindigkeitsschwankungsprofile auf der horizontalen Achse, die die Zeit angibt (sec) gezeigt und die vertikale Achse stellt die Aufziehgeschwindigkeitsfluktuationsbreite ΔV (mm/min) in den vergangenen 10 Sekunden dar.
4 zeigt ein Geschwindigkeitsschwankungsprofil bei einer Variation der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass der Maximalwert der Aufziehgeschwindigkeitschwankungsbreite ΔV 0,033 mm/min beträgt.
5 zeigt ein Geschwindigkeitsschwankungsprofil, wobei die Aufziehgeschwindigkeit derart variiert wurde, dass der Maximalwert der Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV 0,011 mm/min beträgt.
6A zeigt das Ergebnis der Messung der Schwankungen in dem Längsschnitt eines Siliziumwafers durch das Röntgenstrahlen-Topographie-Verfahren. Der Silizium-Wafer in diesem Verfahren wird aus einem Silizium-Ingot-Abschnitt geschnitten, der ein Teil der jeweiligen Bereiche des Einkristall-Silizium-Ingots 6 ist, der durch das Experiment gewonnen worden ist, das in dem Beispiel 4 gezeigt ist, und ein Abschnitt ist, der erzeugt wird, wenn die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV 0,033 mm/min beträgt.
Wie aus 6A erkannt worden ist, sind die Intervalle zwischen den Schwankungen in dem Waferlängsschnitt nicht gleichförmig und die Schichtungen waren dick für einen Silizium-Wafer, wenn die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV 0,033 mm/min beträgt, wodurch dieser Silizium-Wafer beurteilt wurde als „eine Variation der Verunreinigungskonzentration wurde verursacht".
Aus 6B ergibt sich für einen Silizium-Wafer, der bei einer Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreit ΔV von 0,011 mm/min hergestellt wurde, dass die Intervalle zwischen den Schwankungen im Längsschnitt des Wafers gleich (gleichmäßig) waren und die Schwankungen dicht und dünn waren, wodurch der Silizium-Wafer als „keine Veränderung der Verunreinigungskonzentration wurde verursacht" bewertet wurde.
Wie oben beschrieben, konnte durch Steuern der Fluktuation der Aufziehgeschwindigkeit während des Vorgangs des Aufziehens des Einkristall-Siliziums 6 die Schwankung der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche reduziert werden.
Insbesondere konnte, wie in 3 gezeigt ist, durch Einstellen der Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV alle 10 Sekunden auf weniger als 0,025 mm/min die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche eliminiert werden (s. 3). Wenn die Fläche des Silizium-Wafers zum Beispiel beobachtet wurde, wie sie in 6B gezeigt ist (gewonnen mit einer Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite ΔV von 0,011 mm/min, was weniger als 0,025 mm/min ist, durch Polieren oder Ätzen bearbeitet wurde, wurde eine Ebenheit gemessen, die extrem hoch war. Wenn der Silizium-Wafer verwendet wurde, um Halbleitereinrichtungen herzustellen, war die Ausbeute, die sich ergab, extrem hoch.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Fall erläutert, in dem Boron B als eine Verunreinigung zugefügt wurde. In dem Fall, dass Gallium Ga, Phosphor P, Antimon Sb oder Arsen As als eine andere Verunreinigung als Boron B verwendet wurde, ergaben sich jedoch dieselben Ergebnisse, wie in dem Fall, in dem Boron B zugegeben wurde.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben weiter den Einfluss eines magnetischen Feldes, das auf die Schmelze 5 aufgegeben wurde, auf die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungen haben kann, untersucht.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben, mit anderen Worten, erkannt, dass es bei dem Durchführen der Steuerung zum Justieren der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass ein Durchmesser des Einkristall-Siliziums 6 einen Soll-Durchmesser erreicht, effektiv ist, ein magnetisches Feld mit einer Stärke von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze 5 aufzubringen, um weiter die Fluktuationen der Aufziehgeschwindigkeit zu steuern.
Der Grund, warum die Stärke auf ein 1.500 Gauss oder mehr eingestellt wurde, war, dass dann, wenn das Magnetfeld zwischen 1.000 bis 1.500 Gauss liegt, eine Möglichkeit besteht, dass ein instabiler Abschnitt, in dem die Temperatur erheblich schwankt, sich in der Schmelze 5 ergibt, was zu Schwankungen des Durchmessers des Kristalls führt und wenn die Magnetfeldstärke 1.000 Gauss oder weniger beträgt, der Konvektionsunterdrückungseffekt zunimmt, was zu einer Verringerung der Steuerbarkeit des Kristalldurchmessers führt. Durch Aufbrin gen eines Magnetfeldes mit einer Stärke von 1.500 Gauss oder mehr wird die Konvektion der Schmelze 5 gesteuert, wodurch die Temperaturschwankungen der Schmelze 5 insbesondere an der Wachstumsschnittstelle (der Fest-Flüssig-Schnittstelle) gesteuert wird.
Infolgedessen konnte die Menge an Zunahme oder Abnahme der Aufziehgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt der Steuerung wie in 2 gezeigt reduziert werden, was es erlaubt, die Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit zu kontrollieren.
Wenn beispielsweise ein polykristallines Siliziumrohmaterial von 300 kg in den Quarztiegel 3 eingeführt wurde, wurde das einkristalline Silizium 6 von 300 mm im Durchmesser aufgezogen. Es war effektiv, ein Magnetfeld von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze 5 aufzubringen, um die Schwankungen in der Aufziehgeschwindigkeit zu steuern. Wenn ein polykristallines Siliziumrohmaterial von 130 kg in den Quarztiegel 3 eingeführt wurde und das einkristalline Silizium 6 von 200 mm im Durchmesser aufgezogen wurde, war es effektiv, ein Magnetfeld von 2.00 Gauss oder mehr auf die Schmelze 5 aufzubringen, um die Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit zu steuern.
Wenn bei dem Ausführen der in 2 gezeigten Steuerung die PID Steuerung die PI Steuerung oder dergleichen auszuführen war, konnten die proportionale Konstante, die differentielle Konstante und die Integrationskonstante eingestellt werden, um das Ansprechen auf Temperaturschwankungen der Schmelze zum Steuern der Fluktuation bei der Aufziehgeschwindigkeit zu verringern.
Es wurde beschrieben, dass nach der vorliegenden Erfindung bei dem Vorgang des Aufziehens des Einkristall-Siliziums 6 die Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit gesteuert wird, um die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche abzusenken. Die Variation bezüglich der Härte über die Silizium-Waferfläche wird reduziert und bei einem Polieren oder Ätzen wird die Erzeugung von kleinen Unregelmäßigkeiten auf grund der Variation in der Konzentration eliminiert (oder minimiert), wodurch die Ebenheit nach der Verarbeitung weiter verbessert wird.
Im Nachfolgenden wird die Größe der Konzentration der Verunreinigung, die in das einkristalline Silizium 6 eingebracht wird, diskutiert.
Der Grund, aus dem die Variation der Verunreinigungskonzentration einen Einfluss auf die Ebenheit hat, wird darin vermutet, dass die bei derart hohen Konzentrationen beigefügten Verunreinigungen einen Härtungseffekt auf den Kristall haben.
Wenn die Verunreinigung Boron B oder Gallium Ga ist, kann der Effekt der vorliegenden Erfindung weiter vergrößert werden durch Hinzufügen der Verunreinigung bei hohen Konzentrationen wie 8,0e17 Atomen/cm² Konzentration oder mehr.
Wenn die Verunreinigung Phosphor P, Antimon Sb oder Arsen As ist, kann der Effekt der vorliegenden Erfindung weiter verbessert werden durch Hinzugeben der Verunreinigung mit einer hohen Konzentration wie 5,0e17 Atomen/cm² Konzentration oder mehr.
Nach der vorliegenden Erfindung kann durch Steuern der Schwankung der Aufziehgeschwindigkeit unabhängig von der Größe der Verunreinigungskonzentration der Effekt, dass die Variation der Verunreinigungskonzentration über die Silizium-Waferfläche reduziert werden. Die vorliegende Erfindung kann so implementiert werden, ohne dass sie auf die oben erwähnten hohen Konzentrationen beschränkt wäre.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde zur Erläuterung der Fall angenommen, dass ein horizontales Magnetfeld auf die Schmelze 5 aufgebracht wird. Das System kann jedoch auch derart ausgebildet werden, dass ein spitzes magnetisches Feld auf die Schmelze 5 aufgebracht wird.
Zusätzlich kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Halsabschnittbehandlung durchgeführt werden bei dem Aufziehen des Einkristall-Silizium 6. Es kann darauf aber auch verzichtet werden. Insbesondere wird die Verunreinigung in den Impfkristall 14 mit einer Konzentration eingeführt, die derjenigen der Verunreinigung in der Schmelze 5 ähnlich ist, die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, ohne die Halsbehandlung auszuführen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Fall erläutert, in dem Einkristall-Silizium 6 durch eine Einkristall-Aufzieheinrichtung 1 aufgezogen wird, die ein einziges Heizgerät 9 an der Seite eines Quarztiegels 3 hat. Die vorliegende Erfindung ist aber natürlich auf einen Fall anwendbar, in dem Einkristall-Silizium mit einer Einkristall-Aufzieheinrichtung mit mehreren Heizgeräten aufgezogen wird, d. h. eine Ausbildung, bei der mehrere Seitenheizgeräte an der Seite des Quarztiegels vorgesehen sind entlang der Längsrichtung oder eine Ausbildung mit einem Seitenheizgerät, das an der Seite des Quarztiegels 3 und einem Bodenheizgerät, das an dem Boden des Quarztiegels 3 vorgesehen ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist zum Aufziehen eines Einkristall-Halbleiters eines anderen Materials als Silizium, etwa Gallium Arsen oder dergleichen, anwendbar.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem in dem Vorgang des Aufziehens des Aufziehens des Einkristall-Halbleiters aus der Schmelze zu dessen Wachstum eine Verunreinigung in den Einkristall-Halbleiter mit größerer Gleichförmigkeit eingeführt wird, so dass eine Veränderlichkeit der Verunreinigungskonzentration über die Halbleiter-Waferfläche reduziert werden kann und damit die Ebenheit des Wafers verbessert wird. Bei dem Vorgang des Aufziehens des Einkristall-Halbleiters (6) werden Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit kontrolliert, wobei die Veränderlichkeit der Konzentration der Verunreinigung in dem Einkristall-Halbleiter (6) reduziert wird. Insbesondere wird die Breite der Geschwindigkeitsschwankung (ΔV) über 10 Sekunden auf weniger als 0,025 mm/min eingestellt. Weiter wird bei dem Ausführen der Steuerung zum Einstellen der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass der Durchmesser des Einkristall-Halbleiters (6) den Soll-Durchmesser erreicht, ein Magnetfeld mit einer Stärke von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze (5) aufgebracht.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem ein Impfkristall zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters mit einer in diesen eingefügten Verunreinigung in eine Schmelze in einem Tiegel eingetaucht und aufgezogen wird, wobei bei dem Aufziehen des Einkristall-Halbleiters Schwankungen der Aufziehgeschwindigkeit kontrolliert werden, um eine Veränderung der Konzentration der Verunreinigung in dem Einkristall-Halbleiter zu reduzieren.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Halbleiters, bei dem ein Impfkristall zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters mit einer in diesen eingefügten Verunreinigung in eine Schmelze in einem Tiegel eingetaucht und aufgezogen wird, wobei bei Aufziehen des Einkristall-Halbleiters die Aufziehgeschwindigkeitsschwankungsbreite in 10 Sekunden auf weniger als 0,025 mm/min justiert wird.
Das Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach Anspruch 1, wobei bei dem Kontrollieren der Aufziehgeschwindigkeit ein Durchmesser des Einkristall-Halbleiters auf den Soll-Durchmesser justiert wird, ein magnetisches Feld von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze aufgebracht wird.
Das Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach Anspruch 2, wobei bei dem Steuern der Aufziehgeschwindigkeit derart, dass ein Durchmesser des Einkristall-Halbleiters auf den Soll-Durchmesser justiert wird, ein magnetisches Feld von 1.500 Gauss oder mehr auf die Schmelze aufgebracht wird.
Das Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die in den Einkristall-Halbleiter hinzugefügte Verunreinigung Boron B oder Gallium Ga ist und die Verunreinigungskonzentration 8.0e17 Atome/cm² oder mehr beträgt.
Das Verfahren zum Herstellen des Einkristall-Halbleiters nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die dem Einkristall-Halbleiter hinzugefügte Verunreinigung Phosphor P, Antimon Sb oder Arsen As ist und die Verunreinigungskonzentration 5,0e17 Atome/cm² oder mehr beträgt.