Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines Si-Einkristalls
von hochstabiler Qualität, welcher als Halbleitermaterial geeignet ist. Das
Czochralski-Verfahren ist ein repräsentatives Verfahren zum Züchten eines Si-Einkristalls aus
einer Schmelze.
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Das Czochralski-Verfahren verwendet einen Tiegel 2, der in einer abgeschlossenen
Kammer 1 bereitgestellt wird, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Tiegel 2 wird von einer
Haltevorrichtung 3 getragen, so daß der Tiegel 2 zur Rotation und/oder vertikalen
Bewegung befähigt ist. Eine Heizvorrichtung 4 und ein Wärmeisolator 5 werden
konzentrisch um den Tiegel 2 angeordnet, um die Schmelze 6 bei einer Temperatur zu
halten, welche zum Züchten eines Si-Einkristalls geeignet ist. Ein Impfkristall 7 wird in
Kontakt mit der Schmelze 6 angeordnet, um einen Si-Einkristall 8 mit einer
Kristallorientierung bzw. Kristallrichtung zu züchten, welche die Orientierung bzw. Richtung
des Impfkristalls 7 annimmt. Der Impfkristall 7 wird über einen Draht 9 von einer
Drehwickelvorrichtung 10 oder einem starren Ziehstab herunterhängen gelassen und
schrittweise abhängig vom Ausmaß des Kristallwachstums nach oben gezogen. Der
Tiegel 2 wird durch eine genaue Rotationsbewegung der Haltevorrichtung 3 auch
abwärts bewegt. Sowohl die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung und der
Rotation der Haltevorrichtung 3 als auch die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung und
der Rotation des Impfkristalls 7 werden in Antwort auf die
Wachstumsgeschwindigkeit des Si-Einkristalls 8, der von der Schmelze 6 nach oben gezogen wird,
kontrolliert bzw. gesteuert.
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Die Einkristallbildung des Kristalls 8, der von der Schmelze 6 nach oben gezogen
wird, wird von der dynamischen Bewegung der Schmelze 6 signifikant beeinflußt.
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Insbesondere Wirbelströme bzw. Wirbelströmungen, welche in der Schmelze 6 um
den Einkristall 8 herum gebildet werden, beeinflussen die Einkristallbildung bzw. die
Kristallisation des Einkristalls am stärksten.
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Andererseits ändert sich die Dichte der Si-Schmelze in einem Temperaturbereich
von 1430ºC oder weniger in einer nicht-linearen Art und Weise, obwohl die
Dichteabweichung oberhalb 1430ºC hinsichtlich der Temperatur der Schmelze linear ist.
Demgemäß ändert sich der Wirbel der Schmelze von einem stabilen Zustand des
Wirbels der Schmelze, wie in Fig. 2 gezeigt, zu einem instabilen Zustand des
Wirbels, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Zustand (wie in Fig. 3 gezeigt), bei dem die
Wirbelströmungen etwas unregelmäßig sind, hat die Wirkung, die Temperaturverteilung der
Schmelze an der Oberfläche auszugleichen bzw. einheitlich zu machen.
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Wenn jedoch ein Dotierungsmittel, welches die Nicht-Linearität der Dichte unterhalb
von 1430ºC unterdrückt und die Dichteabweichung linear hinsichtlich der Temperatur
bewirkt, zu der Schmelze gegeben wird, wird keine starke Änderung hinsichtlich des
Zirkulationszustands der Schmelze festgestellt, aber der Zustand der
Wirbelströmungen wird stabilisiert, wie in Fig. 2 gezeigt. Der stabilisierte Zustand ermöglicht die
Anwesenheit einer Kaltzone, die schädliche Einflüsse auf die Qualität eines
wachsenden Kristalls ausübt. Die Abweichung des Wirbels wird beispielsweise so stark,
daß der unregelmäßige Einschluß eines Dotierungsmittels oder der Einschluß von
Versetzungen in dem Kristall gefördert werden.
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Der stabilisierte Zustand ändert auch die Temperaturverteilung der Schmelze an der
Oberfläche. Der Einkristall, der aus der Schmelze (heraus)gezogen wird, kommt
abwechselnd mit warmen und kalten Zonen der Schmelze in Kontakt, so daß
kristallographische Defekte eingeführt werden, die durch die Temperaturabweichung in dem
wachsenden Kristall hervorgerufen werden.
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Demgemäß wird die Einkristallbildung behindert und ein erhaltener Einkristall weist
schlechte kristallographische Eigenschaften auf.
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Die vorliegende Erfindung wurde bereitgestellt, um die vorstehend erwähnten Nachteile
zu überwinden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Einkristall von stabiler
Qualität aus einer Schmelze zu züchten, die unter der Bedingung gehalten wird, daß
Wirbelströmungen bzw. Wirbelströme an der Oberfläche erzeugt werden, so daß die
Temperaturverteilung der Schmelze in der Nähe des Einkristalls einheitlich
eingestellt werden kann.
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Wenn gemäß der vorliegenden Erfindung ein Si-Einkristall aus einer Schmelze, die
in einem Tiegel erhalten wurde, herausgezogen wird, wird der Zustand von Wirbeln
in der Schmelze durch die Temperaturverteilung an der Oberfläche festgestellt. Die
festgestellten Ergebnisse, welche den stabilen oder instabilen Zustand von Wirbeln
der Schmelze repräsentieren, werden zur Unterscheidung der Qualität des
erhaltenen Einkristalls herangezogen, da der instabile Zustand eines Wirbels bedeutet, daß
der Einkristall mit einer einheitlichen Temperaturverteilung an der Grenzfläche des
Kristallwachstums wächst, während der stabile Zustand eines Wirbels bedeutet, daß
eine Einkristallbildung durch einen geänderten thermischen Einfluß gehindert wird.
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Die festgestellten Ergebnisse sind hinsichtlich der Kontrolle der
Temperaturbedingungen der Schmelze an der Grenzfläche des Kristallwachstums hilfreich. Wenn ein
stabiler Zustand eines Wirbels festgestellt wird, wird ein Gas, welches eine Wirkung
hinsichtlich der Bildung einer außerordentlichen Abweichung der Dichte der
Schmelze hervorruft, zu atmosphärischem Gas gegeben, so daß der instabile Zustand eines
Wirbels der Schmelze aufrechterhalten bleibt.
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Das Gas, welches die außerordentliche Abweichung hinsichtlich der Dichte erzeugen
kann, kann N&sub2;, Kr oder Xe sein. Die Wirkung dieser Gase wird typischerweise für
den Fall festgestellt, bei dem ein Si-Einkristall aus einer Schmelze gezüchtet wird, zu
der Ga, Sb, Al, As oder In gegeben wird.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des Czochralski-Verfahrens
zum Ziehen eines Si-Einkristalls aus einer Schmelze.
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Fig. 2 ist eine Darstellung, die eine konstante Temperaturverteilung auf der
Oberfläche der Schmelze zeigt, bei der regelmäßige Wirbelströmungsmuster erzeugt
werden.
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Fig. 3 ist eine Darstellung, die eine konstante Temperaturverteilung auf der
Oberfläche der Schmelze zeigt, bei der die Wirbelströmungsmuster unregelmäßig sind.
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Fig. 4 ist ein Energiediagramm, welches den Zustand von Wirbelströmungen
beschreibt, die in einer Schmelze erzeugt werden, die frei von außergewöhnlicher
Dichte ist.
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Fig. 5 ist eine Energiediagramm, welches den Zustand von Wirbelströmungen
beschreibt, die in einer Schmelze erzeugt werden, die eine außergewöhnliche Dichte
aufweist.
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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des Zuführens von in eine
Kammer zugegebenem N&sub2;-Gas, um die Strömungsbedingungen der Schmelze an
der Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung zu kontrollieren.
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Der Zustand der Wirbelströmungen, die auf der Oberfläche der Schmelze 6
erscheinen, ist auf die Rückgewinnung des Wärmetransfers zurückzuführen, der durch die
Rotation des Tiegels unterdrückt wird. Unter der Bedingung, daß Wirbelströmungen
in einem wie in Fig. 2 gezeigten Zustand vorkommen, kommt das untere Ende eines
Einkristalls 8 abwechselnd in Kontakt mit warmen und kalten Bereichen der
Schmelze 6. Demgemäß wird die kristalline Struktur des Einkristalls 8 sehr wahrscheinlich
zerstört.
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Wenn die Oberfläche der Schmelze 6 andererseits in einem Zustand vorliegt ist, in
dem die Wirbelströmungen etwas unregelmäßig sind, wie in Fig. 3 gezeigt, wird die
Temperaturverteilung der Schmelze 6 an der Oberfläche einheitlich eingestellt. Der
Einkristall 8, der von der Schmelze 6 in diesem Zustand herausgezogen wird, weist
eine gute Einkristallinität auf.
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Insbesondere in der Schmelze, zu der Ga oder Sb 11 gegeben wird, ändert sich die
Temperatur der Schmelze in Relation zu deren Temperatur linear. Das heißt, es
kommt zu keiner abrupten Änderung in dem Wirbel um 1430ºC und der Zustand der
Wirbelströmungen wird wahrscheinlich stabilisiert. In diesem Fall, bei dem Ar-Gas,
gemischt mit N&sub2;, Kr oder Xe, als Atmosphäre für das Kristallwachstum verwendet
wird, ändert sich die Dichte der Schmelze um 1430ºC abrupt. Als Ergebnis davon
wird der Zustand der Wirbelströmungen etwas zerstört und wird durch den stark
oszillierenden Wirbel, der bei einer Temperatur unterhalb 1430ºC erzeugt wird,
unregelmäßig, so daß eine außergewöhnliche Abweichung hinsichtlich der Dichte
hervorgerufen wird, die hinsichtlich eines homogenen Wachstums eines Einkristalls
wirksam ist.
Beispiel
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Ein Sb-dotierter Si-Einkristall mit einem Durchmesser von drei Inch wurde aus einer
Si-Schmelze, zu der Sb in einer Menge von 0,1 Atomprozent als Dotierungsmittel
gegeben wurde, mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/h (heraus)gezogen. Der
stationäre Zustand der Wirbelströmungen, wie in Fig. 2 gezeigt, wurde durch Beobachten
der Oberfläche der Schmelze festgestellt. Fig. 4 zeigt das Energiespektrum, welches
durch Messen der Temperatur der Schmelze an der Oberfläche und Fourier-
Transformation der Temperaturabweichung erhalten wurde.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, werden scharfe Peaks am Rotationszentrum des Tiegels und
an einer Stelle festgestellt, die von dem Rotationszentrum in einem Abstand entfernt
ist, der einem Vielfachen der Frequenz entspricht. Der letztgenannte scharfe Peak
bedeutet das stationäre Vorliegen von Kaltzonen, wie in Fig. 4 gezeigt.
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Andererseits wurde ein Einkristall 8 aus der gleichen Schmelze 6 herausgezogen,
dieser wurde jedoch während der Zufuhr des Ar-N&sub2;-Gases zu der Kammer 1, wie in
Fig. 6 gezeigt, in der mit N&sub2; in einer Menge von 7 Vol.-% gemischten Ar-Atmosphäre
gehalten. In diesem Fall wurde der Zustand bestimmt, bei dem Wirbelströmungen
auf der Oberfläche der Schmelze 6 zu einem gewissen Ausmaß zerstört wurden, wie
in Fig. 3 gezeigt. Das Energiespektrum, das aus der Temperatur berechnet wurde,
die an der gleichen Stelle wie in Fig. 5 gemessen wurde, zeigte keinen scharfen
Peak, sondern war an der gleichen Stelle, wie vorstehend ausgeführt, verbreitert.
Dieses Energiespektrum bedeutet, daß der Zustand der Wirbelströmungen zerstört
wurde und sich entlang der Rotationsrichtung ausdehnte. Demgemäß wird
angenommen, daß sich eine kleinere Temperaturabweichung an der Oberfläche der
Schmelze einstellte.
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Beim Vergleich der Fig. 3 und 5 mit den Fig. 2 und 4 wurde festgestellt, daß
der Zustand der Wirbelströmungen durch Zugabe von N&sub2; zu der Atmosphäre zerstört
wurde, so daß die Temperaturverteilung nahe der Grenzfläche des
Kristallwachstums einheitlich wurde. Die außerordentliche Dichteverteilung, die auf diese Art und
Weise erzeugt wurde, wandelt die Oberfläche der Schmelze wirksam in einen
sanften turbulenten Zustand um. Demgemäß wird das Verhältnis der Einkristallbildung
verbessert.
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Wenn der Zieharbeitsvorgang beispielsweise über 10 Zyklen unter Verwendung
einer Sb-dotierten Si-Schmelze wiederholt wurde, die in einer gewöhnlichen
Atmosphäre gehalten wurde, wurden nur 5 Einkristalle von guter Einkristallinität erhalten.
Im Gegensatz dazu wurde eine Einkristallbildung bis zu Neunmal unter Verwendung
der mit N&sub2; gemischten Ar-Atmosphäre durchgeführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie vorstehend beschrieben, die
Zusammensetzung der Gasatmosphäre, welche in die Kammer einzuleiten ist, als Antwort
auf den Zustand der Wirbelströmungen, die auf der Oberfläche der Schmelze
erzeugt werden, kontrolliert bzw. gesteuert, um die Temperaturverteilung nahe der
Grenzfläche des Kristallwachstums einheitlich einzustellen. Demgemäß wird ein
Einkristall unter der Bedingung gezüchtet, daß die Konzentration an Verunreinigungen
bei einem konstanten Wert gehalten werden. Der auf diese Art und Weise erhaltene
Einkristall weist eine Verteilung von Verunreinigungen und Sauerstoff auf, die
entlang der Richtung des Kristallwachstums einheitlich ist und wird als Halbleitermaterial
mit stabilen Eigenschaften verwendet.