DE4442239A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Einkristallen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus hochreinem Silicium, welche wenig durch thermische Oxidation induzierte Stapelfehler und ei­ ne ausgezeichnete Durchschlagsfestigkeit bzw. dielektrische Festigkeit von Gate-Oxidfilmen aufweisen.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Einkristallen für die Halbleiteranwendung, insbesondere zur Herstellung hochreiner Silicium­ einkristalle bekannt. Einkristalle, welche beispielsweise nach dem Czoch­ ralski-Verfahren hergestellt worden sind, enthalten merkliche Mengen an Sauerstoff, welch er von dem den Tiegel aufbauenden Quarz (SiO₂) zuge­ führt worden ist, sowie die Kristalle durch Hochziehen aus der Silicium­ schmelze in dem Quarztiegel wachsen. Folglich scheinen während dem wiederholten Auftreten von Wärmebehandlungen, welche beim IC- und LSI-Herstellungsverfahren durchgeführt werden, Verschiebungen und Verziehungen vermieden zu werden. Weiterhin bestätigte sich der Effekt einer Getter- bzw. Fangwirkung von Schwermetallverunreinigungen durch die Oxidausfällungen (ein als Inneneinfangung bzw. Innengettern bekanntes Phänomen). Das Czochralski-Verfahren wird daher angesichts dieser Verfahrensvorteile bei der Industriellen Herstellung von Silicium­ einkristallen weit verbreitet verwendet.

Fig. 6 zeigt schematisch den Querschnitt der Vorrichtung bzw. des Zieh­ verfahrens gemäß der Czochralski-Technik, wobei 1 ein Tiegel ist. Der Tie­ gel 1 umfaßt eine Kombination aus einem Quarztiegel 1a auf der Innensei­ te und einem Graphittiegel 1b auf der Außenseite. Ein Heizelement 2 und ein Heizisolator 3 sind außerhalb des Tiegels 1 montiert, in welchem die Schmelze 6 aus dem Material, nämlich dem durch das Heizelement ge­ schmolzenen Beschickungsmaterial für den Kristall, enthalten ist. Ein Impfkristall 4, welcher an der unteren Spitze eines Ziehschafts oder eines Ziehdrahts befestigt ist, wird abgesenkt, bis er mit der Oberfläche der Schmelze 6 in Berührung kommt und dann nach oben gezogen, um einen Einkristall 5 aufwachsen zu lassen, welcher sich aus der Schmelze begin­ nend am unteren Ende des Impfkristalls verfestigt. Diese Teile und Kom­ ponenten sind in einer Kammer enthalten, welche mit einer Wasserkühl­ einrichtung versehen ist, welche sämtlich eine Gesamtvorrichtung zur Herstellung von Einkristallen darstellen.

Während des Verfahrens des Ziehens des Einkristalls 5 strömt hochreines Argongas als Schutzgas vom Zentrum der Unterkammer 8, welche ober­ halb der Kammer 7 angeordnet ist. Dieser Gasstrom drückt Siliciummono­ xid (SiO) heraus, welches von der Oberfläche der Siliciumschmelze 6 ver­ dampft, um durch eine Abzugsöffnung, welche in der Figur nicht gezeigt ist, abgezogen zu werden.

Da der Argongasstrom in der Kammer 7 turbulent und örtlich stagnierend ist, wird Siliciummonoxid an der Decke der Metallkammer 7 Schicht für Schicht oder in Teilchenform abgeschieden. Feine Teilchen oder kleine Blöcke des abgeschiedenen Siliciummonoxids fallen auf die Oberfläche der Schmelze 6 und werden in die Grenzschicht des wachsenden Kristalls eingebaut und verursachen Fehlordnungen in dem Kristall, so daß gele­ gentlich eine Verwerfung des Einkristalls verursacht wird.

Weiterhin kommt es zu Problemen, wie etwa durch Oxidation induzierte Stapelfehler, welche nachfolgend als OSF bezeichnet werden. Diese treten auf, wenn hoch dichte Komponenten eines integrierten Schaltkreises auf einem Siliciumeinkristallsubstrat gebildet werden. Sie neigen dazu, in dem Substrat gebildet zu werden und die Eigenschaften der Komponenten des elektronischen Schaltkreises zu zerstören, und zwar nach Wärmebe­ handlungen bei etwa 1000°C beim Herstellungsverfahren für die Vorrich­ tung. Die Ursachen für OSF sind vermutlich sehr geringe mechanische Spannungen, Keime bzw. Kerne von Punktdefekten, welche bei den Wär­ mebehandlungsverfahren erzeugt werden, oder Verunreinigungen durch Schwermetallelemente, wie Natrium. Das Auftreten von OSF kann unter Kontrolle gehalten werden durch Einstellen der thermischen Vorgeschich­ te beim Abkühlverfahren des gezogenen Einkristalls nach der Kristallver­ festigung.

Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um mit diesen Proble­ men fertigzuwerden, wobei einige nachfolgend genannt werden.

• (1) Ein Einkristall wird hochgezogen, während ein Schutzgas durch ei­ nen Ringraum, welcher in einem konzentrisch den hochgezogenen Einkri­ stall umgebenden Rohr gebildet ist, strömen gelassen wird. Ein Silicium­ einkristallstab wird mit einem Ringspalt von 15 bis 35 mm hinab auf 150 bis 350 mm oberhalb der Oberfläche der Schmelze hochgezogen, durch welchen das Schutzgas mit einem Druck zwischen 1 und 100 Torr zum Führungszylinder mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 800 N Liter/h eingeführt werden kann (siehe US-A 4 097 329).
• (2) Die schematisch in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung deckt teilweise den Tiegel und die darin enthaltene Schmelze ab. Sie besitzt einen oberen fla­ chen, ringförmigen Rand 8a, welcher über den Tiegelrand hinausragt, so­ wie ein Verbindungselement 8b, welches an diesem ringförmigen Rand 8 befestigt ist und sich von seinem inneren Rand konisch nach unten er­ streckt. Das Verbindungselement 8b ist 0,2- bis 1,2-mal so hoch wie die Tiefe des Tiegels 1 (siehe US-A 4 330 362).
• (3) Die schematisch in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung ist mit einem Zylinder 19 versehen, welcher den gezogenen Einkristallstab konzentrisch umgibt. Der Zylinder 19 ist charakteristischerweise mit seinem einen Ende eng mit dem offenen Rand an der Mitte der Abdeckung der Ziehkammer verbun­ den, und das andere Ende hängt nach unten in Richtung der Oberfläche der Schmelze in dem Quarztiegel mit der Manschette 20, welche ausge­ dehnt und nach rückwärts gebogen ist (siehe JP-A 64-65086).

Die obengenannten Verfahren und Vorrichtungen (1) bis (3) haben gewisse Effekte hinsichtlich der Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit des Einkri­ stalls, der Verhinderung des Herabfallens feiner Teilchen aus Siliciummo­ noxid auf die Siliciumschmelze und der Unterdrückung des Auftretens von OSF in dem Kristallsubstrat.

Der exakte Mechanismus der Bildung von Fehlern bzw. Fehlstellen, welche die Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme verschlechtern, ist noch nicht geklärt worden. Während die Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme von der Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalls abhängt, wird sie nicht von der Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls dominiert, findet jedoch ihre Grundlage in der thermischen Vorgeschichte während des Kristallwachs­ tumsprozesses. Während des Wachstums des Einkristalls durch Ziehen werden in dem Kristall Defektkeime erzeugt, welche die Durchschlagsfe­ stigkeit bzw. dielektrische Festigkeit der Oxidfilme verringern. Es ist be­ richtet worden, daß diese Defektkeime bzw. Störstellenkeime bei hoher Temperatur (oberhalb 1250°C) kontrahieren bzw. verschwinden und bei niedriger Temperatur (unterhalb 1100°C) wachsen (siehe 30 P-ZD-17, Ja­ pan Society of Applied Physics Extended Abstracts, the 39th Spring Mee­ ting, 1992).

Beim Verfahren (1) wird Schutzgas in die Ziehzone des Einkristalls einge­ führt, wobei dessen Ausblaseffekt die Ausfällung bzw. Abscheidung von Siliciummonoxid in der Ziehzone verhindert. Jedoch wurden Maßnahmen gegen OSF und hinsichtlich der Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme nicht berücksichtigt. Wie beim Verfahren (1), wurden bei der Vorrichtung (2) OSF oder die Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme nicht berücksich­ tigt. Die Struktur ist derart, daß die Innenhöhe der konischen zylindri­ schen Verbindung 8b so kurz wie 0,2- bis 1,2-mal die Tiegeltiefe ist, so daß der gezogene Kristall direkt der Niedertemperaturatmosphäre der Kammer ausgesetzt wird, sobald er über die Verbindung 8b hinaus hochgezogen wird. Da der gezogene Kristall bei hoher Temperatur durch die große Kühl­ wirkung rasch gekühlt wird, kontrahieren die Defektkeime nicht und die Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme verschlechtert sich.

Bei der Vorrichtung (3) ist ein Ende des Zylinders 19, welches den gezoge­ nen Einkristallstab konzentrisch umgibt, fest mit dem offenen Rand in der Mitte der Decke des Führungszylinders verbunden. Somit wird die Inneno­ berfläche des Zylinders 19 bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur gehalten, wobei durch Leitung an die Mitte der wassergekühlten Decke Wärme abgegeben wird. Daher wird der gezogenen Kristall bei hoher Tem­ peratur durch den Zylinder 19 rasch abgekühlt und die Durchschlagsfe­ stigkeit der Oxidfilme verschlechtert sich.

Daher weisen die herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung von Ein­ kristallen Probleme dahingehend auf, daß sie nicht geeignet sind, die Er­ zeugung von OSF zu unterdrücken und Kristalle mit ausgezeichneter Durchschlagsfestigkeit der Oxidfilme herzustellen.

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Ziehen und Wachsenlassen von Einkristallen vorzusehen, wodurch es er­ möglicht wird, die Temperaturverteilung in Richtung der Einkristallzie­ hung einzustellen, um die Erzeugung von OSF zu unterdrücken und eine ausgezeichnete Durchschlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme zu erhalten.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung nach An­ spruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 11 erreicht. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zusammenfassend sieht daher die Erfindung (I) eine Vorrichtung zur Her­ stellung von Siliciumeinkristallen und (II) ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen vor, wie nachstehend beschrieben.

• (I) Eine Vorrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, zur Herstellung von Silicium­ einkristallen umfaßt einen Tiegel, welcher eine Schmelze für den zu wach­ senden Einkristall enthält, ein Heizelement zum Erhitzen der Schmelze, einen Ziehschaft zum Hochziehen des zu wachsenden Einkristalls, nach­ dem ein Impfkristall mit der Oberfläche der Schmelze in dem Tiegel in Be­ rührung gebracht worden ist, ein Schutzgas-Einlaßrohr, welches den ge­ zogenen Einkristall umgibt und eine Kammer, welche sämtliche der obigen Einrichtungen enthält, wobei eine wärmebeständige und wärmeisolieren­ de Komponente so installiert ist, daß sie die Ziehzone des Einkristalls um­ gibt und wobei dieser Bestandteil am unteren Teil des Schutzgas-Einlaß­ rohrs installiert ist. Die wärmebeständige und wärmeisolierende Kompo­ nente ist charakteristischerweise zylindrisch oder verengt sich nach un­ ten konisch und ist so installiert, daß sie die Ziehzone des Einkristalls um­ gibt und mit dem unteren Rand des Schutzgas-Einlaßrohrs verbunden ist.
• (II) Ein Einkristall wird durch Hochziehen des Kristalls aus der Schmel­ ze wachsengelassen. Das ursprüngliche Kristallmaterial wird in dem Tie­ gel geschmolzen, welcher durch das Heizelement erhitzt wird. Die wärme­ beständige und wärmeisolierende Komponente ist um den gewachsenen Einkristall herum installiert. Sie wird oberhalb der Schmelze und unter­ halb des Schutzgas-Einlaßrohrs fixiert. Der aufgewachsene Einkristall wird charakteristischerweise mit einem geringen durchschnittlichen Temperaturgradienten bei hoher Temperatur gehalten. Später wird der Temperaturgradient bei niedriger Temperatur erhöht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zei­ gen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung gemäß der Er­ findung;

Fig. 2 wie die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente an dem Schutzgas-Einlaßrohr befestigt wird, wobei Fig. 2a ein Längsschnitt und Fig. 2b ein Horizontalschnitt ist;

Fig. 3 eine weitere Ausführung der Befestigung der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente an dem Schutzgas-Einlaßrohr;

Fig. 4 die Darstellung eines Längsschnitts eines Beispiels einer herkömm­ lichen Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen;

Fig. 5 eine Darstellung eines Längsschnitts eines weiteren Beispiels einer herkömmlichen Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen; und

Fig. 6 eine Darstellung eines schematischen Querschnitts eines Verfah­ rens zur Herstellung eines Einkristalls gemäß dem Czochralski-Verfah­ ren.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben im einzelnen die Maßnah­ men des Einstellens der thermischen Vorgeschichte und des Temperatur­ gradienten des Einkristalls während des Kristallwachstums durch Hoch­ ziehen des Kristalls untersucht, um die Vorrichtung zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls zu vervollständigen, welcher ausgezeichnete Durch­ schlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme aufweist und geringe OSF-Bildung zeigt, wobei die folgenden Erkenntnisse erlangt wurden:

• (A) Die Herstellung von Siliciumeinkristallen mit ausgezeichneter Durchschlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme ist durchführbar durch Ein­ stellen der thermischen Vorgeschichte, um bei hoher Temperatur langsam zu kühlen, so daß die Defektkeime schrumpfen und verschwinden, das hießt durch Einstellen der Kühlung des Kristalls von seiner Verfestigung­ stemperatur, so daß der Temperaturgradient in dem Kristall bei hoher Temperatur (oberhalb 1250°C) klein sein kann.
• (B) Es ist möglich, Siliciumeinkristalle mit geringer OSF-Bildung zu er­ halten durch Einstellen der thermischen Vorgeschichte, indem bei einem niedrigen Temperaturbereich zwischen 900 und 1100°C rasch gekühlt wird.

Um Einkristalle mit geringer OSF-Bildung und ausgezeichneter Durch­ schlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme zu erhalten, ist es daher erforderlich, daß ein kleiner Temperaturgradient im Hochtemperaturbereich (oberhalb 1250°C) und dann ein großer Temperaturgradient im Niedertemperatur­ bereich (zwischen 900 und 1100°C) beim Verfahren des Hochziehens des Einkristalls verwirklicht wird.

• (C) Der Temperaturgradient in Zugrichtung des Kristalls steht in engem Zusammenhang mit der Innenoberflächentemperatur der wärmbeständi­ gen und wärmeisoilerenden Komponente und des Schutzgas-Einlaßrohrs.

Wenn die Innenoberflächentemperatur der wärmebeständigen und wär­ meisolierenden Komponente und des Schutzgas-Einlaßrohrs niedrig ist, ist der Temperaturgradient des gezogenen Kristalls erhöht, und wenn de­ ren Temperatur hoch ist, ist der Temperaturgradient verringert.

Die Erfindung beruht auf den obengenannten Erkenntnissen. Nachfol­ gend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht einen Längsschnitt einer Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung. Der Tiegel ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet und besitzt eine Doppelstruktur mit einem innenseitigen Quarztiegel 1a und einem außenseitigen Graphittiegel 1b. Der Tiegel ist auf einem Tiegel­ schaft 1c angeordnet, welcher sowohl gedreht als auch angehoben werden kann.

Die Kammer 7 In Fig. 1 ist eine zylindrische Vakuumkammer, welche einen Ziehschaft für den Einkristall entlang ihrer Mittellinie und den Tiegel 1 in ihrer Mitte besitzt. Das Heizelement 2 und der Wärmeisolator 3 sind so an­ geordnet, daß sie den Tiegel 1 umgeben. Der Ziehschaft geht frei schwe­ bend durch die wassergekühlte Unterkammer 8 hindurch und kann so­ wohl gedreht als auch angehoben werden. Ein Impfkristall 4 ist an dessen unteren Ende festgehalten, wo ein gezogener Kristall 5 an dessen Grenzflä­ che mit der Schmelze 6 aufwächst, und wird gedreht und angehoben.

Ein Schutzgas-Einlaßrohr 9, welches angehoben werden kann, ist so an­ geordnet, daß es den gezogenen Kristall in der Unterkammer 8 umgibt, wo­ bei hochreines Argongas als Schutzgas in die Ziehzone während des Zie­ hens des Kristalls eingeführt wird, um eine Ausfällung bzw. Abscheidung von Siliciummonoxid zu verhindern.

Eine zylindrische, wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 ist ebenfalls so installiert, daß sie die Ziehzone des Einkristalls umgibt und ist mit den Halterungskomponenten koaxial zum Ziehschaft unter­ halb des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 und oberhalb der Schmelze 6 in dem Tiegel aufgehängt.

Fig. 2 zeigt, wie die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 mit den Halterungskomponenten 10a und 10b aufgehängt ist. Fig. 2(a) Ist ein Vertikalschnitt, um zu zeigen, wie die Halterungskomponenten 10a und 10b agieren, und Fig. 2b ist die Ansicht in Richtung A-A im Horizontal­ schnitt. Es sind vier Halterungskomponenten 10a und 10b in Abständen von 90° unterhalb des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 installiert, wobei die Hal­ terungskomponenten 10a und 10b das obere Ende der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente 10 mit dem Befestigungsbolzen 10c befestigen. Die Länge der Halterungskomponenten 10a ist bezüglich des Außendurchmessers des Schutzgas- Einlaßrohrs 9 konstant, jedoch kann die Länge der Halterungskomponenten 10b (L in Fig. 2) durch Auswahl aus verschiedenen Arten von Halterungskomponenten 10b variiert werden.

Die Höhe der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente 10 oberhalb der Schmelze 6 und die Lücke zwischen dem unteren Ende der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente 10 und der Ober­ fläche der Schmelze 6 kann durch Wählen der Länge der Halterungskom­ ponenten 10b und mittels des Hebemechanismus des Schutzgas-Einlaß­ rohrs 9 eingestellt werden. Dies erlaubt eine geeignete Einstellung der thermischen Vorgeschichte des gezogenen Einkristalls. Die Anzahl an Hal­ terungskomponenten 10a ist nicht wie oben auf vier beschränkt, sondern kann beispielsweise ebenso 3 oder 6 betragen. Weiterhin ist deren Quer­ schnitt nicht notwendigerweise auf eine quadratische oder runde Form, wie gezeigt, beschränkt.

Fig. 3 ist ein anderer Vertikalschnitt zur Veranschaulichung der Halte­ rung der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente 10. Fig. 3 zeigt, daß die Halterungskomponenten 10a und 10b nicht nur am Boden des Schutzgas-Einlaßrohrs 9, sondern ebenso an der Seite des Schutzgas- Einlaßrohrs 9 installiert werden können, wobei dann die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 mit dem unteren Teil des Schutz­ gas-Elnlaßrohrs 9 über die Halterungskomponenten 10a und 10b verbun­ den werden kann.

Die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 ist vorzugs­ weise aus Graphit hergestellt. Ihre Form ist entweder zylindrisch oder zy­ lindrisch mit Verengung nach unten, und ihre Oberfläche sollte vorzugs­ weise mit Siliciumcarbid beschichtet sein. Es ist hochreines Graphitmate­ rial verfügbar, so daß eine Verunreinigung des gezogenen Kristalls mit Schwermetallelementen vermieden werden kann, wenn die Komponente 10 aus Graphit hergestellt ist. Ihre Oberfläche ist vorzugsweise mit Silici­ umcarbid beschichtet, was sowohl die Freisetzung von Gas aus den Poren der Graphitkomponente als auch die Umsetzung von verdampftem Silici­ ummonoxid aus der Schmelze 6 mit der Graphitkomponente verhindert.

In einer Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen wie dieser wird die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls durch den Temperaturgradienten in dessen Axialrichtung beeinflußt. Wenn der Temperaturgradient an der Grenzfläche zwischen dem wachsenden Feststoff und der Schmelze des ge­ zogenen Kristalls 5 erhöht wird, kann die Ziehgeschwindigkeit gesteigert werden. Der Temperaturgradient an der Grenzfläche zwischen dem wach­ senden Feststoff und der Schmelze in der Ziehrichtung wird durch dT/dX angegeben, worin die Kristalltemperatur T ist und dessen Länge in der Ziehrichtung X ist. Die maximale Ziehgeschwindigkeit des Kristalls Vmax kann durch eine Funktion des Temperaturgradienten dT/dX wie nachste­ hend angegeben werden:

Vmax = (k/hp)dT/dX

worin bedeuten:

k: die Wärmeleitzahl (bzw. Wärmeleitfähigkeitskoeffizient)
h: die Schmelzwärme und
p: die Dichte des Kristalls

Es ist klar ersichtlich, daß mit Zunahme des Temperaturgradienten dT/dX die Zuggeschwindigkeit zunimmt.

Folglich ist es notwendig, den Temperaturgradienten des gezogenen Kri­ stalls in geeigneter Weise einzustellen, um Einkristalle zu erzeugen, wel­ che geringe OSF-Entwicklung sowie eine ausgezeichnete Durchschlagsfe­ stigkeit der Gate-Oxidfilme zeigen ohne Produktivitätsverlust beim Ziehen des Kristalls, das heißt unter Aufrechterhaltung einer hohen Ziehge­ schwindigkeit.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Schutzgas-Einlaßrohr 9 eng mit der wassergekühlten Unterkammer 8 verbunden, und die Inneno­ berfläche des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 wird durch Wärmeabgabe auf­ grund von Wärmeleitung der Unterkammer bei einer niedrigen Tempera­ tur gehalten. Die Wärmeabgabe von der wärmeisolierenden und wärmebe­ ständigen Komponente 10 an das Schutzgas-Einlaßrohr 9 durch Wärme­ leitung ist gering, da die wärmebeständige und wärmeisolierende Kompo­ nente 10 durch die Halterungskomponente durch das Seitenende am un­ teren Teil des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 gehalten wird. Weiterhin erhält die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 viel Strahlungs­ wärme von der Schmelze 6 und dem Heizelement 2, wobei ihre Innenober­ fläche bei hoher Temperatur gehalten wird, im Vergleich mit der Inneno­ berfläche des Schutzgas-Einlaßrohrs 9.

Wenn das Kristallziehen in einer Vorrichtung wie dieser durchgeführt wird, wird der Temperaturgradient bei hoher Temperatur des gezogenen Kristalls kurz nach seiner Verfestigung in der wärmeisolierenden und wär­ mebeständigen Komponente 10 klein gehalten und der Temperaturgra­ dient im Schutzgas-Einlaßrohr 9 bei niedriger Temperatur wird so einge­ stellt, daß er groß ist. Folglich wird die Herstellung von Einkristallen mit geringer Entwicklung von OSF und ausgezeichneter Durchschlagsfestig­ keit von Gate-Oxidfilmen möglich, indem eine thermische Vorgeschichte des raschen Kühlens bei niedriger Temperatur nach dem langsamen Küh­ len bei hoher Temperatur während des Ziehverfahrens vorgesehen wird.

Beispiele

In der schematischen Zeichnung gemäß Fig. 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der Innendurchmesser des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 200 mm und die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 Ist ein abgestumpfter Kegel mit 250 mm Höhe, einem oberen Innendurch­ messer von 440 mm und einem unteren Innendurchmesser von 200 mm. Die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente 10 ist mit dem unteren Ende des Schutzgas-Einlaßrohrs 9 verbunden, und wird mittels den Halterungskomponenten 10a und 10b mit einem Abstand von 40 mm zwischen dem Boden der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Kom­ ponente 10 und der Oberfläche der Schmelze 6 gehalten. Die wärmebe­ ständige und wärmeisolierende Komponente 10 ist aus Graphit hergestellt und ihre Oberfläche ist mit Siliciumcarbid beschichtet.

Der gezogene Einkristall ist ein Siliciumeinkristall mit 152 mm (6 inch) Durchmesser. Es wird ein Quarztiegel mit einem Durchmesser von 406 mm (16 inch) verwendet. Die Argongas-Strömungsgeschwindigkeit in die Metallkammer beträgt 60 l/min. Die Kristallziehgeschwindigkeit beträgt 1,0 mm/min und die gezogene Stablänge beträgt 900 mm.

Unter zwei anderen Bedingungen aufgewachsene Kristalle wurden zum Vergleich geprüft. Eine Vergleichsvorrichtung [1] wurde nur mit dem Schutzgas-Einlaßrohr 9 mit einem Abstand von 290 mm zwischen seinem unteren Ende und der Oberfläche der Schmelze ausgestattet. Die wärme­ beständige und wärmeisolierende Komponente 10 für das Kristallziehen wurde nicht eingesetzt. Die schematische Darstellung des Vergleichs [2] Ist in Fig. 4 veranschaulicht. Sie wurde lediglich mit der wärmbeständigen und wärmeisolierenden Komponente 10 ausgestattet, deren Höhe 280 mm (1, 1 mal so hoch wie der Tiegel) betrug, wobei sämtliche anderen Vorgaben gleich der erfindungsgemäßen Vorrichtung waren.

Der Temperaturgradient in dem Kristall während des Ziehverfahrens wur­ de durch Einsetzen eines Thermoelements in den Einkristall 5 bestimmt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 hinsichtlich den Temperaturgradienten bei hoher Temperatur (etwa 1300°C) und bei niedriger Temperatur (etwa 1000°C) gezeigt.

Tabelle 1

Es ist jeweils der Durchschnitt der Messungen bei 3 gezogenen Stäben an­ gegeben

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß der in den erfindungsgemäß gezogenen Einkristallen bestimmte Temperaturgradient bei hoher Temperatur klei­ ner und bei niedriger Temperatur größer ist, verglichen mit den Ergebnis­ sen bei den Vergleichen.

Weiterhin wurden gezogene Einkristalle hinsichtlich des Ausbeutever­ hältnisses an fehlstellenfreien Einkristallen, des OSF-Akzeptanzverhält­ nisses und des Akzeptanzverhältnisses bezüglich der Durchschlagsfestig­ keit der Gate-Oxidfilme bewertet. Das Ausbeuteverhältnis der fehlstellen­ freien Einkristalle gibt das Verhältnis des Gewichts der fehlstellenfreien Einkristalle nach Ausscheidung der Teile, welche Fehlstellen enthalten, zu dem Gewicht des eingesetzten, ursprünglichen polykristallinen Materi­ als an. Das OSF-Akzeptanzverhältnis Ist das Verhältnis der Anzahl an Wa­ fer mit akzeptierbarem OSF zu der Gesamtanzahl der Wafer, welche unter den Kriterien hergestellt wurden, daß die Akzeptanz geringer ist als die Standardanzahl an OSF-Defekten (10/cm²) nach dem Schneiden der Sili­ ciumwafer, Aussetzen einer Wärmebehandlung bei 780°C während 3 h und bei 1000°C während 16 h, und dem selektiven Ätzen. Das Akzeptanzver­ hältnis der Durchschlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme ist definiert durch ein Spannungsanstiegsverfahren mit einer Gate-Elektrode, bestehend aus einem mit Phosphor (P) dotierten polykristallinen Silicium mit einem 250 Å dicken Trockenoxidfilm und einer Fläche von 8 mm². Das Kriterium für die Akzeptanz war die Fähigkeit, einer Durchschlagsfestigkeit ober­ halb des Standardwerts (8 MV/cm des mittleren elektrischen Felds) vor ei­ ner Lawine standzuhalten. Das Ergebnis ist angegeben durch das Verhält­ nis der Anzahl akzeptierbarer Wafer zu der Anzahl geprüfter Wafer. Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Es ist jeweils ein Meßdurchschnitt von 12 gezogenen Stäben angegeben

Es ist zu ersehen, daß mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung herge­ stellte Siliciumeinkristalle bei sämtlichen Prüfungen bessere Ergebnisse zeigen als die Einkristalle der Vergleichsvorrichtungen, und daß sie insbe­ sondere eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Durchschlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme zeigen.

Wie an obiger Stelle erläutert, sind die Vorrichtung und das Verfahren ge­ mäß der Erfindung zur Herstellung von Einkristallen charakterisiert durch eine Einfachheit in der Struktur und eine Leichtigkeit bei der Hand­ habung. Weiterhin kann der Temperaturgradient in dem gezogenen Ein­ kristall entlang der Ziehrichtung in angemessener Weise eingestellt wer­ den. Daher können durch Verwendung der Vorrichtung und des Verfah­ rens gemäß der Erfindung die Verhinderung von OSF-Defekten In den Ein­ kristallsubstraten und eine Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit der Gate-Oxidfilme erzielt werden ohne Produktivitätsverlust der Einkristal­ le.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen, umfassend einen Tie­ gel (1), welcher eine Schmelze (6) für den zu wachsenden Einkristall (5) enthält, ein Heizelement (2) zum Erhitzen der Schmelze, einen Ziehschaft zum Hochziehen des zu wachsenden Einkristalls, nachdem ein Impfkri­ stall (4) mit der Oberfläche der Schmelze in dem Tiegel in Berührung ge­ bracht worden ist, ein Schutzgas-Einlaßrohr (9), welches den gezogenen Einkristall umgibt und eine Kammer (7, 8), welche sämtliche der obigen Einrichtungen enthält, wobei eine wärmebeständige und wärmeisolieren­ de Komponente (10) so installiert ist, daß sie die Ziehzone des Einkristalls umgibt und wobei diese Komponente (10) am unteren Teil des Schutzgas- Einlaßrohrs (9) installiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente (10) zylindrisch ist oder sich konisch nach unten verengt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente (10) aus Graphit hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche der wärmebeständigen und wärmeiso­ lierenden Komponente (10) mit Siliciumcarbid beschichtet ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kammer (7, 8) wassergekühlt ist und daß das Schutzgas-Einlaßrohr (9) eng mit ihrer Innenoberfläche verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas-Einlaßrohr (9) mit einem Hebemechanismus versehen ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wärmebeständige und wärmeisolierende Kompo­ nente (10) am unteren Ende oder auf der unteren Seite des Schutzgas-Ein­ laßrohrs (9) mittels Halterungskomponenten (10a, 10b, 10c) installiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagelänge der Halterungskomponenten (10a, 10b, 10c), welche die wärmbeständige und wärmeisolierende Komponente (10) und das Schutz­ gas-Einlaßrohr (9) halten, variabel ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit von Argon, welches durch das Schutzgas-Einlaßrohr (9) eingeblasen wird, konstant ist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Siliciumeinkristalle hergestellt werden.

11. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen durch Hochziehen des Einkristalls aus einer Schmelze des Materials für den Einkristall in einem Tiegel, welcher außerhalb von einem Heizelement umgeben ist, durch eine wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente, welche mit dem un­ teren Teil eines Schutzgas-Einlaßrohrs oberhalb der Schmelze verbunden ist, wobei der Temperaturgradient auf dem gewachsenen Einkristall klein gehalten wird, während sich dieser noch bei hoher Temperatur befindet, und wobei der Temperaturgradient auf dem Einkristall erhöht wird, wäh­ rend er sich bei niedriger Temperatur befindet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein ho­ her Temperaturbereich zwischen 1350 und 1250°C und ein niedriger Tem­ peraturbereich zwischen 1100 und 900°C vorliegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische oder nach unten sich konisch verengende zylindri­ scher, wärmebeständige und wärmeisolierende Komponente eingesetzt wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmebeständige und wärmeisolierende Kom­ ponente aus Graphitmaterial verwendet wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmebeständige und wärmeisolierende Kom­ ponente verwendet wird, deren Oberfläche mit Siliciumcarbid beschichtet ist.

16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas-Einlaßrohr eng mit der Innenober­ fläche einer wassergekühlten Kammer verbunden ist.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige und wärmeisolierende Be­ standteil am unteren Ende oder auf der unteren Seite des Schutzgas-Ein­ laßrohrs mittels Halterungskomponenten installiert ist.

18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzgas-Einlaßrohr, welches mit einem He­ bemechanismus versehen ist, oder eine wärmebeständige und wärmeiso­ lierende Komponente und ein Schutzgas-Einlaßrohr worin die Montage­ länge der Halterungskomponenten, welche die wärmebeständige und wär­ meisolierende Komponente und das Schutzgas-Einlaßrohr halten, varia­ bel ist oder eine Kombination davon verwendet wird, um die Einstellung der Installierungsposition der wärmebeständigen und wärmeisolierenden Komponente durchführbar zu machen.

19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit von Argon, welches durch das Schutzgas-Einlaßrohr eingeblasen wird, konstant gehalten wird.

20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11-19, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumeinkristalle hergestellt werden.