DE10106369A1

DE10106369A1 - Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreien Silicium-Einkristallen

Info

Publication number: DE10106369A1
Application number: DE10106369A
Authority: DE
Inventors: Keigo Hoshikawa; Ximing Huang; Tatsuo Fukami; Toshinori Taishi
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-12
Publication date: 2001-11-08
Also published as: US6451108B2; KR100427148B1; TW587106B; US20010020438A1; KR20010085463A; JP2001240493A; JP3446032B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silicium-Einkristalls, das die folgenden Schritte einschließt: DOLLAR A Herstellen eines aus einem versetzungsfreien Einkristall mit einer Bor-Konzentration von 1 x 10·18· Atomen/cm·3· oder mehr gebildeten Silicium-Impfkristalls, Erstellen einer Siliciumschmelze mit einer Bor-Konzentration, die sich von derjenigen des Impfkristalls um 7 x 10·18· Atome/cm·3· oder weniger unterscheidet, und Inkontaktbringen des Impfkristalls mit der Siliciumschmelze, um den Silicium-Einkristall zu züchten.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen

Diese Anmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der früheren japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-049667, eingereicht am 25. Februar 2000, deren gesamter Gegenstand hier durch Verweis eingeführt wird.

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersilicium-(Si)-Einkristalls zur Verwendung im Herstellungsverfahren für einen LSI-Kreis (LSI = "large-scale integrated" = hoher Integrationsgrad).

Derzeit wird der Si-Einkristall zur Verwendung im LSI- Herstellungsverfahren gewöhnlich mit einem Czochralski-(CZ)- Prozeß oder Floating Zone-(FZ)-Prozeß ("Floating Zone" = Schwebezonen) gebildet. Spezifisch werden die meisten Si- Einkristalle mit dem CZ-Prozeß gebildet. Der CZ-Prozeß ist ein Verfahren zur Züchtung des Si-Einkristalls, indem ein Impfkristall mit einer Si-Schmelze in Kontakt gebracht wird (dieser Schritt wird "Tauchprozeß" genannt) und der Impfkristall gezogen wird. Der FZ-Prozeß ist ein Verfahren zum Züchten des Si-Einkristalls durch Erhitzen eines Endes eines aus polykristallinem Si gebildeten Stabs als Rohmaterial, um ihn zu schmelzen, Inkontaktbringen eines Si-Impfkristalls mit dem geschmolzenen Bereich und Bewegen der geschmolzenen Zone entlang der Längsrichtung des Stabs.

Im CZ-Verfahren wird ein 1959 von W. C. Dash vorgeschlagenes Einschnürungsverfahren eingesetzt, um einen versetzungsfreien Einkristall zu züchten. Das Einschnürungsverfahren wird nach dem Tauchverfahren durchgeführt, um einen langen dünnen Halsbereich mit 3 bis 5 mm Durchmesser zu bilden. Der Halsbereich hindert die Versetzungen, die im Impfkristall aufgrund des Wärmeschocks während des Tauchverfahrens erzeugt werden, daran, in den gezüchteten Kristall fortzuschreiten. Daher ist das Einschnürungsverfahren ein wirksames Verfahren zum Züchten des versetzungsfreien Einkristalls. Die Wahrscheinlichkeit des Züchtens des versetzungsfreien Einkristalls mit dem Einschnürungsverfahren ist jedoch nicht immer 100%. Zusätzlich kann der lange dünne Halsbereich einen großen Einkristall von mehr als 100 kg Gewicht nicht tragen, der seit kurzem im LSI-Herstellungsverfahren erforderlich ist. Der FZ-Prozeß nützt ebenfalls das Einschnürungsverfahren, so daß er die gleichen Probleme wie oben beschrieben aufweist.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silicium-Einkristalls ohne Einsatz eines Einschnürungsverfahrens bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silicium-Einkristalls bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines aus einem versetzungsfreien Einkristall mit einer Bor-Konzentration von 1 × 10¹⁸ Atomen/cm³ oder mehr gebildeten Silicium-Impfkristalls;
Herstellen einer Siliciumschmelze mit einer Bor- Konzentration, die sich von der des Impfkristalls um 7 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder weniger unterscheidet; und
Inkontaktbringen des Impfkristalls mit der Siliciumschmelze zur Züchtung des Silicium-Einkristalls.

In der vorliegenden Erfindung wird der Silicium-Einkristall bevorzugt gemäß einem Czochralski-Prozeß oder einem Schwebezonen-Prozeß gezüchtet.

In der vorliegenden Erfindung liegt die Bor-Konzentration des Impfkristalls bevorzugt im Bereich von 1 × 10¹⁸ bis 7 × 10¹⁸ Atome/cm³ und besonders bevorzugt von 3 × 10¹⁸ bis 5 × 10¹⁸ Atome/cm³.

Weiterhin ist in der vorliegenden Erfindung die Siliciumschmelze bevorzugt nicht Bor-dotiert.

Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung aufgeführt und werden teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Ausführung der Erfindung erfahren werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der nachfolgend besonders aufgezeigten Instrumente und Kombinationen realisiert und erhalten werden.

Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Abbildungen

Die begleitenden Abbildungen, die in der Anmeldung enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der allgemeinen, oben angegebenen Beschreibung und der nachfolgend angegebenen ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Bor- Konzentration in einem Impfkristall und der Bor-Konzentration in einem gezüchteten Kristall, erhalten in den erfindungsgemäßen Beispielen und Vergleichsbeispielen;

Fig. 2A bis 2C sind topographische Röntgenbilder von Si- Einkristallen, die im Stand der Technik und in den erfindungsgemäßen Beispielen und Vergleichsbeispielen erhalten wurden; und

Fig. 3 ist ein topographisches Röntgenbild eines anderen Beispiels eines in den erfindungsgemäßen Beispielen erhaltenen Si-Einkristalls.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde während der Forschungsarbeit an der Züchtungstechnik für einen stark Bor-dotierten Kristall gemacht, der als Substrat unter einem epitaxischen Wafer verwendet wird. Der epitaxische Wafer bildet ca. 20% aller derzeit im LSI-Herstellungsverfahren verwendeten Si- Wafer. Speziell beruht die vorliegende Erfindung auf den folgenden empirischen Tatsachen, die während der Forschungsarbeit gefunden wurden.

1. Wenn ein mit einer Bor-Verunreinigung von 10¹⁸ Atomen/cm³ oder mehr dotierter versetzungsfreier Einkristall als Impfkristall verwendet wird, werden keine Versetzungen aufgrund von Wärmeschock im Impfkristall während des Tauchverfahrens erzeugt.
2. Obwohl ein Bor-Konzentrationsunterschied zwischen dem Impfkristall und dem gezüchteten Kristall (insbesondere dem direkt nach dem Tauchen gezüchteten Kristall) gewöhnlich zusätzliche Versetzungen aufgrund eines Gitterfehlers erzeugen kann, kann ein Bor-Konzentrationsunterschied von bis zu 7 × 10¹⁸ Atomen/cm³ keine Versetzungen aufgrund des Gitterfehlers bilden.

Durch Kombination der obigen beiden Tatsachen kann der versetzungsfreie Si-Einkristall ohne das Einschnürungsverfahren gezüchtet werden. Da die Bor- Konzentration zwischen dem Impfkristall und dem gezüchteten Kristall in einem gewissen Maß abweichen kann, um einen versetzungsfreien Kristall wie oben beschrieben zu realisieren, ist es zusätzlich möglich, den versetzungsfreien Si-Einkristall durch die Kombination des stark Bor-dotierten Impfkristalls und der nicht Bor-dotierten Si-Schmelze zu züchten, was in einem nicht Bor-dotierten, versetzungsfreien Si-Einkristall resultiert.

Wenn die vorliegende Erfindung auf den CZ-Prozeß angewendet wird, werden ein Si-Impfkristall und eine Si-Schmelze, die jeweils Bor in einer vorher festgelegten Menge enthalten, hergestellt, und der Impfkristall wird mit der Si-Schmelze in Kontakt gebracht, und dann wird der Impfkristall gezogen, um das Kristallwachstum zuzulassen. Wenn die vorliegende Erfindung auf den FZ-Prozeß angewendet wird, werden ein Si-Impfkristall und ein polykristalliner Si-Stab als Rohmaterial, die jeweils Bor in einer vorher festgelegten Menge enthalten, hergestellt, ein Ende des Stabs wird erhitzt, bis er schmilzt, der Impfkristall wird mit dem geschmolzenen Teil in Kontakt gebracht, und die geschmolzene Zone wird entlang der Längsrichtung des Stabs bewegt. In der vorliegenden Erfindung wird das Einschnürungsverfahren in keinem Verfahren eingesetzt.

Die Bor-Konzentration im Impfkristall beträgt bevorzugt 1 × 10¹⁸ bis 7 × 10¹⁸ Atome/cm³. Innerhalb dieses Bereichs kann der nicht Bor-dotierte versetzungsfreie Si-Einkristall aus der nicht Bor-dotierten Si-Schmelze gezüchtet werden. Insbesondere fällt die Bor-Konzentration im Impfkristall bevorzugt in den Bereich von 3 × 10¹⁸ bis 5 × 10¹⁸ Atome/cm³. Innerhalb dieses Bereichs kann der nicht Bor-dotierte, versetzungsfreie Si-Einkristall besonders erfolgreich aus der nicht Bor-dotierten Si-Schmelze gezüchtet werden. Der hier verwendete Begriff "nicht Bor-dotierte Si-Schmelze" bezeichnet eine Si-Schmelze, die Bor in einer allgemeinen Dotierungskonzentration enthält, wie 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ oder mehr, bevorzugt 1 × 10¹⁵ bis 9 × 10¹⁵ Atome/cm³ und besonders bevorzugt 1 × 10¹⁵ bis 3 × 10¹⁵ Atome/cm³. Weiterhin kann die nicht Bor-dotierte Si-Schmelze ein anderes Dotierungsmittel als Bor, wie Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb), in der gleichen Menge wie für Bor oben genannt enthalten.

Beispiele

Es werden nun Beispiele der vorliegenden Erfindung, die auf den CZ-Prozeß angewendet wird, beschrieben. Jedoch sollte angemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung ebenfalls auf den FZ-Prozeß angewendet werden kann.

Ein Si-Einkristall wurde aus einer Si-Schmelze unter Verwendung eines Impfkristalls aus einem Bor-dotierten, versetzungsfreien Einkristall gemäß dem CZ-Prozeß hergestellt. Jedoch wurde das Einschnürungsverfahren nicht durchgeführt. Sowohl im Impfkristall als auch im gezüchteten Kristall erzeugte Versetzungen wurden mit dem Röntgen- Topographieverfahren für unterschiedliche Kombinationen der Bor-Konzentration im Impfkristall und der ursprünglichen Bor- Konzentration in der Si-Schmelze beobachtet. Die Kristallherstellungsbedingungen und die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt.

In obiger Tabelle 1 wurde die nicht Bor-dotierte Si-Schmelze in Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 3 verwendet. In Beispiel 12 wurde eine Si-Schmelze verwendet, die P mit 5 × 10¹⁵ Atomen/cm³ anstelle von Bor enthielt.

Tabelle 1 zeigt, daß in jedem Beispiel aufgrund von Wärmeschock keine Versetzung im Impfkristall und aufgrund des Gitterfehlers keine Versetzung im gezüchteten Kristall erzeugt wurde. Somit wurde gezeigt, daß versetzungsfreie Kristalle erfolgreich erfindungsgemäß ohne das Einschnürungsverfahren gezüchtet werden können. Andererseits wurden in den Vergleichsbeispielen Versetzungen in wenigstens einem aus dem Impf- und gezüchteten Kristall erzeugt, so daß der versetzungsfreie Kristall nicht erhalten wurde.

Die Ergebnisse der in Tabelle 1 aufgeführten Beispiele 1 bis 9 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 sind in Fig. 1 zusammengefaßt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, kann der versetzungsfreie Si-Einkristall ohne das Einschnürungsverfahren innerhalb des Bor- Konzentrationsbereichs der gestrichelten Region des Impfkristalls und der Siliciumschmelze (inklusive des nicht Bor-dotierten Falls) gezüchtet werden.

Fig. 2A bis 2C und 3 sind Beispiele für topographische Röntgenbilder, die Versetzungen zeigen, die im mit dem CZ- Prozeß hergestellten Si-Einkristall erzeugt werden. Fig. 2A ist ein Beispiel für ein topographisches Röntgenbild des mit dem herkömmlichen CZ-Prozeß hergestellten Si-Einkristalls. Fig. 2B, 2C und 3 sind topographische Röntgenbilder des in den oben genannten Vergleichsbeispielen und Beispielen erhaltenen Si-Einkristalls. Fig. 2A bis 2C zeigen einen Teil in der Nähe der Grenze zwischen dem Impfkristall und dem gezüchteten Kristall. Die Grenze wird durch einen in jedem Bild gezeichneten Pfeil angezeigt. Der Teil oberhalb des Pfeils ist der Impfkristall, wohingegen der Teil unterhalb des Pfeils der gezüchtete Kristall ist. Fig. 3 zeigt einen ganzen Kristall. Die oberhalb jedes Bildes angegebene Zahl ist die Bor-Konzentration des Impfkristalls, wohingegen die unterhalb jedes Bildes angegebene Zahl die ursprüngliche Bor- Konzentration der Si-Schmelze ist. Außerdem ist die Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen oberhalb jedes Bildes mit einem Vektor g angegeben.

In der in Fig. 2A gezeigten herkömmlichen Technik werden aufgrund von Wärmeschock zahlreiche Versetzungen im Impfkristall erzeugt und breiten sich in den gezüchteten Kristall aus. Die Versetzungen werden dann im Halsbereich (im unteren Teil der Topographie) entfernt, wodurch der versetzungsfreie Kristall bereitgestellt wird.

Im in Vergleichsbeispiel 3 hergestellten Einkristall (gezeigt in Fig. 2B) wird gefunden, daß keine Versetzungen im Impfkristall erzeugt werden; jedoch werden Fehlversetzungen im gezüchteten Kristall erzeugt.

Im in Beispiel 4 hergestellten Einkristall (gezeigt in Fig. 2C) werden Versetzungen weder im Impfkristall noch im gezüchteten Kristall erzeugt. Es ist ersichtlich, daß der versetzungsfreie Kristall erfolgreich gezüchtet wird.

Es wird ebenfalls durch Fig. 3 des vollständigen Bildes des in Beispiel 1 hergestellten Einkristalls veranschaulicht, daß der versetzungsfreie Einkristall erfindungsgemäß erfolgreich gezüchtet wird.

Wie oben erläutert wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Si-Einkristalls ohne ein Einschnürungsverfahren bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung kann die weiteren Wirkungen wie folgt aufweisen.

1. Ein langer, dünner Halsbereich ist nicht erforderlich, so daß die mechanische Festigkeit des Halsbereichs zunehmen kann. Daher kann ein größerer und schwererer versetzungsfreier Einkristall gebildet werden.
2. Der lange, dünne Halsbereich ist nicht erforderlich, so daß Zeit gespart werden kann, wodurch die Herstellungseffizienz des Kristalls zunehmen kann. Außerdem kann der Teil des Einkristalls, der herkömmlich als Halsbereich verwendet wird, für den gezüchteten Kristall verwendet werden, so daß ein längerer gezüchteter Kristall erhalten werden kann.
3. Ein Fachmann für das Kristallwachstum braucht nicht zu überprüfen, daß der versetzungsfreie Kristall mit dem Einschnürungsverfahren gebildet wird, wie es herkömmlich der Fall ist, so daß der versetzungsfreie Kristall auf einfache Weise selbst durch einen Nicht-Fachmann gebildet werden kann.

Außerdem ermöglicht es die vorliegende Erfindung, den nicht Bor-dotierten, versetzungsfreien Si-Einkristall zu züchten, wodurch er in einer weiten Anzahl von LSI- Herstellungsverfahren einsetzbar ist.

Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden den Fachleuten auf einfache Weise ersichtlich werden. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen spezifischen Einzelheiten und repräsentativen Ausführungsformen beschränkt. Entsprechend können verschiedene Modifikationen gemacht werden, ohne vom Geist oder Umfang des allgemeinen Erfindungskonzepts abzuweichen, wie es durch die anliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silicium-Einkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines aus einem versetzungsfreien Einkristall mit einer Bor-Konzentration von 1 × 10¹⁸ Atomen/cm³ oder mehr gebildeten Silicium- Impfkristalls;
Herstellen einer Siliciumschmelze mit einer Bor- Konzentration, die sich von der des Impfkristalls um 7 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder weniger unterscheidet; und
Inkontaktbringen des Impfkristalls mit der Siliciumschmelze, um den Silicium-Einkristall zu züchten.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Czochralski-Prozeß oder ein Schwebezonen-Prozeß verwendet wird, um den Silicium-Einkristall zu züchten.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Konzentration des Impfkristalls 1 × 10¹⁸ bis 7 × 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Konzentration des Impfkristalls 3 × 10¹⁸ bis 5 × 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschmelze nicht Bor-dotiert ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschmelze wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Phosphor, Arsen und Antimon besteht.