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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Vergrößern der Sauerstoffkonzentration eines mit Antimon
dotierten Silizium-Einkristalls, der für ein Substrat mit
einer niedrigen Widerstandsfähigkeit bei der Herstellung
von epitaxialen Silizium-Wafern des n/n&spplus;-Typs verwendet
wird, insbesondere von Silizium-Einkristallen, die reich
mit Antimon dotiert sind und eine Widerstandsfähigkeit von
0.1 Ohm Zentimeter oder weniger haben.
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In den vergangenen Jahren wurden vielfach mit Antimon
dotierte Silizium-Einkristall-Substrate als ein Substrat
des n-Typs für epitaxiale Wafer verwendet, die zu
Halbleitergeräten verarbeitet werden. Ein mit Antimon dotierter
Silizium-Einkristall, insbesondere ein Silizium-Einkristall
niedriger Widerstandsfähigkeit, der reich mit Antimon
dotiert ist, hat jedoch eine zu niedrige
Sauerstoffkonzentration, um eine eigene Getterungswirkung zu bewirken. Dies
hat zu einem ernsthaftes Problem für die Verbesserung des
Verhaltens und der Ausbeute bei der Herstellung von
Halbleitergeräten von epitaxialen Wafern unter Verwendung eines
solchen Einkristall-Substrats geführt.
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Die Ursache, warum ein mit Antimon dotierter Silizium-
Einkristall eine niedrigere Sauerstoffkonzentration hat,
wird im folgenden gesehen. Die Reaktion zwischen einm
Quarz-Schmelztiegel und einer Siliziumschmelze bewirkt die
Erzeugung eines großen Anteils an flüchtigen Siliziumoxiden
(SiOx). Die Siliziumoxide bilden eine Diffusionsschicht auf
der Oberfläche der Siliziumschmelze. Die Siliziumoxide
werden in die Siliziumschmelze mit einer hohen Konzentration
gelöst und kollidieren mit den Antimonatomen und den
Antimonoxiden. Die Kollision läßt die Siliziumoxide leicht
wegverdampfen durch die Diffusionsschicht hindurch, wenn ein
reduzierter Druck in dem Ofenraum vorgesehen ist. Eine
Fortsetzung dieses Zustandes bewirkt eine Verringerung der
Sauerstoffkonzentration der Siliziumschmelze, sodaß sich
eine verringerte Sauerstoffkonzentration des gezogenen
Silizium-Einkristallstabes ergibt.
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Die Sauerstoffkonzentration des mit Antimon dotierten
Silizium-Einkristalls ist vorzugsweise in dem Bereich von
16 bis 22 ppma (Atomteile pro Million). Es war unmöglich,
in diesem Konzentrationsbereich einen Silizium-Einkristall
unter herkömmlichen Betriebsbedingungen zu erhalten. Der
Druck innerhalb der herkömmlichen Öfen war höchstens 15
Millibar (1mbar = 100 Pa). Es war daher unmöglich, einen
mit Antimon dotierten Silizium-Einkristall von 16 ppma und
mehr der Sauerstoffkonzentration zu erhalten.
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Um Antimon an einer Verdampfung unter verringerten Drücken
innerhalb des Ofens zu hindern, ist ein Verfahren bekannt,
bei welchem der Druck innerhalb des Ofens innerhalb des
Bereichs von 40 bis 100 Torr, also 53 bis 133 Millibar,
beibehalten wird (Japanische Offenlegungsschrift No. 62-292691).
Dieser Druckbereich verhindert sicher die Verdampfung von
Antimon aus der Schmelze. Wenn jedoch ein
Silizium-Einkristall unter dieser Bedingung gezogen wird, verursacht
der niedrige Abscheidungskoeffizient von Antimon eine
enorme Konzentration des Materials in der Siliziumschmelze.
Die Konzentration von Antimon in dem Einkristall wird in
nachteiliger Weise zunehmend höher gegen die Ziehrichtung
des Stabes. Unter diesen Bedingungen besteht außerdem die
Neigung zur Erzeugung von Kristalldefekten mit dem Ergebnis,
daß die Kristallisierung nicht vorteilhaft vorangetrieben
werden kann während des einen gesamten Betriebs eines
Ziehungszyklus.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde mit Rücksicht auf die
vorstehend erwähnten Nachteile der herkömmlichen
Technologien angestellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Züchten eines Silizium-Einkristalls
bereitzustellen, bei welchem die Verdampfung der Siliziumoxide und
des Antimons sowie auch der Antimonoxide in einer Antimon
enthaltenden Siliziumschmelze derart gesteuert wird, daß
der mit Antimon dotierte Silizium-Einkristall eine
Antimonkonzentration von 6 x 10¹&sup8; Atomen/cm³ und mehr hat und die
Konzentration in axialer Richtung gleichmäßig gemacht
werden kann, während der Silizium-Einkristall gezüchtet
werden kann, um eine gesteuerte Höhe der
Sauerstoffkonzentration zu erhalten.
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Um die vorstehende Aufgabe zu realisieren, wird in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung der Druck des
atmosphärischen Gases innerhalb des Ofens auf einem Bereich
von 10 bis 50 Millibar eingestellt und daneben die Drehung
je Minute des Quarz-Schmelztiegels auf eine konstante Rate
eingestellt oder auf eine Drehungsrate, die im Verlauf der
Zeit kontinuierlich wechselt (nachfolgend als Bezugsdrehung
bezogen), wobei beide mit 5 U/min oder mehr gewählt werden,
sodaß die Konzentrationshöhe des Antimons in dem mit Antimon
dotierten gezogenen Silizium-Einkristall 6 x 10¹&sup8; Atome/cm³
oder mehr sein kann, wenn ein mit Antimon dotierter
Einkristall-Siliziumstab von einer mit Antimon reich dotierten
Siliziumschmelze in einem Quarz-Schmelztiegel in einem
atmosphärischen Inertgas gezogen wird. Die Drehungsrate des
Quarz-Schmelztiegels wird bspw. allmählich erhöht mit dem
Fortgang des Ziehens. Alternativ wird ein impulsähnlicher
Wechsel bei der Drehungsrate des Quarz-Schmelztiegels dem
kontinuierlichen Wechsel der Schmelztiegel-Drehungsrate mit
dem Verlauf der Zeit überlagert. Diese Änderungen werden
automatisch durch Programme in Übereinstimmung mit der
gezogenen Lange oder mit der Ziehzeit des Einkristalls
realisiert. Bspw. wird ein impulsähnlicher Wechsel der
Drehungsrate einer Bezugsdrehungsrate überlagert. Der
Zyklus des impulsähnlichen Wechsels wird kontinuierlich
verkürzt in Übereinstimmung mit der gezogenen Länge des
Kristalls oder mit dem Verlauf der Zeit des Ziehens.
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Übermäßige Drücke des atmosphärischen Inertgases oberhalb
der oberen Grenze des eingestellten Bereichs ergeben eine
übermäßige Konzentration des in der Siliziumschmelze
enthaltenen Antimons, mit dem Ergebnis, daß die Kristallinität
des Einkristalls durcheinander kommt. Im Gegensatz dazu
fördern Drücke unterhalb der unteren Grenze die Verdampfung
des Antimons in der Schmelze, sodaß der Antimon in der
Schmelze zu einer zu geringen Menge reduziert wird. Als ein
Ergebnis kann die Konzentration des Antimons in dem
gezogenen Einkristall nicht die Höhe von 6 x 10¹&sup8; Atomen/cm³
erreichen. Es ist auch nicht möglich, daß der gezogene
Einkristall eine genügend niedrige Widerstandsfähigkeit hat
für die Herstellung eines Einkristall-Substrats für
epitaxiale Wafers. Wenn die Drücke des atmosphärischen
Inertgases kleiner sind als die untere Grenze, dann kann der
gezogene Einkristall auch nicht die minimale
Sauerstoffkonzentration von 12 ppma erreichen, die gefordert wird, um
die eigenständige Getterungswirkung zu bewirken, selbst
wenn die Drehungsrate des Quarz-Schmelztiegels durch die
Überlagerung einer impulsähnlichen Änderung der Drehungsrate
über eine Bezugsdrehungsrate wie vorerwähnt gesteuert wird.
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Eine Bezugsdrehungsrate von 5 U/min des Quarz-Schmelztiegels
reicht aus für die vorerwähnte Höhe der
Sauerstoffkonzentration von 12 ppma, ohne daß die zusätzliche Überlagerung der
impulsähnlichen Änderung der Drehungsrate erforderlich ist.
Die Überlagerung einer impulsähnlichen Änderung der
Drehungsrate erhöht jedoch die Höhe der Sauerstoffkonzentration.
Entweder eine Erhöhung der Bezugsdrehungsrate in
Übereinstimmung mit der gezogenen Länge oder eine impulsähnliche
Änderung der Drehungsrate, die der Bezugsdrehungsrate
überlagert ist in Begleitung der Verlängerung des Intervals
zwischen den Impulsen in Übereinstimmung mit der gezogenen
Länge, ermöglicht eine Vergleichmäßigung der axialen
Sauerstoffkonzentration mit dem Ergebnis, daß eine Veränderung
der Konzentration auf weniger als 10 % gesteuert werden
kann.
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Eine impulsähnliche Änderung der Drehungsrate des Quarz-
Schmelztiegels, welche einer Bezugsdrehungsrate überlagert
wird, fördert auch die gleichmäßige radiale Verteilung der
Sauerstoffkonzentration des gezogenen Einkristalls. Die
radiale Veränderung beträgt zwischen 15 und 30 % in dem
Fall der Abwesenheit der impulsähnlichen Änderung der
Drehungsrate des Quarz-Schmelztiegels, während die
Überlagerung die Wirkung einer Verringerung der radialen
Veränderung bis hin zu dem Bereich zwischen 5 und 10 % ergibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Grafik, welche die Sauerstoffkonzentration
eines Einkristall-Siliziumstabes zeigt, der von de
Ausführungsformen 1 bis 3 und dem
Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurde.
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Fig. 2 ist eine Grafik, die schematisch den Wechsel der
Drehung des Schmelztiegels bei der Ausführungsform 4
über der Zeit als Abszisse zeigt.
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Fig. 3 ist eine Grafik, welche die axiale
Sauerstoffkonzentration des Einkristall-Siliziumstabes zeigt, der
von der Ausführungsform 4 erhalten wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf
die bevorzugten Ausführungsformen wie folgt beschrieben:
Ausführungsform 1
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35 kg polykristallines Silizium wurde in einen Quarz-
Schmelztiegel 14 mit einem Innendurchmesser von 14 Inches
(35,56 cm) eingebracht. Eine Hauptkammer wurde evakuiert,
um in sie ein Inertgas (Argon) einzuführen. Die
Strömungsrate des Gases betrug zu diesem Zeitpunkt 50 Liter je
Minute. Der Gasdruck war 50 Millibar und die Drehung des
Quarz-Schmelztiegels betrug 5 U/min. Das polykristalline
Material wurde in dem Quarz-Schmelztiegel durch ein
Heizgerät geschmolzen. In das geschmolzene Silizium wurden
Antimon-Pellets von 200 g eingegeben. Ein Impfkristall
wurde an den unteren Punkt einer Ziehachse gebracht, die
abgesenkt wurde, damit der Impfkristall mit der
Siliziumschmelze in Berührung kam. Die Achse wurde dann langsam
nach oben bewegt, um einen Einkristall-Siliziumstab mit
einem Durchmesser von 6 Inches (15,24 cm) und einer Länge
von 60 cm erhalten. Die axiale Sauerstoffkonzentration des
Einkristall-Siliziumstabes wurde gemessen, wobei das
Ergebnis in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Fig. 1 zeigt, daß der so
erhaltene Einkristall-Stab eine Sauerstoffkonzentration von
12 ppma (gemäß der Norm JEIDA - Japan Electronic Industry
Development Association) und mehr über die gesamte Länge
des Stabes hatte. Dies bedeutet, daß eine
Sauerstoffkonzentration oberhalb der geforderten Minimalhöhe erreicht
worden war.
Ausführungsform 2
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Dieselben Vorgänge wie bei der Ausführungsform 1 wurden
durchgeführt mit der Ausnahme, daß der Druck innerhalb der
Hauptkammer auf 30 Millibar eingestellt wurde, um einen
Einkristall-Siliziumstab derselben Größe wie bei der
Ausführungsform 1 zu ziehen. Die axiale Sauerstoffkonzentration
dieses Einkristall-Siliziumstabes wurde gemessen, wobei das
Ergebnis in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 1 zeigt, daß der so
erhaltene Einkristall-Siliziumstab eine
Sauerstoffkonzentration von 12 ppma und mehr über die gesamte Länge des
Stabes hatte. Dies bedeutet, daß eine
Sauerstoffkonzentration oberhalb der geforderten Minimalhöhe erhalten wurde.
Ausführungsform 3
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Dasselbe Vorgehen wie bei der Ausführungsform 1 wurde
durchgeführt mit der Ausnahme, daß der Druck innerhalb der
Hauptkammer auf 15 Millibar eingestellt wurde, um einen
Einkristall-Siliziumstab derselben Größe wie bei der
Ausführungsform 1 zu ziehen. Die axiale Sauerstoffkonzentration
dieses Einkristall-Siliziumstabes wurde gemessen, wobei das
Ergebnis in der Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 1 zeigt, daß der
so erhaltene Einkristall-Siliziumstab eine
Sauerstoffkonzentration von 12 ppma und mehr über die gesamte Länge des
Stabes hatte. Dies bedeutet, daß eine
Sauerstoffkonzentration oberhalb der geforderten Minimalhöhe erhalten wurde.
Vergleichsbeispiel 1
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Dasselbe Vorgehen wie bei der Ausführungsform 1 wurde
durchgeführt mit der Ausnahme, daß der Druck innerhalb der
Hauptkammer auf 8 Millibar eingestellt wurde und weiterhin
die Drehung des Quarz-Schmelztiegels auf 4 U/min eingestellt
wurde, um einen Einkristall-Siliziumstab derselben Größe
wie bei der Ausführungsform 1 zu ziehen. Die axiale
Sauerstoffkonzentration dieses Einkristall-Siliziumstabes wurde
gemessen, wobei das Ergebnis in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 1
zeigt, daß der so erhaltene Einkristall-Siliziumstab eine
Sauerstoffkonzentration von weniger als 12 ppma hatte. Es
bedeutet, daß die geforderte Sauerstoffkonzentration nicht
erhalten werden konnte.
Ausführungsform 4
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Die konstante Bezugsrate der Drehung des
Quarz-Schmelztiegels betrug 7.0 U/min, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Der
Bereich der impulsähnlichen Änderung der Drehungsrate wurde
bei 7 U/min beibehalten (d.h. die höhere Drehungsrate
betrug 14.0 U/min). Die Zeitdauer der Bezugsdrehung zu der
Zeitdauer der höheren Drehung ist 1/1. Dier Zyklus des
impulsähnlichen Wechsels der Drehungsrate des
Quarz-Schmelztiegels wurde für 30 Sekunden über die Länge von 0 bis 20 cm
des Silizium-Einkristalls bei dem Ziehprozeß beibehalten,
für 30 bis 60 Sekunden über die Länge von 20 bis 35 cm und
für 60 Sekunden über die Länge von 35 cm und mehr. Ein
Einkristall-Siliziumstab derselben Größe wie bei der
Ausführungsform
3 wurde durch dasselbe Verfahren erhalten wie
bei der Ausführungsform 3 mit der Ausnahme, daß die
Drehungsrate des Quarz-Schmelztiegels wie vorstehend war. Die
axiale Sauerstoffkonzentration dieses
Einkristall-Siliziumstabes wurde gemessen, wobei das Ergebnis in Fig. 3 gezeigt
ist. Fig. 3 zeigt, daß der so erhaltene
Einkristall-Siliziumstab eine Sauerstoffkonzentration von 12 ppma und mehr über
die gesamte Länge des Stabes hatte. Dies bedeutet, daß eine
Sauerstoffkonzentration oberhalb der geforderten Minimalhöhe
erhalten wurde.
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Wie vorstehend angegeben ist in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung eine Wirkung erzielt worden, daß die
Verdampfung der Siliziumoxide und von Antimon sowie der
Antimonoxide angemessen gesteuert wird, sodaß die
Sauerstoffkonzentration des mit Antimon dotierten
Silizium-Einkristalls auf die geforderte Höhe vergrößert wird.