DE102005006186A1

DE102005006186A1 - Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt

Info

Publication number: DE102005006186A1
Application number: DE102005006186A
Authority: DE
Inventors: Rupert Dr. Krautbauer; Erich Dipl.-Ing. Gmeilbauer; Robert Vorbuchner
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24
Also published as: TW200639281A; KR20060090746A; JP2006219366A; CN1824848A; US20060174817A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt, wobei polykristallines Silizium in einem Tiegel zu einer Schmelze aus Silizium geschmolzen wird, während ein Strom von Inertgas mit einer Durchflussrate auf das schmelzende polykristalline Silizium gerichtet wird, und der Einkristall gemäß der Czochralski-Methode aus der Schmelze gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate des Inertgasstroms kontrolliert wird, um eine Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze einzustellen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt, wobei polykristallines Silizium in einem Tiegel zu einer Schmelze aus Silizium geschmolzen wird, während ein Strom von Inertgas mit einer Durchflussrate auf das schmelzende polykristalline Silizium gerichtet wird, und der Einkristall gemäß der Czochralski-Methode aus der Schmelze gezogen wird.

Es ist bekannt, dass Kohlenstoff als Fremdstoff in einkristallinem Silizium nachteilige und vorteilhafte Wirkungen im Hinblick auf die Verwendbarkeit des Siliziums zur Herstellung von elektronischen Bauelementen entfalten kann. Zur Vermeidung von nachteiligen Wirkungen des Kohlenstoffs wird in der JP-05009097 A vorgeschlagen, die Konzentration von Kohlenstoff im Einkristall zu reduzieren, indem polykristallines Silizium bei einem Druck geschmolzen wird, der niedriger ist, als der Druck, bei dem der Einkristall gezogen wird. Besonderes Interesse hat die vorteilhafte Wirkung von Kohlenstoff hervorgerufen, die Bildung von Sauerstoffpräzipitaten zu fördern, weil solche Sauerstoffpräzipitate metallische Verunreinigungen binden (internal gettering) und so in der Lage sind, diese Verunreinigungen von den Bereichen des Siliziums fernzuhalten, in denen die elektronischen Bauelemente geformt werden. Die Gegenwart von Kohlenstoff ist insbesondere gewünscht, wenn die Sauerstoffkonzentration so gering ist, dass die Zahl der sich bildenden Sauerstoffpräzipitate für ein effizientes Abfangen von metallischen Verunreinigungen nicht ausreicht. Diese Situation tritt regelmäßig auf, wenn die Schmelze hohe Konzentrationen an elektrisch aktiven Dotierstoffen vom n-Typ, wie Arsen oder Antimon, enthält. Da ein Ofen, in dem ein Einkristall aus Silizium nach der Czochralski-Methode gezogen wird, Einbauten aus Graphit, wie eine den Tiegel umgebende Widerstandsheizung aufweist, gerät Kohlenstoff in Form von Oxidationsprodukten des Graphits zwangsläufig, aber unkontrolliert in die Schmelze und schließlich in den Einkristall. Eine effiziente Steuerung der Bildung von Sauerstoffpräzipitaten erfordert jedoch ein Verfahren, bei dem die Konzentration des Kohlenstoffs in der Schmelze möglichst genau zu kontrollieren ist. In der WO-01/06545 A2 wird daher vorgeschlagen, eine geringe Menge an Kohlenstoff zur Schmelze hinzuzufügen, bevor ein Einkristall gezogen wird. Dieses Verfahren erfordert zusätzlichen Aufwand für eine Dosiervorrichtung und deren Betrieb, für die Bereitstellung des Kohlenstoffs in der notwendigen Reinheit und für dessen homogene Verteilung in der Schmelze. Dieser zusätzliche Aufwand erhöht die Kosten des Prozesses der Herstellung des Einkristalls aus Silizium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ohne diesen, in zeitlicher und materieller Hinsicht zusätzlichen Aufwand die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze und in dem daraus gezogenen Einkristall eingestellt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt, wobei polykristallines Silizium in einem Tiegel zu einer Schmelze aus Silizium geschmolzen wird, während ein Strom von Inertgas mit einer Durchflussrate auf das schmelzende polykristalline Silizium gerichtet wird, und der Einkristall gemäß der Czochralski-Methode aus der Schmelze gezogen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchflussrate des Inertgasstroms kontrolliert wird, um eine Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze einzustellen.

Wie die Erfinder herausgefunden haben, können die im Ofen natürlicherweise vorhandenen Kohlenstoffquellen für einen kontrollierten Eintrag in die Schmelze und in den Einkristall genutzt werden und zwar insbesondere während des Abschnitts des Herstellungsprozesses, bei dem polykristallines Silizium im Tiegel geschmolzen wird. In diesem Abschnitt wird das im Tiegel enthaltene polykristalline Silizium mit einem Inertgas, vorzugsweise mit Argon, gespült und die Durchflussmenge an Inertgas zur Steuerung des Kohlenstoffeintrags in die Schmelze herangezogen.

Einzelheiten zur vorliegenden Erfindung werden anhand zweier Figuren vorgestellt. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines üblicherweise verwendeten Ofens zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium nach der Czochralski-Methode. 2 zeigt in Form einer experimentell bestimmten Kurve die Abhängigkeit der Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze von der Durchflussmenge an Inertgas.

Wie in 1 dargestellt, enthält ein zum Ziehen von Einkristallen aus Silizium nach der Czochralski-Methode verwendeter Ofen einen Tiegel 1, der zunächst polykristallines Silizium in Form von Bruchstücken und/oder Granulat bis zu einer bestimmten Füllhöhe enthält und auf einer Welle gelagert ist. Der Tiegel wird von einem Suszeptor 2 in Form gehalten und ist von einer Heizeinrichtung 3 umgeben, mit deren Hilfe aus dem polykristallinen Silizium eine Schmelze aus Silizium erzeugt wird, bevor mit dem Ziehen eines Einkristalls begonnen wird. Am oberen Ende des Ofens ist ein Mechanismus angeordnet, vorzugsweise eine vertikal bewegbare Ziehwelle 4 oder ein Seilzug, mit dem ein Impflingskristall zur entstandenen Schmelze abgesenkt und mit dem der auf dem Impflingskristall kristallisierende Einkristall von der Schmelze gedreht und gehoben wird. Zwischen dem Mechanismus und einem Rand des Tiegels ist häufig ein Hitzeschild 6 befestigt, der den wachsenden Einkristall von der Wärmestrahlung der Heizeinrichtung abschirmt und einen von einem Gaseinlass 7 zum polykristallinen Silizium und später zur Schmelze geleiteten Inertgasstrom zu einem Gasauslass 8 im Ofen ableitet.
Wie aus 2 am Beispiel von Argon hervorgeht, hat die Durchflussmenge an Inertgas während des Schmelzens des Einkristalls einen entscheidenden und kontrollierbaren Einfluss auf die Konzentration an Kohlenstoff in der erzeugten Schmelze. Dies wird erfindungsgemäß genutzt, um eine gewünschte Konzentration in der Schmelze und, unter Berücksichtigung des Segregationskoeffizienten von Kohlenstoff, im Einkristall einzustellen. Die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze bei Beginn des Kristallwachstums beträgt vorzugsweise 1∙10¹⁶ bis 5∙10¹⁷/cm³ entsprechend einer Konzentration im Einkristall von vorzugsweise 1∙10¹⁵ bis 5∙10¹⁷/cm³ (Messmethode ASTM F 123-86). Die Konzentration von Kohlenstoff innerhalb der Einkristalls steigt dabei auf Grund der Segregation innerhalb des Kristalls stark an, so dass die bevorzugten Konzentrationsbereiche für das Impflingsende des Kristalls 1∙10¹⁵ bis 1∙10¹⁷/cm³ betragen. Während das polykristalline Silizium geschmolzen wird, kann die Durchflussmenge an Inertgas konstant gehalten oder variiert werden. Sie beträgt vorzugsweise 100 Normliter/Stunde bis 10000 Normliter/Stunde. Der Druck liegt typischerweise zwischen 10 und 100 mbar.
Die Durchflussmenge von Inertgas wird auch durch Parameter beeinflusst, die den Ofen und die darin enthaltenen Komponenten betreffen. Es ist daher auch möglich, über diese Parameter auf den Kohlenstoffgehalt der Schmelze gezielt einzuwirken, wobei eine mit der Änderung eines solchen Parameters verbundene Steigerung (Verringerung) der Durchflussmenge des das polykristalline Silizium umspülende Inertgases zu einer geringeren (höheren) Kohlenstoffkonzentration in der Schmelze führt. Die wichtigsten dieser Parameter sind die Abmessung und die Form des Ofens, des Wärmeschilds, des Tiegels und des Suszeptors, sowie eine relative Stellung zwischen dem Tiegel und der Ziehwelle. Weitere wichtige Parameter sind die Dauer des Schmelzvorgangs und die Heißzeit, also die Dauer der Phase nach dem Schmelzen des polykristallinen Siliziums bis zum Beginn des Kristallziehens während der der eingestellte Durchfluss an Inertgas vorherrscht. Der Eintrag von Kohlenstoff in die Schmelze kann durch eine verlängerte Heißzeit weiter erhöht werden. Insbesondere ist es möglich, den Kohlenstoffgehalt über einen weiten Konzentrationsbereich zu steuern, indem während der Heißzeit die Temperatur der Schmelze und/oder die Durchflussmenge an Inertgas eingestellt werden. Eine verlängerte Heißzeit ist jedoch immer mit zusätzlichem zeitlichem Aufwand verbunden.
Eine zusätzliche Möglichkeit, auf die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze gezielt Einfluss zu nehmen, besteht darin, einen bestimmten Abstand zwischen der Füllhöhe (der vom Tiegel nicht begrenzten Fläche des polykristallinen Siliziums) und des Rands des Tiegels, der nachfolgend als Einrichthöhe bezeichnet wird, auszuwählen. Bei einer vorgegebenen Einwaage an polykristallinem Silizium richtet sich die Einrichthöhe nach der Größe der Bruchstücke und/oder des Granulats, wobei sie umso geringer ist, je größer die Bruchstücke sind. Es wurde gefunden, dass die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze umso niedriger wird, je geringer die Einrichthöhe war. Um einen niedrigen Kohlenstoffgehalt in der Schmelze zu erzielen, ohne ein geringeres Volumen der Schmelze in Kauf nehmen zu müssen, kann beispielsweise eine geringe Einrichthöhe ausgewählt werden, indem eine vergleichsweise niedrige Einwaage an großen Bruchstücken in den Tiegel gefüllt wird, und das Volumen der nach dem Schmelzen der Bruchstücke entstandenen Schmelze erhöht wird, indem weiteres polykristallines Silizium zur Schmelze chargiert und geschmolzen wird. Ebenso ist es möglich, den Füllstand des Tiegels bei fester Einwaage durch die Größenverteilung des Polysiliziums zu kontrollieren. Die geeignete Kombination verschiedener Bruchgrößen mit Granulat und/oder großen Polysilizium-Stabstücken ermöglicht es, die Einrichthöhe für jede beliebige Tiegelform und -größe an die jeweilige Anforderung anzupassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt, wobei polykristallines Silizium in einem Tiegel zu einer Schmelze aus Silizium geschmolzen wird, während ein Strom von Inertgas mit einer Durchflussrate auf das schmelzende polykristalline Silizium gerichtet wird, und der Einkristall gemäß der Czochralski-Methode aus der Schmelze gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate des Inertgasstroms kontrolliert wird, um eine Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze zusätzlich eingestellt wird, indem die Durchflussrate des Inertgasstroms durch mindestens einen Parameter beeinflusst wird, der die Abmessung und die Form eines Ofens, in dem der Einkristall gezogen wird, eines Wärmeschilds, der den Einkristall umgibt, des Tiegels und eines ihn abstützenden Suszeptors, sowie eine relative Stellung zwischen dem Tiegel und einer Ziehwelle berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze zusätzlich eingestellt wird, indem ein Abstand zwischen einem Füllstand des polykristallinen Siliziums und eines Rands des Tiegels vor dem Schmelzen des polykristallinen Siliziums ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate des Inertgasstroms derart kontrolliert wird, dass 100 Normliter/Stunde bis 1000 Normliter/Stunde des Inertgasstroms das polykristalline Silizium umspülen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflussrate von Argon kontrolliert wird, um die Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schmelzen des Polysiliziums und vor dem Beginn des Ziehens des Einkristalls für eine bestimmte Dauer eine Temperatur der Schmelze und/oder die Durchflussrate des Inertgasstroms kontrolliert werden, um eine Konzentration von Kohlenstoff in der Schmelze einzustellen.