DE3905626A1

DE3905626A1 - Verfahren und vorrichtung zur zuechtung von siliziumkristallen

Info

Publication number: DE3905626A1
Application number: DE3905626A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yamashita; Koutaro Shimizu; Yoshiaki Banba; Yasushi Shimanuki; Akira Higuchi; Hisashi Furuya
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp; Japan Silicon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1988-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1989-08-31
Anticipated expiration: 2009-02-24
Also published as: DE3905626B4; US4981549A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Züchtung von Siliziumeinkristallen durch die Czochralski- Technik, insbesondere betrifft sie Verbesserungen hinsichtlich der wirksamen Verhinderung einer durch Oxidation induzierten Fehlstellen (OFS)-Bildung.

Hochtemperaturhitzebehandlungen bei Halbleiter-Herstellungsverfahren erzeugen manchmal OFS bei CZ (Czochralski)-Siliziumwafern. OFS kann in der elektronisch aktiven Schicht nahe der Oberfläche Fehler induzieren, indem Stromleckagen verursacht werden, was zu einer verkürzten Lebensdauer des Trägers führt.

Bisher wurde übersättigter Sauerstoff in den Einkristallen als verantwortlich für die OFS-Bildung betrachtet. Besonders wenn CZ-Einkristalle Hochtemperatur-Hitzebehandlungen unterworfen werden, erzeugen Sauerstoffatome sehr kleine SiO₂-Ausfällungen.

In dem Maße, wie die Sauerstoffällung zunimmt, erzeugt sie SiO₂ in den Zwischenräumen, wovon angenommen wurde, daß dadurch sekundäreDefekte, wie OFS, induziert werden.

Die Erfinder haben früher ein Verfahren zur Züchtung von Siliziumeinkristallen vorgeschlagen, das die Bildung der Sauerstoffällungen verhindern kann, wie dies in JP-A-61-2 01 692 offenbart ist. Das Verfahren sieht eine Temperaturkontrollanordnung in einem vorgeschriebenen Bereich des Siliziumeinkristalles während des Ziehens vor, ferner ist vorgesehen, den gesamten Einkristall bei einem Temperaturbereich zwischen 1100 und 900°C über einen Zeitraum von mindestens 3 Stunden zu halten. Das Verfahren hatte zur Aufgabe, die Bildung von Sauerstoffällungen zu verhindern und dabei die OFS-Bildung während der Hochtemperatur-Hitzebehandlungen der Halbleiter herabzusetzen.

Nach weiteren Untersuchungen haben die Erfinder jedoch herausgefunden, daß das vorgenannte Verfahren die Bildung der Sauerstoffällungen zwar definitiv verhindert, jedoch einen Anstieg der OFS-Dichten nach Hochtemperaturbehandlungen verursacht.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Züchtung von Siliziumkristallen bereitzustellen, das die OFS-Bildung in den Siliziumkristallen eindeutig herabsetzen kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens bereitzustellen.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Züchtung von Siliziumeinkristallen geliefert, wobei ein Kristallkeim in eine Siliziumschmelze eingetaucht und der Kristallkeim aus der Schmelze gezogen werden, um dabei einen Siliziumeinkristall wachsen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verweilzeit des Siliziumeinkristalls, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich zwischen 1050 und 850°C nicht länger als 140 Minuten festgesetzt wird.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Züchtung von Siliziumeinkristallen geliefert, welche einen Schmelztiegel zur Aufnahme einer Siliziumschmelze und Ziehvorrichtungen, um einen in die Siliziumschmelze eingetauchten Kristallkeim zu ziehen, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Temperaturkontrolle oberhalb des Schmelztiegels angeordnet sind, um den Siliziumeinkristall mit einer solchen Kühlgeschwindigkeit abzukühlen, daß die Verweilzeit des Siliziumeinkristalls, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich zwischen 1050 und 850°C nicht länger als 140 Minuten ist.

Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Kristallzüchtungsvorrichtung für den experimentellen Einsatz;

Fig. 2 ist eine diagrammartige Darstellung, die die Auswirkung einer in situ-Kühlung in der Vorrichtung der Fig. 1 auf die OFS-Bildung zeigt;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das den thermischen Ablauf zeigt, wenn ein Kristall beim Ziehen angehalten wird;

Fig 4 ist ein Diagramm, das OFS-Dichten von Kristallen bei einem Kristallabtrennversuch zeigt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Wärmebehandlungsabläufe an Kristallen beim Kristallabtrennversuch zeigt;

Fig. 6 ist ein Querschnitt einer Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer in der Vorrichtung der Fig. 6 eingesetzten Kühlschale;

Fig. 8 ist ein Querschnitt einer modifizierten Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 ist eine Draufsicht einer modifizierten Kühlschale;

Fig. 10 ist ein Querschnitt einer weiteren modifizierten Kristallzüchtungs vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist ein Querschnitt einer modifizierten Anordnung der Ausgestaltung der Fig. 10;

Fig. 12 ist ein Querschnitt einer weiteren modifizierten Anordnung der Ausgestaltung der Fig. 10;

Fig. 13 ist ein Querschnitt einer weiteren modifizierten Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 ist ein Querschnitt einer Abänderung derAusgestaltung der Fig. 13;

Fig. 15 ist ein Querschnitt einer weiteren modifizierten Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 16 bis 19 sind Querschnitte von jeweiligen Abänderungen der Ausgestaltung von Fig. 15;

Fig. 20 ist ein Querschnitt einer weiteren modifizierten Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 21 ist ein Querschnitt einer Abänderung der Ausgestaltung von Fig. 20;

Fig. 22 ist ein Diagramm, das den Einfluß der inneren Oberfläche der Kühlschale auf das Kühlvermögen zeigt.

Im Laufe ihrer Untersuchungen haben die Erfinder die Auswirkungen des thermischen Ablaufs auf die OFS-Bildung analysiert, wobei eine Kristallzüchtungsvorrichtung, wie in Fig. 1, verwendet wurde. Die Kristallzüchtungsvorrichtung umfaßt eine Hitzekammer (10), untergebracht in einem Ofen (12), einen Graphitbehälter (14) oder eine Stützschale, untergebracht in der Hitzekammer (10), einen Quarzschmelztiegel (16), untergebracht in dem Behälter (14), einen Widerstandserhitzer (18), angeordnet innerhalb der Kammer (10), um auf diese Weise den Behälter (14) zu umgeben, sowie einen Kristallziehmechanismus (22). Der Behälter (14) ist auf einem Schaft (24) montiert, der mit einem Hauptantriebmechanismus (26) antreibbar verbunden ist, was die senkrechte Bewegung und axiale Drehung des Schaftes (24) während des Betriebes erlaubt. Der Kristallziehmechanismus (22) umfaßt einen Draht- oder Stabzug (28) mit einem daran zum Festhalten eines Kristallkeimes (32) befestigten Kopfstück (30) und einen Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) zum Ziehen und Drehen des Drahtes (28).

Als erstes wurden Kristallhalteversuche durchgeführt, wobei die vorstehende Vorrichtung verwendet wurde. Kristalle wurden einer ausgiebigen in situ-Kühlung in der obigen Vorrichtung unterworfen, wobei das Ziehen 2 Stunden lang kurz vor der unteren Abschlußkonusbildung angehalten wurde. Im Falle eines p <100< CZ-Kristalls, 127 mm Durchmesser, wurde das Ziehen beispielsweise 2 Stunden lang angehalten, als die Länge des Kristalls 425 mm betrug. Demzufolge wurde der Kristall einer in situ-Kühlung bei Temperaturen unterworfen, die vom Abstand von der Schmelzenoberfläche während des Anhaltens abhingen (Fig. 2). Die Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen betrugen 1,0×10¹⁸ bzw. weniger als 1,0×10¹⁶cm^-3. Die Konversionskoeffizienten zur Bestimmung dieser Konzentrationen betrugen 3,0×10¹⁷ bzw. 1,1×10¹⁷cm^-3. Aus diesem Kristall wurden Proben als Rohblöcke geschnitten, und einige Proben wurden bei 1100°C 1 Stunde lang und andere Proben 4 Stunden lang in naßem Sauerstoff gekühlt. Es wurden Ätzungen in Vorzugsrichtungen vorgenommen, um OFS aufzudecken. Wie in Fig. 2 gezeigt, wurden OFS′s in der Peripherie des Kristallteiles gebildet, der bei 900 bis 1000°C in der Vorrichtung während des Anhaltens des Ziehens gekühlt wurde.

In Fig. 3 sind thermische Abläufe des oberen und unteren Endes dieses Teils aufgetragen. Die Verweilzeit in dieser Figur bedeutet diejenige Zeit, um ± 50°C der jeweiligen Temperatur, die auf der Abszisse aufgetragen ist, zu durchlaufen. Es ist klar, daß der Teil, in dem OFS′s gebildet wurden, einer bemerkenswert langen Verweildauer im 900 bis 1000°C-Bereich unterworfen war.

Aus Ergebnissen von Halteversuchen an vier Kristallen wurde geschlossen, daß die thermischen Bedingungen von Kristallen im 850 bis 1050°C-Bereich die OFS-Bildung ausweiten.

Um die Rolle des thermischen Ablaufs bezüglich der OFS-Bildung zu bestätigen, wurde die Wirkung der Kühlgeschwindigkeit der Kristalle untersucht. Ein p <100< CZ-Kristall, 152,4 mm Durchmesser und 575 mm Länge, wurde als ein Vergleichskristall gezüchtet. Nach der unteren Abschlußkonusbildung wurde das Ziehen des Kristalles mit derselben Geschwindigkeit wie während des Kristallwachstums fortgesetzt, so daß der Kristall nur langsam abgekühlt wurde. Um einen Kristall herzustellen, der schnell abgekühlt wurde, wurde ein dem Vergleichskristall ähnlicher Kristall während des Kristallziehens bei 420 mm Länge abgetrennt und sofort auf die Spitze der Vorrichtung gezogen. Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen waren in diesen Kristallen ähnlich den vorstehend angegebenen. Aus diesen Kristallen geschnittene Proben wurden gemäß der folgenden Bedingungen behandelt: Halten bei 750°C 10 Minuten lang, Steigern mit 2°C/Min. auf 1100°C und schließlich Halten bei 1100°C 1 Stunde lang in naßem Sauerstoff. Proben wurden mit 100 µm abgeätzt und in Vorzugsrichtung geätzt, um OFS aufzudecken.

In dem rasch abgekühlten Kristall wurde die OFS-Dichte um eine ganze Größenordnung herabgesetzt, verglichen mit der im Vergleichskristall (Fig. 4). Die Wärmebehandlungsabläufe der beiden Kristalle sind in Fig. 5 aufgetragen. Der vorherige Kristall wurde vom 850 bis 1100°C-Bereich rasch heruntergekühlt.

Auf diese Weise ist aus den vorstehenden Versuchen ersichtlich, daß eine lange Verweilzeit im 850 bis 1050°C-Bereich die OFS-Bildung vergrößert. Das Kristallzüchtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf der Grundlage dieser Erkenntnis entwickelt worden und dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Siliziumeinkristalls im 850 bis 1050°C-Bereich nicht länger als 140 Minuten festgesetzt wird. Insbesondere wird der Schmelztiegel (16) zuerst mit einer Charge Siliziummaterial gefüllt, und dann wird die Luft des Ofens (12) durch Argongas ersetzt, welches in den Ofen (12) durch eine Öffnung in seiner oberen Wand geblasen wird. Danach wird das Siliziummaterial vollständig durch den Erhitzer (18) geschmolzen und die Züchtung eines Einkristalls (T) wird in üblicher Weise begonnen. Während der Schmelztiegel (16) mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit rotiert, wird der Kristallkeim (32) abgesenkt und in Berührung mit der Oberfläche einer Schmelze (Y) gebracht, bis sich der Kristall um den Keim (32) zu bilden beginnt, wobei gleichzeitig der Kristallkeim (32) mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gezogen wird, während er rotiert wird. Wie ein Einkristall (T) wächst und gezogen wird, wird er mit einer vorgeschriebenen Kühlgeschwindigkeit gekühlt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Kühlgeschwindigkeit und andere Bedingungen so eingestellt, daß die Verweilzeit des Siliziumeinkristalls im 850 bis 1050°C-Bereich nicht länger als 140 Minuten ist. Mit diesem Verfahren kann die OFS-Bildung während der Hochtemperaturbehandlungen sicher verhindert werden.

Falls die Verweilzeit des Kristalls im 850 bis 1050°C-Bereich 140 Minuten übersteigt, wachsen die Dichten von gebildeten OFS während der Hochtemperaturbehandlungen auf ein unannehmbares Maß an. Außerdem kann die OFS-Bildung, wenn der Temperaturbereich vom vorstehenden Bereich abweicht, nicht verhindert werden, sogar wenn die Verweilzeit so eingestellt ist, daß sie nicht länger als 140 Minuten beträgt.

Eine Abänderung des vorstehenden Verfahrens umfaßt ferner, daß die Verweilzeit des Einkristalls im 600 bis 800°C-Bereich so eingestellt wird, daß sie mindestens 2 Stunden beträgt. Wenn Wafer, die aus gemäß vorstehendem Verfahren hergestelltem Einkristall geschnitten sind, verschiedenen Hitzebehandlungen unterworfen werden, können Sauerstoffällungen in einigen Fällen nicht hinreichend erzeugt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, daß, falls die Sauerstoffällungen ungenügend sind, Kontaminationen, die an der Oberfläche des Wafers haften, Fehler durch Stromleckage induzieren und zu verminderter Lebensdauer führen, und daß, falls der Einkristall in der vorstehend genannten Weise erhitzt wird, die Bildung der Sauerstoffällungen hinreichend ist.

Als nächstes wird die Kristallzüchtungsvorrichtung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens beschrieben.

Fig. 6 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung ist grundsätzlich ähnlich der in Fig. 1, schließt jedoch eine Schale (20) einer zylindrischen Form zur Temperaturkontrolle ein, welche oberhalb des Schmelztiegels (16) angeordnet ist, so daß sie einen vorgeschriebenen Teil eines Siliziumeinkristallstabes (T) umgibt, der aus einer Schmelze (Y) gezogen wird. Die Temperaturkontrollschale (20) ist speziell entworfen, um den Einkristall (T) zu kühlen, so daß die Verweilzeit des Siliziumeinkristalls (T) im 850 bis 1050°C-Bereich nicht länger als 140 Minuten ist. Solch eine Temperaturkontrollschale kann durch eine Temperaturkontrollvorrichtung jeglicher Form ersetzt werden, die Schale ist jedoch die am meisten bevorzugte Form. Die Schale kann eine reflektierende Schale sein, die aus einer ringförmigen, reflektierenden Metallplatte zur Verhinderung der Hitzestrahlung an den Einkristall gebildet ist, oder sie kann eine Kühlschale in Form eines ringförmigen Kühlwassermantels der den Kristall wirksam kühlt, sein. Im Falle der Kühlschale könnte jedes andere Kühlmittel als Wasser ebenfalls verwendet werden. Darüber hinaus ist die Schale, wie in Fig. 6 gezeigt, mit Armen (34) versehen und wird ersetzbar vom Ofen (12) getragen, indem die Arme (34) zwischen dem unteren Teil (12 a) und dem oberen Teil (12 b) des Ofens (12) eingesetzt sind. Die Arme (34) können auch durch eine ringförmige Platte ersetzt sein, die an einem Außenbereich der Kühlschale an ihrem oberen Ende montiert ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Kühlwasserschale (20 A) verwendet, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Kühlschale (20 A) umfaßt äußere und innere zylindrische Schalen aus rostfreiem Stahl oder Molybdän (Mo), die an ihren oberen und unteren Enden miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Raum dazwischen festzulegen, sowie obere und untere Trennwände (40, 42), die innerhalb des Raumes montiert sind, um einen Kühlmittelweg (44) festzulegen. Die Kühlschale (20 A) ist mit einem Eingang (46) und einem Ausgang (48) am oberen Ende versehen und wird um den Teil des Siliziumeinkristalls (T) angeordnet, der eine Temperatur zwischen 850 und 1050°C hat. Wie insbesondere in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Kühlschale (20 A), falls die Punkte des Einkristalls, wo die Temperaturen 1050 und 850°C betragen, mit (A) bzw. (B) bezeichnet werden, so angeordnet, daß sie den Teil des Einkristalls zwischen den beiden Punkten (A) und (B) umgeben, welcher die Länge (L) hat.

Die Kühlschale (20 A) kann um den Kristall in einer solchen Weise angeordnet sein, daß das untere Ende der Schale (20 A) unterhalb des Punktes (A) des Einkristalls (T) liegt, wo die Temperatur ungefähr 1050°C beträgt. Darüber hinaus kann, wie in Fig. 8 gezeigt, das obere Ende der Kühlschale (20 A) mit einem oberen Wandteil (12 c) des Ofens (12) verbunden sein. In einem solchen Fall wird Argongas in den Ofen durch die Kühlschale (20 A) geblasen. Außerdem kann die Kühlschale (20 A) so geformt sein, daß sie einen axial spiralförmigen Kühlmittelweg aufweist.

Fig. 9 zeigt eine Abänderung der Kühlschale (20 A), die eine Vielzahl von Vorsprüngen (50) aufweist, die an einer inneren Außenfläche in umkreisförmig gleichen Abständen zueinander ausgebildet sind und sich vom oberen zum unteren Ende erstrecken. Jeder Vorsprung (50) weist im Querschnitt eine stumpfwinklige Form auf. Mit dieser Konstruktion wird die Oberfläche der inneren Außenfläche der Kühlschale (20 A) wesentlich vergrößert. Im Ergebnis können dadurch vom Einkristall ausgestrahlte Hitzestrahlen besser durch die Schale (20 A) absorbiert werden. Zudem werden sowohl die Wirksamkeit des Wärmeaustausches zwischen der Kühlschale (20 A) und dem Umgebungsgas als auch die Wirksamkeit des Wärmeaustausches zwischen dem Umgebungsgas und dem Einkristall vergrößert, so daß der Kühleffekt auf den Einkristall wesentlich verbessert wird. Um die Verweilzeit des Einkristalls im Temperaturbereich zwischen 850 und 1050°C nicht länger als 140 Minuten einzustellen, sollte die Kühlwirksamkeit der Kühlschale in bevorzugter Weise vergrößert werden. Die vorstehende Konstruktion der Kühlschale vergrößert die Kühlwirksamkeit, so daß die Einstellung der Verweilzeit leicht durchgeführt werden kann. Des weiteren fließt das durch die Kühlschale (20 A) geleitete Argongas, insofern sich die Vorsprünge (50) in axialer Richtung der Kühlschale (20 A) erstrecken, laminar und nicht kaotisch, wodurch das Anhaften von Verunreinigungen an der Kühlschale verhindert wird.

Es ist bevorzugt, daß die hervortretende Länge eines jeden Vorsprunges (50) auf 5 bis 80% des Abstandes zwischen der inneren Außenfläche der Kühlschale (20 a) und dem Einkristall (T) festgesetzt wird. Falls die Länge geringer als der obige Bereich ist, kann die Oberfläche des inneren Außenbereiches der Kühlschale nicht hinreichend vergrößert werden. Falls andererseits der Abstand den obigen Bereich übersteigt, beeinträchtigen die Vorsprünge (50) den Einkristall, indem eine Ungleichmäßigkeit beim Kühlen verursacht wird. Außerdem kann die Kühlschale anstatt der Vorsprünge mit einer Vielzahl von Rillen in ihrer inneren Außenfläche versehen sein. Die Vorsprünge oder Rillen können sich auch in horizontaler Richtung oder spiralförmig erstrecken. Es können auch isolierte Vertiefungen oder Vorsprünge vorgesehen sein, und kleine Flossen zum Einsatz als Wärmeaustauscher können ebenfalls verwendet werden. Darüber hinaus kann die innere Außenfläche der Kühlschale (20 A), um die Absorption der Hitzestrahlen zu erleichtern, schwarz gestrichen sein, oder es kann die Innenplatte der Kühlschale aus schwarzem Material gebildet sein.

Fig. 10 veranschaulicht eine weitere Abänderung der erfindungsgemäßen Kristallzüchtungsvorrichtung, die sich von der Vorrichtung der Fig. 8 dadurch unterscheidet, daß eine in vertikaler Richtung bewegbare Kühlschale (20 B) vorgesehen und ein Hebemechanismus (51) zur vertikalen Bewegung der Kühlschale am oberen Ende der Kühlschale (20 B) angebracht sind. Insbesondere wird im oberen Wandteil des Ofens (12) eine kreisförmige Öffnung (52) gebildet, die einen größeren Durchmesser als die Kühlschale (20 B) aufweist, und die Kühlschale (20 B) wird darin eingesetzt, um sich gleitend bewegen zu können. Die Kühlschale (20 B) ist mit einem Flanschteil (54) an ihrem oberen Ende versehen, und ein zylindrischer Blasebalg (56) aus rostfreiem Stahl wird zwischen dem Flanschteil (54) und dem Außenbereich der Öffnung (52) des Oberteils des Ofens (12) zwischengefügt, um so einen Verschluß um den Außenbereich der Kühlschale (20 B) zu bilden. Der Blasebalg (56) besitzt eine ausreichende Hitzebeständigkeit und kann der gleitenden Bewegung der Kühlschale (20 B) folgen. Der Blasebalg (56) ist auch beständig gegenüber der Druckdifferenz zwischen dem Außen- und Innendruck des Ofens (12).

Mit der vorgenannten Konstruktion kann die Kühlschale (20 B) durch Betätigung des Hebemechanismus (51) vertikal bewegt werden. Demgemäß kann die vertikale Stellung der Kühlschale (20 B) leicht eingestellt werden, so daß die Kühlgeschwindigkeit desjenigen Teils des Einkristalls im Bereich 850 bis 1050°C optimal gestaltet wird und die Verweilzeit für diesen Teil nicht länger als 140 Minuten beträgt. Zudem kann ein durch die Kühlschale (20 B) verursachter Hitzeverlust, wenn die Kühlschale (20 B) auf eine höhere Position bewegt ist, wenn das Siliziummaterial schmilzt, verhindert werden, so daß das Siliziummaterial sehr effizient geschmolzen werden kann. Nachdem das Material vollständig geschmolzen ist, kann die Kühlschale (20 B) zu ihrer niedrigeren Position bewegt werden, und der Vorgang des Ziehens des Kristalls wird begonnen.

Fig. 11 zeigt eine abgeänderte Anordnung der Vorrichtung der Fig. 10. In dieser Anordnung wird eine kürzere Kühlschale (20 C) verwendet. Ein Paar von Hebestäben (58), die an ihren unteren Enden an dem Flanschteil (54) der Kühlschale (20 C) sicher fixiert sind, wird gleitbar durch den oberen Wandteil des Ofens eingesetzt und es wird ein Paar von Verschlüßen (60) auf der oberen Wand montiert, um den Verschluß zwischen einem jeweiligen Stab und dem Ofen (12) herzustellen. Obwohl nicht dargestellt, wird ein Hebemechanismus an den Hebestäben (58) angebracht, so daß die Stäbe (58) nach oben und unten bewegt werden können. Die Hebestäbe (58) weisen auch Kühlmittelwege in ihrem Inneren auf und dienen als Einlaß und Auslaß für das Kühlmittel. Eine zylindrische Schale (62) zur Einleitung von Argongas, wird auf den oberen Wandteil des Ofens (12) montiert, um sich nach oben zu erstrecken, sie kann jedoch ebenso nach unten verlängert sein, wie in Fig. 12 gezeigt, so daß die Kühlschale (20 C) an ihrem niedrigeren Endteil bei der Gleitbewegung im allgemeinen verschließend angepaßt ist. Mit dieser Anordnung wird der Argongasfluß in dem Ofen wirksam gegen den Einkristall (T) gelenkt. Darüber hinaus können die Hebestäbe nach unten fortgesetzt sein, und der Hebemechanismus kann sich unter dem Ofen befinden.

Fig. 13 zeigt eine weitere Abänderung der Kristallzüchtungsvorrichtung, die sich von der ersten Ausgestaltung der Fig. 6 lediglich dadurch unterscheidet, daß ein Sekundärerhitzer (64) an die innere Seite der oberen Wand des Ofens (12) sicher fixiert ist, so daß er mit der zylindrischen Schale (62) zur Argongaseinleitung koaxial ist. Dieser Sekundärerhitzer (64) ist entworfen und positioniert, um den Einkristall (T) mit einer solchen Geschwindigkeit zu erhitzen, daß die Verweilzeit des Einkristalls in dem Bereich 600 bis 800°C nicht kürzer als 2 Stunden ist. Mit dieser Konstruktion kann der durch die Kühlschale (20) gekühlte Einkristall (T) durch den Sekundärerhitzer (64) so erhitzt werden, daß die Verweilzeit des Einkristalls im Bereich 600 bis 800°C mindestens 2 Stunden beträgt. Demgemäß kann die Bildung von Sauerstoffällungen während der Hochtemperaturbehandlungen sichergestellt werden.

Fig. 14 zeigt eine weitere Abänderung der Vorrichtung der Fig. 13. In dieser Anordnung weist die Kühlschale (20) eine außen eingehängte Außenfläche auf, und ein innen eingehängter Ring (66) aus hitzeisolierendem Material, wie Quarz, wird an der Kühlschale (20) verschraubt. Ein ringförmiges Schutzglied (68) zur Abschirmung der Kühlschale (20) vom Schmelztiegel (16) und von der Schmelze (Y) im Schmelztiegel (16) wird außen am Ring (66) sicher fixiert und kann entlang der Kühlschale (20) herauf- und herunterbewegt werden, indem man die Position des Ringes (66) relativ zur Kühlschale (20) verändert. Das Schutzglied (68) ist aus Molybdän hergestellt und umfaßt einen zylindrischen Teil (68 a) mit einem kleineren Durchmesser als der des Schmelztiegels (16), sowie einen nach unten abgeschrägten Teil (68 b) , der am unteren Ende des zylindrischen Teils (68 a) ausgebildet ist und sich radial nach innen und nach unten vom unteren Teil der Kühlschale (20) erstreckt. Wenn das untere Ende der Kühlschale (20) nahe am Schmelztiegel (16) oder an der Schmelze (Y) im Schmelztiegel (16) ist, wird der Schmelztiegel (16) oder die Schmelze (Y) durch die Kühlschale (20) gekühlt, so daß die Siliziumschmelze einer Rekristallisation unterworfen wäre, ausgehend von dem an die innere Außenfläche des Schmelztiegels (16) angrenzenden Teil. In der dargestellten Ausgestaltung schirmt das Schutzglied (68) jedoch den Schmelztiegel (16) und die Schmelze (Y) darin von der Kühlschale ab, so daß die Rekristallisation der Schmelze wirksam verhindert werden kann.

Fig. 15 veranschaulicht eine weitere, modifizierte Kristallzüchtungsvorrichtung der Erfindung, die eine Kühlschale (20 D) aus einem zylindrischen oberen Teil (70 a) und einem abgeschrägten Teil (70 b), der vom oberen Teil (70 a) nach unten abgeschrägt ist, einschließt. Die Kühlschale (20 D) ist eingesetzt in und sicher fixiert an dem oberen Wandteil des Ofens (12), wobei ihr oberer Teil (70 a) außerhalb des Ofens (12) und ihr abgeschrägter Teil (70 b) innerhalb des Ofens (12) angeordnet sind. Der Durchmesser des unteren Endes der Kühlschale (20 D) ist so gewählt, daß der Abstand (P) zwischen der Außenfläche des zu ziehenden Einkristalls und der Kühlschale (20 D) 10 bis 70% des Durchmessers (D) des Einkristalls (T) beträgt. Falls der Durchmesser kleiner als der vorgenannte Bereich ist, verändert sich die Kühlwirksamkeit auf den Einkristall (T) in starkem Masse, wenn der Abstand (P) zwischen dem Einkristall (T) und der Kühlschale (20 D) schwankt, wodurch die Qualität des Einkristalls beeinträchtigt wird. Falls andererseits der Durchmesser den vorgenannten Bereich übersteigt, gelangt SiO-Dampf, der durch die Reaktion der Siliziumschmelze (Y) mit dem Quarz des Schmelztiegels (16) erzeugt wird, in die Kühlschale (20 D), um sich an der inneren Außenfläche des unteren Endes der Kühlschale (20 D) abzulagern. Kurz nach Bildung fällt die Ablagerung in die Schmelze (Y) und induziert in den Einkristallen Fehlstellen. Der vorgenannte Bereich sollte jedoch nur in dem Fall angewandt werden, wenn die Durchflußgeschwindigkeit des Argongases dieselbe wie die in der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist, d.h. ungefähr 10 bis 200 l/Min. bei 10 Torr. Falls die Durchflußgeschwindigkeit sich ändert, sollte die Geschwindigkeit des aus dem unteren Ende der Kühlschale (20 D) ausströmenden Gases auf 5 bis 70 cm/Sek. eingestellt werden. In diesem Bereich kann der SiO-Dampf erfolgreich vom Eindringen in die Kühlschale (20 D) abgehalten werden.

Außerdem sollte der Abstand (Q) zwischen dem unteren Ende der Kühlschale (20 D) und der Oberfläche der Schmelze (Y) im Schmelztiegel bevorzugt bei 5 bis 80 % des Durchmessers (D) des Einkristalls (T) gehalten werden, indem man den Schaft (24) in seiner vertikalen Position einstellt. Falls der Abstand geringer als der vorgenannte Bereich ist, wird das durch die Kühlschale (20 D) geführte Argongas gegen einen an die Kristallisationsfront des Einkristalls (T) angrenzenden Teil der Schmelze (Y) geblasen, so daß dieser Teil übermäßig gekühlt wird. Deshalb kann der Einkristall wegen thermischer Überlastungen an der Kristallisationsfront Kristallfehlbildungen unterworfen sein. Falls andererseits der Abstand (Q) den vorgenannten Bereich übersteigt, kann eine ausreichende Kühlwirkung der Kühlschale nicht erreicht werden. In beiden Fällen muß jedoch der Abstand so eingestellt werden, daß die Kühlschale (20 D) den Einkristall unter der Bedingung kühlen kann, daß die Verweilzeit des Einkristalls im Temperaturbereich von 850 bis 1050°C nicht länger als 140 Minuten ist.

Darüber hinaus sollte der Abschrägungswinkel (alpha) des abgeschrägten Teils (70 b) der Kühlschale (20 D) vorzugsweise auf nicht weniger als 3° festgelegt werden. Die Erfinder haben eine Anzahl von Kühlschalen mit verschiedenen Abschrägungswinkeln hergestellt und Versuche durchgeführt, um den vorgenannten optimalen Bereich des Abschrägungswinkels sicher festzulegen. Falls der Winkel (alpha) kleiner als 3°C ist, kann der Einkristall nicht gleichmäßig gekühlt werden. Die Obergrenze des vorgenannten Winkels (alpha) muß im Hinblick auf die Struktur der Vorrichtung bestimmt werden.

Fig. 16 zeigt eine Abänderung der obigen Anordnung, die eine zylindrische Kühlschale (20 E) mit einem radial nach innen sich erstreckenden Vorsprung (72) an ihrem unteren Ende einschließt. Der Vorsprung (72) weist eine geneigte innere Außenfläche (74) auf, die radial zur Kühlschale (20 E) nach innen und unten abfällt. Diese Abänderung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Herstellkosten der Kühlschale (20 E) gering im Vergleich zur vorherigen (20 D) sind. Darüber hinaus wird das nach unten durch die Kühlschale (20 E) in einem laminaren Fluß strömende Argongas durch die geneigte Oberfläche (74) unterbrochen und wird turbulent, wenn es gegen das untere Ende des Einkristalls bläst, wodurch die Kühlwirkung am unteren Ende des Kristalls verbessert wird.

Fig. 17 bis 19 zeigen verschiedene Modifikationen des vorgenannten Vorsprunges. In der Modifikation der Fig. 17, worin ein abgeschrägter und ein zylindrischer Teil kombiniert sind, neigt das Argongas dazu, laminar zu fließen, während der Vorsprung eines L-förmigen Querschnittes, wie er in Fig. 18 gezeigt ist, dazu neigt, einen turbulenten Fluß zu erzeugen. Die Modifikation in Fig. 19, in der der Vorsprung eine abgeschrägte Ringplatte umfaßt, erzeugt einen Fluß des Argongases, der sich als mild kaotisch erweist. Obwohl in den obigen Modifikationen das untere Ende der Kühlschale (20 E) als ein spitzer Winkel ausgebildet ist, kann es darüber hinaus auch in einer abgerundeten Weise ausgebildet sein. Falls das untere Ende so geformt ist, neigt das Argongas dazu, laminar zu fließen. Demgemäß können die Kühlung des unteren Endes des Einkristalls und die SiO-Entfernbarkeit präzise eingestellt werden, indem man die obigen Konfigurationen in geeigneter Weise auswählt. Fig. 20 zeigt eine weitere Abänderung der Kristallzüchtungsvorrichtung. In dieser Anordnung wird eine Öffnung (75) durch einen Seitenteil des unteren Endteils der Kühlschale (20 A) gebildet, und eine Beobachtungsschale (76) wird an ihrem unteren Öffnungsende an den unteren Endteil der Kühlschale (20 A) mit der Öffnung (75) verbunden. Die Beobachtungsschale (76) ist geneigt und führt durch den oberen Wandteil des Ofens (12), so daß ein Lichtweg festgelegt wird. Ein Fenster (78) aus einer durchsichtigen Platte, wie einem hitzebeständigen Glas, wird am oberen Öffnungsende der Beobachtungsschale (76) verschließend montiert, so daß der Bedienungsmann die Kristallisationsfront des Einkristalls (T) durch das Fenster (78) während des Ziehvorganges beobachten kann. Der innere Durchmesser der Beobachtungsschale (76) sollte soweit wie möglich herabgesetzt werden, um Ungleichmäßigkeiten bei der Kühlung zu vermindern, solange ausreichende Beobachtung möglich ist. Des weiteren ähnelt die Beobachtungsschale (76) grundlegend der Kühlschale (20 A), indem sie einen Kühlmittelweg aufweist, und ein Paar von Einlaß- und Auslaßrohren (80, 82) für das Kühlmittel sind am oberen Ende angebracht. Außerdem muß die Beobachtungsschale (76), falls die Kühlschale in einer vertikalen Richtung beweglich sein muß, so ausgebildet sein, daß sie von der Kühlschale (20 A) abgelöst werden kann.

Fig. 21 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung der Fig. 20. In dieser Abänderung wird eine in vertikaler Richtung verlängerte Öffnung (84) mit einer vorgeschriebenen Weite in einem Seitenteil der Kühlschale (20 A) in einer solchen Weise gebildet, daß sie sich sowohl außerhalb als auch innerhalb des Ofens öffnet, und es wird ein wannenartiges Gehäuse (86) am Seitenteil der Kühlschale (20 A) festgemacht, so daß es die Öffnung (84) umgibt. Das Gehäuse (86) hat eine obere Öffnung, und ein durchsichtiges Fenster (88) ist in die Öffnung verschließend eingesetzt. Das Gehäuse (86) weist ebenfalls einen Kühlmittelweg auf, der in fließender Verbindung mit dem Kühlmittelweg in der Kühlschale (20 A) steht. Die Kühlmittelwege müßen jedoch nicht notwendigerweise miteinander in Verbindung stehen. Mit dieser Konstruktion kann die Sicht durch das Fenster (88) erweitert werden, verglichen mit der vorherigen Anordnung. Zudem ist es einfach, Gehäuse und Kühlschale in vertikaler Richtung zu bewegen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch die folgenden Beispiele verdeutlicht.

BEISPIEL 1

Siliziumeinkristalle, 155 mm Durchmesser und 600 mm lang, wurden unter Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung hergestellt. Verschiedene ringförmige, reflektierende Metallplatten und Kühlwassermäntel wurden auswahlweise als Schale zur Temperaturkontrolle eingesetzt und verschiedene Verweilzeiten wurden in drei Temperaturbereichen, d.h. 600 bis 850°C; 850 bis 1050°C; und 1050 bis 1400°C, ausgewählt, und zwar in der Weise, daß die Verweilzeit im jeweiligen Temperaturbereich über die gesamte Länge des Siliziumeinkristalls konstant war.

Anschließend wurden aus acht auf diese Weise hergestellten Einkristallen Wafer geschnitten und behandelt, indem man ihre Temperaturen mit 2°C/Min. auf 1100°C steigerte, sie 1 Stunde lang auf Temperatur hielt und dann abkühlte. Danach wurden die OFS-Dichten ermittelt.

Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Tabelle 1

Wie aus der vorstehenden Tabelle klar ersichtlich, war die OFS-Bildung in den Siliziumeinkristallen der Beispiele 1 und 2 gering. Wenn andererseits die Verweilzeit im Bereich 850 bis 1050°C länger als 140 Minuten andauerte oder wenn der Temperaturbereich nicht in den Bereich 850 bis 1050°C fiel, bildeten sich OFS′s mit hohen Dichten.

BEISPIEL 2

Es wurden eine Kristallzüchtungsvorrichtung wie in Fig. 8 und eine Vorrichtung mit einer Kühlschale wie in Fig. 9 hergestellt. Die Vorrichtungen sind hinsichtlich der Struktur identisch, mit der Ausnahme, daß sich die Kühlschalen unterscheiden. Die in Fig. 9 gezeigte Kühlschale besaß eine Anzahl von Vorsprüngen einer Länge von 20 mm, und ihre innere Oberfläche war doppelt so groß wie diejenige der Kühlschale der Fig. 8. Es wurden Siliziumeinkristalle unter Verwendung dieser Vorrichtungen unter den gleichen Bedingungen gezogen.

Als Ergebnis betrug die Verweilzeit des Einkristalls im Temperaturbereich von 850 bis 1050°C ungefähr 100 Minuten, als die Vorrichtung der Fig. 8 verwendet wurde. Als andererseits die Vorrichtung mit der Kühlschale der Fig. 9 verwendet wurde, reduzierte sich die Verweilzeit auf ungefähr 50 Minuten.

BEISPIEL 3

Der Einfluß der inneren Oberfläche der Kühlschale auf die Kühlwirksamkeit wurde ebenfalls untersucht.

Es wurden Kühlschalen aus rostfreiem Stahl, 200 mm innerer Durchmesser und 100 mm hoch, hergestellt, die an einer inneren Außenfläche ausgebildete Vorsprünge (20 mm lang) aufwiesen und verschiedene innere Oberflächen besaßen. Außerdem wurde eine Kühlschale ohne Vorsprünge (innere Oberfläche (S) = 3140 cm²) als eine Vergleichsschale hergestellt. Bedingungen, wie die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlwassers, die Menge des in den Schmelztiegel gegebenen Siliziummaterials, der Durchmesser des Einkristalls, die Ziehgeschwindigkeit und die Position der Kühlschale während des Ziehvorganges, wurden identisch eingestellt.

Die Ergebnisse sind in Fig. 22 dargelegt, in der die Verweilzeit des Einkristalls im Temperaturbereich von 850 bis 1050°C ermittelt und gegen die innere Oberfläche aufgetragen wurde. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, ist die innere Oberfläche der Kühlschale umgekehrt proportional zur Verweilzeit, so daß die Vergrößerung der Innenoberfläche der Kühlschale bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgenutzt wird.

BEISPIEL 4

Es wurden eine Kristallzüchtungsvorrichtung, wie in Fig. 13 und eine Vorrichtung wie in Fig. 6 hergestellt. Siliziumeinkristalle wurden unter Verwendung dieser Vorrichtungen gezogen, und es wurden Proben aus diesen Kristallen geschnitten. Dann wurden die Proben Hitzebehandlungen bei 800°C 120 Stunden lang unterworfen und Dichten von Sauerstoffällungen ermittelt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Tabelle 2

Wie aus vorstehender Tabelle klar ersichtlich ist, bildeten sich Sauerstoffällungen mit hohen Dichten, wenn die Einkristalle in der Vorrichtung mit einem Sekundärerhitzer hergestellt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Züchtung von Siliziumeinkristallen, wobei ein Kristallkeim in eine Siliziumschmelze getaucht und der genannte Kristallkeim aus der genannten Schmelze gezogen werden, um dadurch einen Siliziumeinkristall zu züchten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verweilzeit des genannten Siliziumeinkristalls, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich zwischen 1050 und 850°C nicht länger als 140 Minuten festgesetzt wird.

2. Kristallzüchtungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Verweilzeit des genannten Siliziumeinkristalls, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich zwischen 800 und 600°C nicht kürzer als 2 Stunden festgesetzt wird.

3. Vorrichtung zur Züchtung von Siliziumeinkristallen, wobei die Vorrichtung einen Schmelztiegel zur Aufnahme einer Siliziumschmelze und eine Ziehvorrichtung zum Ziehen eines in die genannte Siliziumschmelze eingetauchten Kristallkeims umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Temperaturkontrolle oberhalb des genannten Schmelztiegels angeordnet ist, um den genannten Siliziumeinkristall bei einer solchen Kühlgeschwindigkeit zu kühlen, daß die Verweilzeit des genannten Siliziumeinkristalls, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich von 1050 bis 850°C nicht länger als 140 Minuten beträgt.

4. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung zur Temperaturkontrolle eine Kühlschale umfaßt, die um den genannten Einkristall, der gezogen wird, angeordnet ist.

5. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung zur Temperaturkontrolle eine reflektierende Schale umfaßt, die um den genannten Einkristall, der gezogen wird, angeordnet ist.

6. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kühlschale um den Teil des genannten Siliziumeinkristalls angeordnet ist, der eine Temperatur zwischen 850 und 1050°C hat.

7. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kühlschale eine Vielzahl von auf ihrer inneren Außenfläche ausgebildeten Vorsprüngen aufweist.

8. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kühlschale eine Vielzahl von auf ihrer inneren Außenfläche ausgebildeten Rillen aufweist.

9. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Vorsprünge sich in axialer Richtung der genannten Kühlschale in umkreisförmig gleichen Abständen zueinander erstrecken.

10. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Rillen sich in axialer Richtung der genannten Kühlschale in umkreisförmig gleichen Abständen zueinander erstrecken.

11. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Mechanismus zur vertikalen Bewegung der genannten Vorrichtung zur Temperaturkontrolle umfaßt.

12. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Vorrichtung zum Erhitzen umfaßt, die über der genannten Vorrichtung zur Temperaturkontrolle angeordnet ist, um den genannten Einkristall, der gezogen wird, in einem Temperaturbereich von 800 bis 600°C nicht kürzer als 2 Stunden zu erhitzen.

13. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein Schutzglied umfaßt, das an der genannten Vorrichtung zur Temperaturkontrolle befestigt ist, um die genannte Kühlvorrichtung von dem genannten Schmelztiegel und von der Schmelze im genannten Schmelztiegel abzuschirmen.

14. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kühlschale untere und obere Enden aufweist, und zwar so, daß der Durchmesser des unteren Endes kleiner als der des oberen Endes ist.

15. Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Ofen umfaßt, der den genannten Schmelztiegel und die genannte Kühlschale, ein Beobachtungsgehäuse, das zwischen der genannten Kühlschale und dem genannten Ofen verbunden ist, um einen Lichtdurchgang festzulegen, sowie ein am oberen Ende des genannten Beobachtungsgehäuses montiertes Fenster aufnimmt.