PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006055376A1 31.05.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls
Anmelder Shin-Etsu Handotai Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kodama, Yoshihiro, Jyoetsu, Niigata, JP
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 23.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006055376
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse C30B 13/28(2006.01)A, F, I, 20061123, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C30B 13/20(2006.01)A, L, I, 20061123, B, H, DE   H01L 21/208(2006.01)A, L, I, 20061123, B, H, DE   
Zusammenfassung Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren, das mindestens die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall, anschließend das Züchten eines Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer und anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert umfasst, wobei beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls ein Druck in der Kammer geändert wird. So kann hier ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls bereitgestellt werden, durch das sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung verhindert wird, selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren (FZ-Verfahren), der einen großen Durchmesser aufweist, wodurch ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren, das mindestens die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall, anschließend das Züchten eines Kernbereichs eines Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer, und anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert umfasst.

Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik

Ein Zonenschmelzverfahren („floating zone-Verfahren", FZ-Verfahren; auch als Zonenziehen bezeichnet) ist ein Verfahren, einen rohen Halbleiterblock mit einer Induktionsheizspule zu erhitzen und zu schmelzen und dadurch eine Schmelzzone zu bilden, die Schmelzzone zu verschieben und dadurch einen Halbleiterkristall zu züchten.

Als ein nach dem FZ-Verfahren herzustellender Halbleiterkristall kann beispielsweise ein Silizium-Halbleiterkristall als Beispiel dienen. Was einen solchen FZ-Silizium-Halbleiterkristall anbetrifft, kann ein Silizium-Halbleiterkristall zum Beispiel durch Befolgen der Schritte, wie sie in 4 und in 5 dargestellt sind, durch eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung hergestellt werden.

Wie in 4 dargestellt, erfolgt die Herstellung des FZ-Silizium-Halbleiterkristalls durch Schmelzen eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, und Anbringen und Verschmelzen des Blocks an einen Keimkristall (a), anschließend durch Züchten eines Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer (b), und anschließend durch Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert (c).

Beispielsweise wird insbesondere zunächst ein Silizium-Halbleiterblock 1, der als Rohmaterial dient, an einer oberen Einspannvorrichtung 4 einer oberen Achse 3 befestigt, die in einer Kammer 20 angebracht ist. Auf der anderen Seite ist ein Keim eines Einkristalls (Keimkristall) 8, der einen kleinen Durchmesser aufweist, an einer unteren Einspannvorrichtung 6 einer unteren Achse 5 befestigt, die sich unterhalb des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblocks 1 befindet. Als nächstes wird der Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock 1 mit einer Induktionsheizspule 7 geschmolzen und an den Keimkristall 8 angebracht und verschmolzen („Seeding") (4(a)). Anschließend erfolgt die Auslöschung von Versetzungen durch die Bildung eines Abschnürbereichs 9 durch Einengen des Keims („Necking").

Und eine Schmelzzone (auch als schwimmende Zone oder Schmelze bezeichnet) 10 wird in der Kammer gebildet, wobei die obere Achse 3 und die untere Achse 5 rotiert werden, und während die Zone mit Verschieben der Schmelzzone 10 hin zum oberen Ende des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblocks 1 erzeugt wird, wird ein Kernbereich 18 eines Silizium-Halbleiterkristalls 2 mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser gezüchtet (4(b)) und ein gerader Hauptbereich 19 des Silizium-Halbleiterkristalls 2 wird unter Regulation auf einen gewünschten Durchmesser gezüchtet (4(c)).

Im Allgemeinen erfolgt das Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls 2 häufig in einer Atmosphäre, die aus einem Edelgas wie etwa Ar-Gas, gemischt mit einer kleinen Menge an Stickstoffgas besteht. Die Atmosphäre wird als zugeführtes Gas 23 durch einen Gaseinlass 17 eingelassen und als abgeführtes Gas 22 durch einen Gasauslass 16 abgelassen.

Als obige Induktionsheizspule 7 wurde eine Induktionsheizspule aus Kupfer oder Silber verwendet, die eine Einzelspule oder eine Doppelspule ist, in der Wasser zur Kühlung zirkuliert, und beispielsweise ist eine Induktionsheizspule 7a bekannt, wie sie in 6 dargestellt ist (siehe beispielsweise die geprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 51-24964). Diese Induktionsheizspule 7a ist eine Induktionsheizspule in einer Ringform, die einen Spalt 12 aufweist und die in einer sich im Querschnitt von einer Oberfläche des äußeren Umfangs 15 zu einer Oberfläche des inneren Umfangs 14 verjüngenden Form geformt ist. Darüber hinaus befinden sich an der Oberfläche des äußeren Umfangs 15 der Heizspule elektrische Anschlüsse 13a, 13b. Die gegenüberliegenden Oberflächen 12a, 12b an der Seite der beiden Anschlüsse 13a, 13b sind einander durch den Spalt 12 so weit als möglich angenähert, wodurch die Symmetrie des elektrischen Stromkreises in der Umfangsrichtung der Induktionsheizspule 7 aufrechterhalten und ein näherungsweise einheitlicher Verlauf des magnetischen Feldes erhalten werden kann.

In solch einer FZ-Halbleiterkristalle erzeugenden Vorrichtung 40 ist es notwendig, dass der Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock 1 in einer kurzen Zeit in einer schmalen Zone des Blocks bis zum inneren Kern geschmolzen wird. Daher wurde an die elektrischen Anschlüsse 13a, 13b Hochspannung angelegt und dadurch der Silizium-Rohmaterial-Halbleiterkristallblock 1 durch Erzeugen einer hohen elektrischen Stromstärke in der Induktionsheizspule geschmolzen. Wenn jedoch wie oben beschrieben Hochspannung an die elektrischen Anschlüsse 13a, 13b angelegt wird, führt das zu einem Problem, dass die Spannung im Spalt 12 der Induktionsheizspule 7 insbesondere in der Umgebung des Spalts der Spule beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls 2 zunimmt und elektrische Entladung hervorgerufen wird und die Auslöschung von Versetzungen im Kristall verhindert wird.

Diesbezüglich wurde ein Verfahren des Einsetzens eines isolierenden Elements in die Lücke des Spalts der Induktionsheizspule offenbart, um die elektrische Entladung im Spalt der Induktionsheizspule zu verhindern (siehe beispielsweise die geprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 63-10556). Darüber hinaus wurde ein Verfahren offenbart, um Hochspannung und hohe elektrische Stromstärke zu erzeugen, das eine Doppelspule als Spule verwendet und bei dem der äußere Spulenteil mit einem isolierenden Element beschichtet ist, um die Entstehung elektrischer Entladung zwischen einem äußeren Spulenteil und einem inneren Spulenteil zu verhindern (siehe beispielsweise die Offenlegungsschrift des japanischen Patents (Kokai) Nr. 50-37346). Weiterhin wurde zusätzlich zu solchen Maßnahmen außerdem ein Verfahren, den Druck in der Kammer zu erhöhen oder eine höhere Menge an Stickstoffgas durchfließen zu lassen, durchgeführt und damit wurde beabsichtigt, verstärkt sicherzustellen, dass elektrische Entladung im Spalt der Induktionsheizspule oder zwischen dem äußeren Spulenteil und dem inneren Spulenteil oder Ähnliches verhindert wird.

Da jedoch der Durchmesser eines zu züchtenden Silizium-Halbleiterkristalls in den letzten Jahren zunehmend größer wird, ist es erforderlich, dass die an die elektrischen Anschlüsse der Induktionsheizspule anzulegende Spannung erhöht wird. Dies ist der Grund, warum eine hohe elektrische Leistung zum Schmelzen eines Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblocks, der einen großen Durchmesser aufweist, mit einer Induktionsheizspule und zur Bildung einer Schmelzzone erforderlich ist. So wurde beim Züchten eines Silizium-Halbleiterkristalls, der einen Durchmesser von 200 mm aufweist, der Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock beispielsweise mit einer hohen elektrischen Leistung geschmolzen, die einen elektrischen Leistungsverbrauch von mehr als 160kW oder Ähnliches aufwies, wodurch die Bildung einer Schmelzzone und die Kristallisation erfolgte.

Weil es schwierig ist, elektrische Entladung bei Hochspannung bei solch einer Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser, einen Durchmesser von 170 mm oder mehr, insbesondere einen Durchmesser von 200 mm oder mehr, aufweist, vollständig zu verhindern, wurde ein Verfahren angewendet, um den Druck in der Kammer auf einen hohen Wert, 0,18 MPa oder mehr, einzustellen, zusätzlich zu einem konventionellen Verfahren zur Vermeidung von elektrischer Entladung. Obwohl dies einen gewissen Effekt hatte, führte das jedoch hinsichtlich der Verhinderung von elektrischer Entladung zu einem Problem, dass sehr leicht die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich hervorgerufen wird und dass die Ausbeute der Kristallherstellung drastisch abnahm.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegenden Erfindung erfolgte, um die oben erwähnten Probleme zu lösen und ein Hauptzweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls bereitzustellen, durch das sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung verhindert werden kann, selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem Zonenschmelzverfahren (FZ-Verfahren), der einen großen Durchmesser aufweist, und dadurch ermöglicht wird, einen Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität mit hoher Ausbeute herzustellen.

Um den obigen Zweck zu erzielen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem Zonenschmelzverfahren bereit, das mindestens die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall, anschließend das Züchten eines Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer, und anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert umfasst, wobei beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls ein Druck in der Kammer geändert wird.

Durch Ändern eines Drucks in der Kammer beim Züchten des Silizium-Halbleiters wie oben beschrieben, kann der am besten geeignete Druck in der Kammer herrschen, entsprechend dem Durchmesser des Silizium-Halbleiterkristalls beim Züchten oder der elektrischen Leistung, die verwendet wird. Dadurch kann sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich, die zum Problem wird, wenn ein Bereich gezüchtet wird, der einen kleinen Durchmesser im Kernbereich aufweist, als auch die Entstehung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung verhindert werden, die entsteht, wenn dabei ein Bereich gezüchtet wird, der einen großen Durchmesser aufweist. Und so kann ein FZ-Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität, der einen großen Durchmesser aufweist, mit hoher Ausbeute hergestellt werden.

In dem obigen Fall wird bevorzugt, dass die Änderung des Drucks in der Kammer durch Ändern des Drucks von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert erfolgt.

Wenn beim Züchten eines Bereichs, der einen kleinen Durchmesser im Kernbereich aufweist, die angelegte Spannung niedrig ist und wenn das Risiko einer elektrischen Entladung gering ist, kann die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich durch das Einstellen des Drucks in der Kammer auf einen niedrigen Wert verhindert werden. Und wenn darin beim Züchten eines Bereichs, der einen großen Durchmesser aufweist, die angelegte Spannung hoch ist und wenn das Risiko einer elektrischen Entladung hoch ist, kann elektrische Entladung durch Änderung des Drucks in der Kammer auf einen hohen Wert unterdrückt werden und die Entstehung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung kann verhindert werden.

Darüber hinaus wird bevorzugt, dass der Silizium-Halbleiterkristall in eine Inertgasatmosphäre gezüchtet wird, die Stickstoffgas enthält.

Durch Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls in einer Inertgasatmosphäre, die Stickstoffgas enthält, wie oben beschrieben, ist die Wirkung der Verhinderung elektrischer Entladung hoch und es kann ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität mit einer hohen Kristallfestigkeit hergestellt werden.

Weiterhin wird bevorzugt, dass der zu züchtende Silizium-Halbleiterkristall mit einem Durchmesser des geraden Hauptbereichs von 170 mm oder mehr gezüchtet wird.

Im Fall der Herstellung eines FZ-Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser aufweist, in dem der Durchmesser von dessen geraden Hauptbereich 170 mm oder mehr, oder auch 200 mm oder mehr beträgt, wird leicht das Problem der Entstehung von Versetzungen im Kernbereich hervorgerufen, da die Erhöhung des Drucks in der Kammer zur Verhinderung von elektrischer Entladung signifikant ist. Insbesondere dabei ist jedoch die Herstellung nach dem Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung effektiv.

Darüber hinaus wird bevorzugt, dass der Druck in der Kammer entsprechend einem im Voraus vorbereiteten Muster geändert wird.

Durch Veränderung des Drucks in der Kammer, beispielsweise entsprechend einem im Voraus vorbereiteten Muster wie oben beschrieben, kann der Druck automatisch reguliert und auf einen gewünschten Druck geändert werden, der dem Durchmesser des Silizium-Halbleiterkristalls bei der Züchtung entspricht, und sowohl elektrische Entladungen als auch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich können mit größerer Sicherheit verhindert werden.

Weiterhin wird bevorzugt, dass der Druck in der Kammer beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls um 0,03 MPa oder mehr geändert wird.

Durch Ändern des Drucks in der Kammer um 0,03 MPa oder mehr können sowohl elektrische Entladungen als auch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich effektiver beim Züchten eines Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser aufweist, verhindert werden.

Darüber hinaus wird bevorzugt, dass das Züchten von einem Beginn des Züchtens des Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls bis zum Zeitpunkt, wenn der Silizium-Halbleiterkristall einen Durchmesser von 30 mm aufweist, durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,15 MPa oder weniger erfolgt.

Durch das Durchführen der Züchtung durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,15 MPa oder weniger vom Beginn des Züchtens des Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls bis zum Zeitpunkt, wenn der Silizium-Halbleiterkristall einen Durchmesser von 30 mm aufweist, wie oben beschrieben, kann die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich effektiver verhindert werden.

Weiterhin wird bevorzugt, dass wenn bei der Züchtung ein Bereich im Silizium-Halbleiterkristall gezüchtet wird, der einen Durchmesser von 170 mm oder mehr aufweist, die Züchtung durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,18 MPa oder mehr erfolgt.

Durch das Durchführen der Züchtung durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,18 MPa oder mehr, wenn bei der Züchtung ein Bereich im Silizium-Halbleiterkristall gezüchtet wird, der einen Durchmesser von 170 mm oder mehr aufweist, wie oben beschrieben, können elektrische Entladungen effektiv unterdrückt werden, selbst bei der Züchtung eines Bereichs darin, der einen großen Durchmesser aufweist, wenn die angelegte Spannung hoch ist und wenn das Risiko von elektrischer Entladung besonders hoch ist, und daher kann die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung wirksam verhindert werden.

Wie oben beschrieben kann in Übereinstimmung mit dem Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung verhindert werden, selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, der einen großen Durchmesser aufweist, und daher kann ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität stabil mit hoher Ausbeute hergestellt werden.

Kurze Erklärung der Abbildungen

1 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls durch eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

3 ist ein Beispiel eines Änderungsmusters des Drucks in der Kammer gemäß der vorliegenden Erfindung.

4 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einer konventionellen Methode.

5 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls durch eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung gemäß eine konventionellen Methode zeigt.

6 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Induktionsheizspule, die bei einem FZ-Verfahren verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, der einen großen Durchmesser aufweist, ist es schwierig, elektrische Entladungen allein durch ein konventionelles Verfahren vollständig zu verhindern, wie etwa dem Einsetzen eines isolierenden Elements in eine Lücke des Spalts einer Induktionsheizspule zur Verhinderung von elektrischer Entladung. Daher ist es erforderlich, dass der Druck in der Kammer hoch ist. Es trat dabei jedoch ein Problem auf, dass selbst wenn elektrische Entladungen dadurch verhindert werden können, die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich sehr leicht hervorgerufen wird und sich die Ausbeute drastisch verringert.

Daraufhin haben die Erfinder des Vorliegenden das oben beschriebene Problem der Entstehung von Versetzungen im Silizium-Halbleiterkristall gründlich untersucht. Sie haben herausgefunden, dass falls im Fall der Züchtung des Kristalls mit einer Erhöhung des Drucks in der Kammer zur Verhinderung von elektrischer Entladung, der Druck in der Kammer zu der Zeit hoch ist, in der die Menge an Schmelze des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblocks gering ist, sich dicke Nitridschichten an einem Ende des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterkristalls und an einem Ende des Keimkristalls bilden und dadurch die Stickstoffkonzentration in der Schmelze hoch wird oder die Nitridschicht nicht vollständig schmilzt und die Fest-Flüssig-Phasengrenze erreicht, wodurch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich sehr leicht hervorgerufen wird. Das heißt, falls die Züchtung bei geringem Druck in der Kammer erfolgt, entstehen elektrische Entladungen, wenn der Durchmesser des Kristalls groß wird. Und falls die Züchtung bei hohem Druck in der Kammer erfolgt, führt das leicht zur Entstehung von Versetzungen im Kernbereich.

Dementsprechend haben die Erfinder des Vorliegenden ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren gefunden, das mindestens die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall, anschließend das Züchten eines Kernbereich des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer und anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert umfasst, wobei bei der Züchtung des Silizium-Halbleiterkristalls ein Druck in der Kammer geändert wird und dadurch hierbei sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Entstehung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung in einem Bereich, der einen großen Durchmesser aufweist, verhindert werden kann und so ein FZ-Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität, der einen großen Durchmesser aufweist, mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde vollbracht.

Speziell wird, wenn beim Züchten eines Bereichs, der einen kleinen Durchmesser im Kernbereich aufweist, die angelegte Spannung niedrig ist und wenn das Risiko elektrischer Entladungen gering ist und auch wenn die Menge an Schmelze gering ist, der Druck in der Kammer auf einen niedrigen Wert eingestellt und dadurch ist es möglich zu unterdrücken, dass die Stickstoffkonzentration in der Schmelze einen hohen Wert aufweist und dass die Nitridschicht nicht vollständig geschmolzen wird und die Fest-Flüssig-Phasengrenze erreicht, und es kann die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich verhindert werden. Und wenn darin bei der Züchtung eines Bereichs, der einen großen Durchmesser aufweist, die angelegte Spannung hoch ist und wenn das Risiko elektrischer Entladungen hoch ist und auch wenn die Menge an Schmelze groß ist, können elektrische Entladungen durch die Änderung des Drucks in der Kammer auf einen hohen Wert unterdrückt werden und die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung kann verhindert werden. Zudem kann im Fall dass der Durchmesser des gezüchteten Halbleiterkristalls am Schluss des Züchtens gemäß einem FZ-Kristall verringert wird und der Kristall vom Rohmaterialblock abgetrennt wird, im Gegensatz zum Fall des Kernbereichs der Druck von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert abgesenkt werden.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

1 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls mit einer FZ-Halbleiterkristalle erzeugenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung zum Beispiel die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, und des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall bei einem geringen Druck (a), anschließend das Züchten eines Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer und in dieser Phase wird der Druck in der Kammer so geändert, dass er zunimmt (b), anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert bei dem erhöhten Druck (c), und damit die Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren.

Beispielsweise wird insbesondere zunächst ein Silizium-Halbleiterblock 1, der als Rohmaterial dient, an einer oberen Einspannvorrichtung 4 einer oberen Achse 3 befestigt, die in einer Kammer 20 in einer FZ-Halbleiterkristalle erzeugenden Vorrichtung 30 angebracht ist. Auf der anderen Seite wird ein Keim eines Einkristalls (Keimkristall) 8, der einen kleinen Durchmesser aufweist, an einer unteren Einspannvorrichtung 6 einer unteren Achse 5 befestigt, die sich unterhalb des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblocks 1 befindet. Als nächstes wird durch eine Induktionsheizspule 7, wie sie in 6 dargestellt ist, der Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock 1 geschmolzen und an den Keimkristall 8 angebracht und verschmolzen (Seeding) (1(a)). Anschließend wird ein Abschnürbereich 9 durch Verengen des Keims gebildet (Necking) und Versetzungen werden ausgelöscht. In diesem Fall wird der Druck in der Atmosphäre auf einen geringen Druck wie etwa 0,15 MPa oder weniger eingestellt.

Und in einer hermetisch verschlossenen Kammer wird eine Schmelzzone (auch als schwimmende Zone oder Schmelze bezeichnet) 10 zusammen mit der Rotation der oberen Achse 3 und der unteren Achse 5 und zusammen mit der Erzeugung der Zone mit Verschieben der Schmelzzone 10 hin zum oberen Ende des Silizium-Rohmaterial-Halbleiterkristallblocks 1 gebildet, und ein Kernbereich 18 des Silizium-Halbleiterkristalls 2 wird mit der Vergrößerung von dessen Durchmesser gezüchtet. Und in dieser Zeit wird, beispielsweise wie im Graphen der 3 dargestellt, der Druck in der Kammer allmählich von einem geringen Wert auf einen hohen Wert durch die Regulation der Flussmengen von abgeführtem Gas 22 und von zugeführtem Gas 23 durch in der Kammer befindliche Druckregulationsmechanismen 21a, 21b, die in einem Gasauslass 16 und in einem Gasauslass 17 angebracht sind, geändert (1(b)), und anschließend wird ein gerader Hauptbereich 19 des Silizium-Halbleiterkristalls 2 unter Regulation auf einen gewünschten Durchmesser unter Halten des hohen Drucks gezüchtet (1(c)).

Es wird bevorzugt, dass der Silizium-Halbleiterkristall 2 in einer Inertgasatmosphäre gezüchtet wird, die Stickstoffgas enthält. Dadurch ist die Wirkung, elektrische Entladungen zu verhindern, hoch und ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität, der eine hohe Kristallfestigkeit und wenige Kristalldefekte aufweist, kann mit hoher Ausbeute hergestellt werden.

Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Inertgasatmosphäre, die Stickstoffgas enthält, eine Atmosphäre ist, die ein Edelgas wie etwa Ar-Gas vermischt mit einer geringen Menge an Stickstoffgas ist. Dadurch können hohe Wirkungen sowohl bei der Verhinderung der Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch bei der Verhinderung von elektrischer Entladung erzielt werden. Zudem kann die Atmosphäre durch einen Gaseinlass 17 als ein zugeführtes Gas 23 eingelassen und durch einen Gasauslass 16 als abgeführtes Gas 22 abgelassen werden. Wenn die Flussmengen hiervon durch Einstellen der Öffnungsgrade der Ventile 21a, 21b als in der Kammer befindliche Druckregulationsmechanismen reguliert werden, kann der Druck in der Kammer leicht verändert und reguliert werden.

Darüber hinaus war im Fall der Herstellung eines FZ-Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser von dessen geraden Hauptbereich 170 mm oder mehr, oder auch 200 mm oder mehr beträgt, das Problem signifikant, dass leicht die Entstehung von Versetzungen hervorgerufen wird, da vom Beginn der Herstellung an der Druck in der Kammer auf hohe Werte zur Verhinderung von elektrischer Entladung eingestellt wurde. Insbesondere ist dabei jedoch die Herstellung durch das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls, in der der Kernbereich bei einem geringen Druck gezüchtet wird und der Druck mit Zunahme des Durchmessers gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht wird, effektiv.

Es wird bevorzugt, dass der Druck in der Kammer entsprechend einem im Voraus vorbereiteten Muster geändert wird. Dadurch kann der Druck in der Kammer bei der Züchtung automatisch reguliert und auf den gewünschten Druck, der dem Durchmesser des Silizium-Halbleiterkristalls entspricht, geändert werden, und sowohl elektrische Entladung als auch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich können mit größerer Sicherheit verhindert werden. Darüber hinaus kann die Belastung der Arbeiter reduziert werden und zudem kann Streuung verhindert werden.

Zudem können durch allmähliches Ändern des Drucks in der Kammer Faktoren für die Entstehung von Versetzungen entfernt werden, wie etwa die Verunreinigung durch Fremdmaterie aufgrund von Strömungsturbulenzen.

Darüber hinaus wird bevorzugt, dass der Druck in der Kammer beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls um 0,03 MPa oder mehr geändert wird. Dadurch können selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser aufweist, sowohl elektrische Entladungen in einem Bereich, der einen großen Durchmesser aufweist, als auch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich effektiver verhindert werden.

Weiterhin wird bevorzugt, dass die Züchtung von einem Beginn der Züchtung des Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls bis zum Zeitpunkt, wenn der Silizium-Halbleiterkristall einen Durchmesser von 30 mm aufweist, durch Einstellung des Drucks in der Kammer auf 0,15 MPa oder weniger erfolgt. Dadurch kann die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich effektiver verhindert werden.

Darüber hinaus ist die angelegte Spannung beim Züchten eines Bereichs, der einen Durchmesser von 30 mm oder weniger aufweist, gering. Daher ist es, falls der Druck in der Kammer 0,02 MPa oder mehr beträgt, schwierig, dass elektrische Entladungen erzeugt werden.

Darüber hinaus wird bevorzugt, dass wenn beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls ein Bereich, der einen Durchmesser von 170 mm oder mehr aufweist, gezüchtet wird, die Züchtung durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,18 MPa oder mehr erfolgt. Dadurch können elektrische Entladungen effektiver unterdrückt werden, selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls, der einen großen Durchmesser aufweist.

Darüber hinaus besteht, weil die Menge an Schmelze groß ist, wenn ein Bereich gezüchtet wird, der einen Durchmesser von 170 mm oder mehr aufweist, solange der Druck in der Kammer 0,30 MPa oder weniger beträgt, ein geringes Risiko, dass die Stickstoffkonzentration in der Schmelze sehr hoch wird oder dass die Nitridschicht nicht vollständig geschmolzen wird und die Fest-Flüssig-Phasengrenze erreicht, und dass dadurch die Entstehung von Versetzungen hervorgerufen wird.

Zum Beispiel kann die Züchtung, wie in 3 dargestellt, mit einem Druck in der Kammer von 0,10 MPa vor dem Seeding bis zum Zeitpunkt, wenn der Durchmesser des Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls 60 mm erreicht, erfolgen. Und der Druck kann allmählich in der Phase, in der der Kernbereich einen Durchmesser von 60 mm bis 140 mm aufweist, geändert werden. Und die Züchtung kann in der Phase, in der der Kernbereich einen Durchmesser von 140 mm oder mehr aufweist bis der gerade Hauptbereich einen Durchmesser von 205 mm aufweist, bei 0,20 MPa erfolgen.

Durch das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben, kann selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, der einen großen Durchmesser aufweist, sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung in den beiden Fällen verhindert werden, dass der herzustellende Silizium-Halbleiterkristall eine Polykristall-Zwischenstufe ist und dass er ein Silizium-Einkristall ist. Daher wurde es möglich, dass ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität, der wenige oder keine Versetzungen aufweist, mit hoher Ausbeute hergestellt wird.

Beispiele

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung genauer unter Bezugnahme auf ein Beispiel und Vergleichsbeispiele erläutert; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

(Beispiel)

Als Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock wurde polykristallines Silizium, das einen Durchmesser von 150 mm aufweist, geschmolzen und an einen Keimkristall angebracht und verschmolzen (Seeding). Anschließend wurde der Kernbereich des Silizium-Halbleiterkristalls mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser zusammen mit der Erzeugung der Zone in einer hermetisch verschlossenen Kammer gezüchtet. Und in dieser Zeit wurde der Druck in der Kammer geändert. Anschließend wurde der gerade Hauptbereich des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation auf den Zieldurchmesser gezüchtet. Und dadurch wurde als Silizium-Halbleiterkristall ein Silizium-Einkristall hergestellt, der einen Durchmesser des geraden Hauptbereichs von 205 mm und eine Länge des geraden Hauptbereichs von 30 cm aufwies.

Bei der Herstellung des Silizium-Einkristalls wurde eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung 30 verwendet, wie sie in 2 dargestellt ist. Als Induktionsheizspule wurde speziell eine parallele Spule mit einer inneren ersten Heizspule mit einem Außendurchmesser von 170 mm und einer äußeren zweiten Heizspule mit einem Außendurchmesser von 280 mm verwendet und ein isolierendes Element wurde in die Lücke eines Spulenspalts eingesetzt. Und eine Ar-Gas-Flussmenge wurde auf 30 l/min eingestellt, eine Stickstoffgaskonzentration in der Kammer wurde auf 0,1% eingestellt, die Wachstumsrate des Kristalls wurde auf 2,0 mm/min eingestellt, und der Betrag der Versetzung der oberen Achse und der unteren Achse wurde auf 12 mm eingestellt. Darüber hinaus wurde der Druck in der Kammer allmählich von 0,10 MPa auf 0,20 MPa gemäß dem Muster von 3 erhöht.

Und die Züchtung eines Silizium-Einkristalls nach dem FZ-Verfahren wurde 8 mal durchgeführt. Als Ergebnis traten von den 8 Malen 2 mal Fehler durch die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich auf, 6 mal traten keine Fehler auf, 0 mal wurden elektrische Entladungen hervorgerufen und es war möglich, dass Silizium-Halbleiterkristalle hoher Qualität, die einen großen Durchmesser aufweisen, mit hoher Ausbeute hergestellt wurden.

(Vergleichsbeispiel 1)

Indem als Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock polykristallines Silizium, das einen Durchmesser von 150 mm aufweist, der Zonenerzeugung nach dem FZ-Verfahren unterzogen wurde, wurde der Kernbereich des Silizium-Halbleiterkristalls mit Vergrößern von dessen Durchmesser gezüchtet. Anschließend wurde der gerade Hauptbereich des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation auf dessen Durchmesser gezüchtet. Und dadurch wurde als Silizium-Halbleiterkristall ein Silizium-Einkristall hergestellt, der einen Durchmesser des geraden Hauptbereichs von 205 mm und eine Länge des geraden Hauptbereichs von 30 cm aufwies.

Bei der Herstellung des Silizium-Einkristalls wurde die Züchtung eines Silizium-Einkristalls nach dem FZ-Verfahren 12 mal auf die gleiche Weise wie im Beispiel durchgeführt, abgesehen davon, dass eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung 40, wie sie in 5 dargestellt ist, verwendet wurde und dass der Druck in der Kammer konstant 0,10 MPa von vor dem Seeding bis zur Züchtung des geraden Hauptbereichs betrug. Als Ergebnis traten von den 12 Malen bei allen 12 Malen Fehler aufgrund von elektrischer Entladung auf und insbesondere die Auslöschung von Versetzungen in einem Bereich, der einen Durchmesser von 170 mm oder mehr aufwies, war schwierig.

(Vergleichsbeispiel 2)

Indem als Silizium-Rohmaterial-Halbleiterblock polykristallines Silizium, das einen Durchmesser von 150 mm aufweist, der Zonenerzeugung nach dem FZ-Verfahren unterzogen wurde, wurde der Kernbereich des Silizium-Halbleiterkristalls mit Vergrößern von dessen Durchmesser gezüchtet. Anschließend wurde der gerade Hauptbereich des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation auf dessen Durchmesser gezüchtet. Und dadurch wurde als Silizium-Halbleiterkristall ein Silizium-Einkristall hergestellt, der einen Durchmesser des geraden Hauptbereichs von 205 mm und eine Länge des geraden Hauptbereichs von 30 cm aufwies.

Bei der Herstellung des Silizium-Einkristalls wurde die Züchtung eines Silizium-Einkristalls nach dem FZ-Verfahren 10 Mal auf die gleiche Weise wie im Beispiel durchgeführt, abgesehen davon, dass eine FZ-Halbleiterkristalle erzeugende Vorrichtung 40, wie sie in 5 dargestellt ist, verwendet wurde und dass der Druck in der Kammer konstant 0,20 MPa von vor dem Seeding bis zur Züchtung des geraden Hauptbereichs betrug. Als Ergebnis traten von den 10 Malen 9 mal Fehler aufgrund der Entstehung von Versetzungen im Kernbereich auf, 1 mal traten keine Fehler auf, und daher war das Ergebnis, dass Produktivität und Ausbeute sehr gering waren.

Wie oben beschrieben, können gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls der vorliegenden Erfindung sowohl die Entstehung von Versetzungen im Kernbereich als auch die Inhibierung der Auslöschung von Versetzungen aufgrund von elektrischer Entladung wirksam verhindert werden, selbst im Fall der Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, der einen großen Durchmesser aufweist, und dadurch wurde es möglich, dass ein Silizium-Halbleiterkristall hoher Qualität mit hoher Ausbeute hergestellt wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind bloße Beispiele und solche, die im Wesentlichen die gleiche Gestaltung aufweisen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist und die ähnliche Wirkungen und Vorteile erbringen, sind in den Umfang der vorliegenden Erfindung miteingeschlossen.

Beispielsweise wurde in den obigen Ausführungsformen der Fall der Änderung des Drucks beim Kristallwachstum auf einen höheren Wert beschrieben. Das Änderungsmuster des Drucks kann jedoch in geeigneter Weise verändert werden. Beispielsweise kann im unteren Bereich des Kristalls der Druck so reguliert werden, dass er abnimmt.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß dem Zonenschmelzverfahren, das mindestens die Schritte des Schmelzens eines Silizium-Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, des Anbringens und Verschmelzens des Blocks an einen Keimkristall, anschließend das Züchten eines Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls zusammen mit dem Vergrößern von dessen Durchmesser in einer Kammer und anschließend das Züchten eines geraden Hauptbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls unter Regulation von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert umfasst, wobei beim Züchten des Silizium-Halbleiterkristalls ein Druck in der Kammer geändert wird. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 1, wobei die Änderung des Drucks in der Kammer durch Änderung des Druck von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert erfolgt. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Silizium-Halbleiterkristall in einer Inertgasatmosphäre gezüchtet wird, die Stickstoffgas enthält. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zu züchtende Silizium-Halbleiterkristall mit einem Durchmesser des geraden Hauptbereichs von 170 mm oder mehr gezüchtet wird. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck in der Kammer gemäß einem im Voraus vorbereiteten Muster geändert wird. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der Züchtung des Silizium-Halbleiterkristalls der Druck in der Kammer um 0,03 MPa geändert wird. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei von einem Beginn des Züchtens des Kernbereichs des Silizium-Halbleiterkristalls bis zum Zeitpunkt, wenn der Silizium-Halbleiterkristall einen Durchmesser von 30 mm aufweist, die Züchtung durch Einstellen des Drucks in der Kammer auf 0,15 MPa oder weniger erfolgt. Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenn ein Bereich bei der Züchtung gezüchtet wird, der einen Durchmesser des Silizium-Halbleiterkristalls von 170 mm oder mehr aufweist, die Züchtung durch Einstellen des Druck in der Kammer auf 0,18 MPa oder mehr erfolgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com