IT8648592A1 - Sostrato monocristallino di silicio al alto contenuto di ossigeno per dispositivi semiconduttori e procedimento per produrlo - Google Patents
Sostrato monocristallino di silicio al alto contenuto di ossigeno per dispositivi semiconduttori e procedimento per produrloInfo
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:
"SOSTRATO MONOCRISTALLINO DI SILICIO AD ALTO CONTENU TO DI OSSIGENO PER DISPOSITIVI SEMICONDUTTORI E PROCE DIMENTO PER PRODURLO"
RIASSUNTO
Viene descritto un procedimento per produrre so strati di silicio che consiste nell1accrescere il cor po cristallino di silicio ad una velocit? relativa mente elevata di accrescimento. Si ? trovato che la velocit? diaccrescimento del corpo cristallino di si licio influisce sostanzialmente sulla generazione di difetti del cristallo nel corpo cristallino di silicio o sostrato di silicio. Inoltre la concentrazione di os_ sigeno nel corpo cristallino di silicio oppure nel so_ strato di silicio ? n?ttamente pi? elevata che nei convenzionali cristalli o sostrati di silicio. La eie vata velocit? di accrescimento del corpo cristallino di silicio sopprime la separazione dell'ossigeno dal corpo cristallino. Ci? riduce il numero di difetti che si formano nel corpo cristallino durante il trat_ tamento termico nella produzione di dispositivi semi_ conduttori. Nel procedimento preferito secondo la pre sente invenzione, la velocit? di accrescimento del corpo cristallino di silicio ? maggiore od uguale a 1,2 mm/min. Inoltre la preferita concentrazioen di os_ sigeno nel corpo cristallino accresciuto di silicio viene scelta per essere maggiore oppure uguale a 1,8 x 10l8 Cm?3.
DESCRIZIONE
FONDAMENTO DELL'INVENZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione riguarda genericamente un sostrato monocristallino di silicio in grado di assor_ bire importante contaminazione di metallo. Inoltre la invenzione riguarda un procedimento per produrre un sostrato cristallino di silicio con elevata concentra^ zione di ossigeno. In particolare, l'invenzione riguar da un procedimento ed un dispositivo per produrre un sostrato di silicio ad alta concentrazione di ossige_ no tramite l'accrescimento cristallino.
Descrizione della tecnica antecedente
I sostrati di silicio vengono ampiamente adopera^ ti per produrre diversi dispositivi semiconduttori. In siffatti dispositivi semiconduttori si preferisce in genere ridurre al minimo la corrente di perdita. E' noto che la corrente di perdita pu? venir ridotta mediante un effetto chiamato "intrinsic gettering" (I.G.). L'effetto I.G. pu? venir ottenuto come risul_ tato di difetti formatisi nella struttura interna del sostrato di silicio.
Come ? noto, un sostrato di silicio ? derivato da un corpo cristallino di silicio preparato accrescen_ do un monocristallo di silicio da silicio fuso policri_ stallino per esempio secondo il procedimento Czochralski (in appresso chiamato "procedimento CZ"). Nel procedi_ mento CZ il corpo di silicio monocristallino viene tira_ to lentamente fuori da un bagno di silicio policristal_ lino fuso. I sostrati di silicio vengono ottenuti sezio_ nando o riducendo in piastrine il corpo monocristalli_ no finito di silicio.
Il corpo cristallino finito di silicio contiene una grande quantit? di ossigeno. L'ossigeno nel cor_ po cristallino di silicio genera difetti oppure dislo_ cazioni cristalline come ad esempio anelli di disloca_ zione, difetti di impalamento^ecc. dovuti a segregrazio_ ne di ossigeno durante il trattamento termico del so_ strato di silicio. I difetti nel dispositivo semicon_ duttore finito degradano le sue caratteristiche nomina_ li in particolare diminuiscono la sua tensione di sca_ rica distruttiva ed aumentano la sua corrente di perdi_ ta. Ne consegue che la resa di produzione di disposi^ tivi semiconduttori viene fortemente abbassata.
D'altro canto si ? trovato che difetti in di_ spositivi semiconduttori possano servire ad assorb?_ re contaminanti metallici mediante il cosiddetto ef_ fetto "intrinsic gettering" oppure I.G. Per esempio/ in dispositivi semiconduttori in cui la superficie del sostrato di silicio ? la regione principale atti_ va come per esempio in transistori ad effetto di cam_ po a porta isolata (MOS-FET) oppure circuiti integra_ ti che utilizzano MOS-FET, i difetti nel sostrato di silicio aldi fuori della regione principale attiva presentano l'effetto I.G. assorbendo contaminanti me_ fallici dalle regioni attive. Ci? aiuta a ridurre la corrente di perdita dei dispositivi semiconduttori.
Vi sono per? difficolt? nell'ottenere un cospi_ cuo effetto I.G. nella produzione di massa. Per esempio, in casi in cui il corpo cristallino di si_ licio viene accresciuto mediante il convenzionale pro_ cedimento CZ, la concentrazione di difetti nel corpo cristallino tende ad essere sostanzialmente diversa nella parte superiore, corrispondente all'inizio del_ l'accrescimento, che al fondo, corrispondente alla fi_ ne dell'accrescimento, in conseguenza di isteresi ter_ mica. Inoltre, anche se ? preferibile una elevata con_ centrazione di ossigeno per favorire l'effetto I.G., quando la concentrazione si ossigeno ? eccessivamente elevata, i difetti tendono a formarsi anche alle super_ fici dei dispositivi semiconduttori con il risultato di deteriorare le caratteristiche dei dispositivi semi_ conduttori, come esposte in precedenza. Inoltre, in al_ cuni procedimenti per la produzione di ?semiconduttori si deve fare attenzione ad un controllo preciso della concentrazione di ossigeno oppure si debbono effettuare speciali trattamenti I.G. in considerazione delle condi_ zioni di trattamento termico richieste per produrre al_ cuni dispositivi semiconduttori.
In questo modo ? continuo il problema nella tecnica di fabbricare in modo efficiente sostrati di silicio per dispositivi semiconduttori onde ottenere una concen_ trazione sostanzialmente elevata di ossigeno sufficien_ te per favorire l'effetto I.G. ed abbassare la cor_ rente di perdita senza generare un effetto negativo a causa di difetti nel dispositivo semiconduttore fini_ to, in particolare dopo il trattamento termico.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
E' perci? uno scopo generale dell'invenzione for_ nire un sostrato di silicio ed un procedimento per la sua produzione che possano risolvere il problema sopra esposto. Un altro scopo dell1invenzione ? di fornire un sostrato di silicio contenente una concentrazione relativamente elevata di ossigeno senza deteriorare le sue caratteristiche in conseguenza di segregazione di ossigeno, anelli di dislocazione, difetti di impi_ lamento ecc.
Un altro scopo della presente invenzione ? di fornire un procedimento per produrre sostrati di sili_ ci? quale materiale di partenza per la produzione di dispositivi semiconduttori, il quale consente rese eie vate senza provocare deterioramento delle caratteristi che dei prodotti finiti.
Per realizzare gli scopi sopra menzionati ed al_ tri ancora, un procedimento per produrre sostrati di silicio consiste nell'accrescere il corpo cristallino di silicio ad una velocit? maggiore di quella normal_ mente impiegata. Si ? trovato che la velocit? di ac_ crescimento ? del corpo cristallino di silicio influisce in modo cospicuo sulla generazio_ ne di difetti nel corpo cristallino di silicio. Inol_ tre, secondo la presente invenAzione, la concentrazio ne di ossigeno nel corpo cristallino di silicio oppu_ re nel sostrato di silicio ?-nettamente maggiore che nei convenzionali corpi o sostrati cristallini di si_ licio. L'accelerazione d'accrescimento del corpo cri_ stallino di silicio sopprime nettamente la separazio_ ne dell'ossigeno nel corpo cristallino. Ci? diminuisce il numero di difetti o dislocazioni formatisi nel cor po cristallino durante il trattamento termico nella produzione di dispostiivi semiconduttori.
Nel procedimento preferito, secondo la presente invenzione, la velocit? di accrescimento del corpo cri_ stallino di silicio ? maggiore od uguale a 1,2 mm/min. Inoltre la preferita concentrazione di ossigeno nel corpo cristallino accresciuto di silicio ? maggiore od ugnale a 1,8 x IO3-8 cm"3.
Secondo l'invenzione, un sostrato di silicio contenente ossigeno in concentrazioni maggiori o ugua_ li a 18 x IO3?8 cm"3 pu? ottenere una corrente di per_ dita minore od uguale a 1 x IO-3-0. Secondo un aspetto dell'invenzione, il procedimento per produrre sostrati di silicio contenenti una concentrazione nettamente elevata di ossigeno per dispositivi semiconduttori com_ prende le operazioni di :
accrescere un monocristallo di silicio da una massa fusa di silicio ad una velocit? nettamente eie vata di accrescimento scelta per impedire perdita di ossigeno dal monocristallo durante il successivo trat_ tamento termico nella produzione del dispositivo semi_ conduttore; e formare il sostrato di silicio dal mono_ cristallo di silicio.
La preferita velocit? di accrescimento del mono_ cristallo di silicio ? maggiore od uguale a 1,2 mm/min.
D'altro canto, la preferita concentrazione di ossige_ no nel sostrato di silicio ? maggiore od uguale a
1,8 x ???? enfi, inoltre di preferenza, la velocit? di accrescimento del monocristallo di silicio si tro_ va nell'intervallo di circa 1,5 mm/min. e 2,1 mm/min.
Nella realizzazione preferita, l'operazione di ac_ crescimento del monocristallo di silicio comprende le ope razioni di: disporre il silicio in un crogiolo ri_ scaldare il silicio in modo di mantenerlo in uno stato fluido; e tirare gradualmente il monocristallo di sili_ ci? fuori dalla massa fusa di silicio nel crogiolo.
Nell'operazione di riscaldamento del silicio, il calore ad esso applicato ? sufficiente per impedii re che la superficie del silicio solidifichi. Pi? pre_ feribilmente, nella operazione di riscaldamento del silicio, viene applicato pi? calore alla superficie del silicio che al rimanente della massa fusa di sili_ ci?.
In una realizzazione in alternativa, il procedi_ mento comprende inoltre l'operazione di applicare un campo magnetico al silicio. Inoltre, il procedimento preferito pu? per di pi? comprendere l'operazione di azionare il crogiolo per rotazione. La velocit? di rotazione del crogiolo pu? venire regolata in modo di mettere a punto la concentrazione di ossigeno nel so_ strato di silicio.
Secondo un altro aspetto dell1invenzione,1'appa_ recchio per accrescere un monocristallo di silicio, conten?nte una concentrazione nettamente elevata di ossigeno quale materia prima per sostrati di silicio per dispositivi semiconduttori, al fine di realizzare il procedimento di produzione sopra menzionato per il sostrato di silicio, comprende un crogiolo per rice_ vere silicio; mezzi di riscaldamento per riscaldare il silicio in modo di mantenerlo allo stato fluido; e mezzi di tiro per tirare il monocristallo di sili_ ci? dalla massa fusa nel crogiolo ad una velocit? so stanzialmente elevata in modo di impedire perdite di ossigeno dal sostrato durante il successivo trattamen to termico nel processo di produzione di dispositivi semiconduttori. Di preferenza la velocit? di tiro del monocristallo di silicio ? maggiore od ugrrale ad 1,2 mm/min. Inoltre, la preferita concentrazione di ossigeno irei sostrato di silicio ? maggiore od ugua_ le a 1,8 x 10^? cm~3. i mezzi di riscaldamento appli_ cano calore sufficiente per impedire che la superfi_ eie della massa fusa di silicio solidifichi. I mez_ zi di riscaldamento applicano in questo modo pi? ca_ lore alla superficie della massa fusa di silicio che al rimanente di questa.
L'apparecchio comprende inoltre mezzi per appli_ care un campo magnetico alla massa fusa di silicio. Inoltre, l'apparecchio pu? ulteriormente comprendere mezzi per comandare la rotazione del crogiolo. I mezzi per comandare il crogiolo lo muovono ad una velocit? variabile consentendo di mettere a punto la concentra_ zione di ossigeno nel sostrato di silicio.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, viene prodotto un dispositivo semiconduttore da un sostrato di silicio avente una concentrazione di ossigeno mag_ giore oppure uguale a 1,8 x 10 cm-3 ed avente un va_ lore di corrente di perdita minore di 1 x 10?1? A. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verr? meglio compresa dal_ la descrizione dettagliata data in appresso e dagli annessi disegni della realizzazione preferita dell'in_ venzione che per? non limitano l'invenzione alla spe_ cifica realizzazione ma servono soltanto per spiegarla e comprenderla.
Nei disegni:
la figura 1 ? una sezione di un apparecchio per accrescimento di cristalli di silicio che attua la preferita realizzazione del procedimento per produzio_ ne di cristalli di silicio secondo l'invenzione;
la figura 2 ? una vista prospettica di parte del_ l'elemento scaldante di figura 1;
la figura 3 ? un grafico a tre dimensioni delle relazioni osservate fra velocit? di accrescimento del cristallo, concentrazione d'ossigeno e densit? di di_ fetti di impilamento.
La figura 4 ? un grafico del tempo di trattamento termico in funzione della concentrazione di ossigeno;
le figure 5 e 6 mostrano i risultati di misure di corrente di perdita di un certo numero di diodi campio_ ne ottenuti mediante il procedimento di produzione del sostrato di silicio secondo la presente invenzione e rispettivamente mediante un noto processo convenziona_ le; e
la figura 7 ? una sezione di una realizzazione mo dificata dell'apparecchio per accrescimento dei cri_ stalli di silicio che attua la realizzazione preferi_ ta del procedimento per la produzione di cristalli di silicio secondo l'invenzione.
DESCRIZIONE DELLA REALIZZAZIONE PREFERITA
Facendo ora riferimento ai disegni, la figura 1 mostra un apparecchio per accrescimento di monocristal lo di silicio che effettua la realizzazione preferita di un procedimento per produrre sostrato di silicio secondo la presente invenzione. Come si pu? vedere dalla figura 1, la realizzazione preferita del proce_ dimento per produrre sostrato di silicio comprende un procedimento per accrescere un corpo monocristalli_ no di silicio quale materiale di partenza per sostrati di silicio. Secondo il procedimento preferito, il mo_ nocristallo di silicio viene accresciuto mediante il procedimento CZ.
Nell'apparecchio per accrescimento di monocristal lo della presente invenzione, il silicio 3 viene fuso in un crogiolo 2 di quarzo disposto entro un crogio_ lo 1 di grafite. Un generatore termico 4 di grafite ed un materiale termoisolante 9 si trovano attorno al ero giolo 1. Numerose incamiciature IOa, lOb e 10c di raf freddamente sono disposte attorno al materiale isolan__ te 9. L'incamiciatura lOb di raffreddamento presenta una finestrina 12 per consentire l'osservazione del mo cristallo tirato 6. Un tubo 13 di scarico ? previsto nel fondo della incamiciatura lOb di raffreddamento per scaricare gas inerte che serve come atmosfera in__ trodotta dall'alto nelle incamiciatura 10a, 10b e 10c. Un albero 8, fissato alla superficie inferiore del ero giuolo 1, passa liberamente attraverso un?apertura lOd nel fondo della incamiciatura IOa di raffreddamento e viene adoperato per girare e sollevare oppure abbassa_ re il crogiolo 1. Il bordo inferiore del generatore termico 4 ? fissato ad una piastra anulare 14 che a sua volta ? fissata ad una coppia di alberi 15 pas_ santi liberamente attraverso due aperture lOe e lOf sul fondo della incamiciatura lOa di raffreddamento. Gli alberi 15 vengono adoperati per sollevare oppure ab bassare il generatore termico 4. Uno schermo termico cilindrico 16 di molibdeno, con un diametro interno leggermente maggiore di un diametro esterno del mono_ cristallo 6, si trova al di sopra del silicio liquido 3 ed attorno al monocristallo 6. Entro lo schermo termico 16, un cristallo 5 di innesco viene tenuto da un man_ drino 7 fissato all'estremit? inferiore di un albero 17 di tiro in modo che un monocristallo cilindrico 6 pu? venir accresciuto dal cristallo 5 di innesco.
Nel procedimento CZ, la velocit? massima di accre_ scimento di monocristallo Vmax pu? venir espressa come segue, ammettendo che l'interfaccia solido/liquido tra monocristallo 6 ed il liquido 3 ? piana e non esiste alcun gradiente radiale di temperatura nel monocristal? lo 6:
vmax = JhLp. (?dX
in cuijk denota la conducibilit? termica del monocri_ stallo 6, h denota il calore di solidificazione, f de_ nota la densit? e dT/dX denota il gradiente di tempe_ ratura nella fase solida del monocristallo 6 in corri_ spondenza dell'interfaccia solido/liquido. Pi? esatta mente, X denota la distanza lungo l'asse longitudinale del monocristallo 6. Nell'espressione sopra riportata, poich? k, h e f sono propriet? intrinsiche del materia_ le, ? allora necessario aumentare il gradiente di tempe ratura dT/dX allo scopo di aumentare oppure ottenere una grande velocit? massima di accrescimento del mono_ cristallo Vmax. Nel sopra citato procedimento CZ per?, poich? il monocristallo 6 viene riscaldato per radiazio ne dalla superficie del liquido 3,dalla parete interna del crogiolo e dal generatore termico 4, il valore del gradiente di temperatura dT/dX ? inevitabilmente limita to per cui la velocit? di accrescimento in pratica ? sempre stata relativamente piccola. Da quanto si ? det_ to sopra, si osserver? che la velocit? di accrescimeli^ to del monocristallo di silicio pu? venire accelerata riducendo il calore applicato al silicio fuso 3 median_ te il generatore termico 4 ed abbassando di conseguen_ za la temperatura del silicio fuso. Sebbene ci? abbia un effetto direttamente proporzionale all'abbassamen_ to del gradiente termico, in base alla legge di Stefan-Boltzmann, il calore irradiato verso il monocristallo viene ridotto in una misura molto maggiore per cui lo effetto netto ? un aumento nel gradiente di temperatu_ ra dT/dX. Comunque, la riduzione del calore prodotto dal generatore termico 4 per ottenere una pi? elevata velocit? di accrescimento significa che la superficie del silicio fuso tender? a solidificarsi poich? la superficie del silicio fuso viene raffreddata per espo_ sizione all'atmosfera gassosa del forno. Ci? limita l'entit? alla quale pu? venire abbassata la tercpepatu_ ra del silicio fuso 3. Il generatore termico 4 del pre_ ferito apparecchio per l'accrescimento di monocrista1_ 10 di silicio ? in grado di applicare calore sufficien_ te alla superficie del silicio fuso 3 per mantenere 11 silicio allo stato liquido. In 'particolare, il gene ratore termico 4 della costruzione preferita ? in grado di applicare alla superficie del silicio fuso pi? ca_ lore che al rimanente corpo di sili.cio fuso,consenten_ do in questo modo di ridurre al minimo la temperatura del silicio fuso 3.
La figura 2 mostra la struttura del generatore termico 4. Il generatore termico 4 ? fatto di un ma_ feriale conduttivo come per esempio grafite ed ha in genere la forma di un manicotto cilindrico con una porzione rastremata 4a nella sua estremit? superiore. Il generatore termico 4 ? costituito con scanalature superiori 4b e scanalature inferiori 4c alternanti, ognuna delle quali si estende parallelamente all'asse verticale del generatore termico 4. Questa costruzio__ ne fornisce il guscio cilindrico con una coniigurazio_ ne a serpentina idonea per l'impiego come elemento scaldante elettrico. Oltre a ci?, le estremit? superio_ ri delle scanalature inferiori 4c sono angolarmente biforcate per costituire due corte scanalature 4d e 4e che si estendono ad un angolo di 45? rispetto alla scanalatura 4c. La corrente passa attraverso ciascuna sezione definita da adiacenti scanalature superiore ed inferiore 4b e 4c e genera calore per perdita ohmica.
Per accrescere il monocristallo 6 con il cristal_ lo 5 di innesco dal materiale fuso di silicio mediante l'apparecchio per accrescimento di monocristallo costru? to come descritto, i due crogiolo 1 e 2 vengono ruo_? tati in senso orario mediante l'albero 8 ed il mono_ cristallo accresciuto 6 viene ruotato dall'albero 17 in senso antiorario,oppure al contrario. Al tempo stes_ so, l'albero 17 di tiro viene gradualmente sollevato mediante un meccanismo di comando (non mostrato) per tirare il monocristallo 6 fuori dalla massa fusa. 0l_ tre a ci?, i due crogioli 1 e 2 vengono entrambi sol_ levati gradualmente in modo che la superficie del li_ quido 3 pu? venir tenuta ad una predeterminata po_ sizione rispetto al generatore termico 4.
L'apparecchio sopra descritto presenta i seguen_ ti vantaggi: l'estremit? superiore 4a del generatore termico 4 ? rastremata ed inoltre le scanalature bi forcate 4d e 4e sono costituite in corrispondenza delle estremit? superiori delle scanalature inferio_ ri 4c e l'area in sezione della sezione rastremata 4a ? minore del resto del generatore termico 4. In par_ ticolare, l'area in sezione vicino alle scanalature biforcate 4d e 4e ? molto piccola. Di conseguenza, quando la corrente passa attraverso ilgeneratore ter_ mico 4, la porzione rastremata 4a del generatore ter_ mico 4 viene riscaldata ad una temperatura maggiore delle altre porzioni del generatore termico 4. Ne con_ segue che ? piccola la differenza di temperatura tra_ la massa fusa 3a disposta verticalmente di fronte al_ la porzione rastremata 4a ed in corrispondenza della pa rete interna del crogiolo 2 ed il valore massimo en_ tro il corpo della massa fusa 3. Oltre a ci?,poich? la porzione rastremata 4a aumenta la resistenza elet_ trica totale del generatore termico 4 rispetto a model_ li convenzionali, la temperatura del generatore termi_ co 4 sar? maggiore a parit? di quantit? di corrente. In questa realizzazione perci?,la corrente attravers_ so il generatore termico 4 pu? essere pi? piccola che nei convenzionali riscaldatori di analogo modello.
Come si ? spiegato, ? necessario aumentare il gradiente di temperatura (dT/dX) entro il monocristal__ lo 6 in fase solida in corrispondenza della interfac_ eia solido/liquido al fine di aumentare la velocit? massima di accrescimento Vmax . Sarebbe perci? preferi_ bile ridurre l'emissione di calore del generatore ter_ il
mico 4 poich?/monocristallo viene riscaldato mediante radiazione dal generatore termico 4.
Nell'apparecchio secondo la presente invenzione, anche se l'emissione di calore del generatore termico 4 viene ridotta per aumentare il gradiente di temperatura (dT/dX), poich? la differenza massima sopra menzionata di temperatura tra la superficie 3a ed il corpo della massa fusa 3 ? piccola, ? possibile impedire alla su_ perficie della massa fusa 3 di solidificare in corri_ spondenza della parete interna del crogiolo 2. Ne con_ segue che ? possibile aumentare nettamente la velocit? di accrescimento di almeno 0,2 mm/min, per esempio ri_ spetto ai sistemi convenzionali.
Inoltre ? possibile accrescere in continuo il mo_ nocristallo 6 aumentando in questo modo la produtti_ vit? e diminuendo la spesa di produzione del monocri_ stallo.
La realizzazione preferita del procedimento per produrre il sostrato di silicio secondo la presente invenzione utilizza l'apparecchio sopra descritto.
Si ? trovato, nella presente invenzione, che la velo_ cit? di accrescimento del cristallo influisce molto sulla generazione di difetti di cristallo in parti_ colare difetti di impilamento. Per questo motivo, nel_ la presente invenzione, la velocit? di accrescimento del cristallo viene fissata ad un valore pi? alto di 1,2 mm/min, allo scopo di ottenere un corpo cristalli_ no di silicio con una concentrazi?ne di ossigeno mag_ giore di 1,8 x 10^? cm-?. Vengono in questo modo fab_ bricati sostrati di silicio mediante riduzione a pia_ strine di questo corpo monocristallino di silicio.
Stabilendo la velocit? di accrescimento del monocri_ stallo di silicio pi? elevata che nei sistemi convenzio nali si impedisce la segregazione di silicio nei suc_ cessivi trattamenti termici e si impediscono in que_ sto modo le connesse perdite di qualit? di monocristal_ lo accresciuto di silicio. Di conseguenza ? possibile aumentare la concentrazione di ossigeno. Nella preisen_ te invenzione si possono ottenere concentrazioni di ossigeno di 1,8 x ?O^? cm-^ ed oltre ed in questo mo__ do ? possibile ottenere un migliorato effetto I.G. .
La trattazione che segue riguarda il sostrato fi_ nito di silicio prodotto mediante il procedimento pre_ ferito secondo 11invenzione,in cui si utilizza 1'ap_ parecchio delle figure 1 e 2.
Il corpo monocristallino di silicio viene tirato ed accresciuto secondo il procedimento CZ. Dal corpo monocristallino ? stata tagliata una piastrina. Le superfici della piastrina sono state lucidate a spec_ chio e sottoposte per due volte a trattamento termico ad una temperatura di 1100?C per 2 ore in atmosfera di ossigeno secco. Dopo di ci?, la piastrina ? stata corrosa fino ad una profondit? di 13 um mediante il co_ siddetto metodo di corrosione a secco per rivelare di fetti. Per effettuare questo saggio, sono stati ottenu_ ti diversi campioni variando la velocit? di accrescimen_ to del corpo monocristallino di silicio nel processo CZ. Sono stati pure ottenuti diversi campioni a diverse con_ centrazioni di ossigeno. E' stata misurata la densit? di difetti di impalamento in questi campioni. I risultati di queste misure sono mostrati in figura 3.
I risultati mostrati in figura 3 dimostrano che so_ stanzialmente non si formano difetti di impilamento se la velocit? di accrescimento del monocristallo di sili_ ci? ? maggiore od uyrale ad 1^2 mm/min. Inoltre ? stato pure confermato che non vengono generati difetti di im_ pilamento durante il trattamento della piastrina di si_ licio o del sostrato di silicio, compresa la lucidatu_ ra della superficie. Inoltre, sono state misurate le va_ riazioni nella concentrazione di ossigeno dovute al trat tamento termico a 750?C. La figura 4 mostra i risulta_ ti di queste misurazioni sotto forma di una curva che mette in relazione concentrazione di ossigeno con tempo di trattamento termico. Nel disegno le curve 21 fino a 23 rappresentano la relazione fra concentrazio__ ne di ossigeno e tempo di trattamento termico ad una velocit? di accrescimento del cristallo maggiore di 1,2 mm/min. Le concentrazioni iniziali di ossigeno per le curve 21 fino a 26 erano 1,644 x 10^8 cm~3,
1,667 x 10^8 cm?8, 1,709 x 10^8 cm~3, 1,866 x 1?!8 cm~3, 2,019 x 1?18 cm?8, 2,019 x 10^8 Cm-3 e rispetttivamen_ te 1,737 x 10^-8 cm-^. Anche se la concentrazione di ossi geno alla fine diminuisce quando l'ossigeno viene scac_ ciato dal sostrato di silicio o dal corpo monocristal__ lino di silicio mediante il trattamento termico, ? evi_ dente che nel caso di elevate concentrazioni iniziali di ossigeno,dovute alla presente invenzione, rappre_ sentate dalle curve 24 fino a 26, la variazione ? esigua anche dopo un trattamento termico relativamente lungo e si verifica una perdita misurata di ossigeno soltan_ to dopo un tempo molto lungo.
Come si osserver? dalle figure 3 e 4, ? evidente che l'accrescimento cristallino ad alta velocit? com_ porta minori difetti.
Nel saggio in appresso, sono stati preparati dio_ di formando una giunzione n+ -P su sostrati di silicio ottenuti secondo la presente invenzione e secondo il metodo convenzionale, e per ciascun diodo ? stata misurata la corrente di perdita della giunzione p-n.
In questo caso, una regione di tipo p si era forma_ ta dal suo sostrato di silicio di tipo n e si erano formate regioni n+ aventi un'area di 2,4 x IO-12 cm di pezzo/cm2. Le misurazioni sono state effettuate applicando una tensione di prova di 5V alla regione n+. In figura 5 so?no mostrati risultati di saggi su so_ strati di silicio formati da un corpo monocristalli_ no di silicio accresciuto mediante il procedimento
CZ ad una velocit? di accrescimento dei cristalli mag_ giore oppure uguale a 1,2 mm/min e che hanno una con_ centrazione di ossigeno di 2,0 x ?O^-? cm-?. D'altro canto, la figura 6 mostra il risultato di saggi ef_ fettuati su sostrati di silicio formati da un corpo monocristallino di silicio accresciuto secondo il convenzionale metodo di accrescimento di monocristal lo di silicio ad una velocit?^di accrescimento ' del cristallo di 0,6 fino a 0,9 mm/min. Nelle figure 5 e 6, l'ascissa ? la misurata corrente di perdita e l'ordinata ? il numero di campioni che presentano la indicata corrente di perdita. Come si pu? comprende_ re da un confronto delle figure 5 e 6, nel caso di sostrati di silicio fabbricati secondo la presente invenzione , la corrente di perdita ? con sicurezza diminuita a IO-11 A o meno.Ci? pu? essere dovuto al pronunciato effetto I.G. prodotto dalla elevata con_ centrazione di ossigeno.
Si dovrebbe notare che il preferito procedi_ mento secondo la presente invenzione pu? fornire un corpo monocristallino di silicio ad elevata concen_ trazione di ossigeno. E' pure possibile determinare con precisione la concentrazione di ossigeno da una ampia gamma adottando un procedimento di accrescimen_ to del cristallo in cui un campo magnetico viene ap_ plicato ad una massa fusa di silicio in un crogiol? di quarzo ed il crogiolo viene ruotato quando neces_ sario. Un esempio di questo procedimento di accresci mento del cristallo in cui viene adoperato un campo ma gnetico verr? spiegato facendo riferimento alla figu_ ra 7.
Nel disegno tutto l'apparecchio ? genericamente indicato dal numero di riferimento 31. Un crogiolo 32 di quarzo contiene silicio fuso dal quale viene accresciuto un cristallo. l? crogiolo 32 viene ruotato attorno al suo asse centrale ad una velocit? di rota_ zione regolabile. Un dispositivo 34 di riscaldamento si trova attorno al crogiolo 32. Il dispositivo 34 di riscaldamento pu? essere un riscaldatore cilindri_ co elettrico 35 analogo al riscaldatore 4 della prece_ dente realizzazione. Un corpo cilindrico termoisolan_ te oppure una incamiciatura 36 raffreddata con acqua, se necessario, ? prevista all'esterno del dispositi_ vo di riscaldamento. Un dispositivo 37 generatore di campo magnetico in corrente continua, costituito da un magnete permanente oppure da un elettromagnete, ? disposto all'esterno dell'incamiciatura 36. Un inne_ sco di monocristallo di silicio ? indicato dal numero di riferimento 38 mentre un mandrino di tiro ? mostra to al numero 39 di riferimento. Il mandrino 39 di ti_ ro solleva l'innesco 38 di monocristallo di silicio mente fa ruotare l'innesco attorno all'asse di rota_ zione del crogiolo.
L'alimentazione di energia elettrica al disposi_ tivo 34 di riscaldamento ? corrente continua con 4% o meno di ondulazione oppure una corrente alternata o pulsante di 1 kHz o pi? elevata. Questo tipo di cor rente si ? dimostrato adeguato per impedire indeside_ rata risonanza fra il dispositivo 34 di riscaldamen_ to ed il campo magnetico.
L'innesco 38 di silicio monocristallino viene tirato via dalla superficie di silicio fuso ad una velocit? predeterminata in modo da indurre accresci_ mento di un monocristallo di silicio 40. In questo caso, variando la velocit? di rotazione del crogio_ lo 32,in particolare si varia pure la concentrazione di ossigeno nel cristallo finito 40. Ci? ? dovuto al motivo seguente. Il silicio fuso nel crogiolo ha una effettiva viscosit? migliorata dall'applicazione di un campo magnetico. Poich? il silicio viene fatto ruo tare rispetto alla rotazione del crogiolo, ne risulta contatto d'attrito tra il silicio fuso 3 e le pareti interne del crogiolo 32. Di conseguenza l'ossigeno nel le pareti del crogiolo 32, in particolare del quarzo, viene disciolto nel silicio fuso 33. La concentrazione di ossigeno nel cristallo 40 in accrescimento aumenta quindi poich? aumenta l'ossigeno disciolto con 1'aumen tare del contatto d'attrito vale a dire con l'aumento della velocit? di rotazione del crogiolo rispetto al silicio fuso 33. Inoltre ? stato confermato che una pi? elevata concentrazione di ossigeno nel cristallo pu? venire ottenuta se la velocit? di rotazione del crogiolo ? sufficientemente alta /quando viene appli_ cato un campo magnetico di quando non viene applica_ to alcun campo magnetico.
Come si ? descritto in precedenza, poich? ? pos_ sibile mantenere una elevata concentrazione d'ossi_ geno, la presente invenzione porge molti vantaggi. Per esempio, si possono essenzialmente eliminare gli effetti di isteresi termica quando il corpo di cristal
Claims (28)
1. Procedimento per produrre un sostrato di sili_ ci? contenente una concentrazione nettamente eleva_ ta di ossigeno per dispositivi semiconduttori, com_ prendente le operazioni di :
accrescere un monocristallo di silicio da una massa fusa di silicio ad una velocit? sostanzialmen_ te elevata d'accrescimento scelta per impedire per_ dita di ossigeno dal monocristallo durante il succes_ sivo trattamento termico nella produzione del dispo_ sitivo semiconduttore; e
formare il sostrato di silicio dal monocristal__ lo di silicio.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la velocit? di accrescimento del monocristallo di silicio ? maggiore o uguale a 1,2 mm/min.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la concentrazione d'ossigeno nel sostrato di silicio ? maggiore od uguale a 1,8 x 1018 cm?3.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui la concentrazione d'ossigeno nel sostrato di si_ licio ? maggiore od uguale a 1^,8 x ?O^8 cm?3.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui la velocit? di accrescimento del monocristallo di silicio ? di preferenza nell'intervallo di circa
1,5 mm/min e 2,1 mm/min.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui l'operazione di accrescimento del monocristallo di silicio comprende le operazioni di :
disporre il silicio in crogiolo;
riscaldare il silicio in modo di mantenerlo allo stato fluido; e
tirare gradualmente il monocristallo di silicio fuori dalla massa fusa nel crogiolo.
7 . Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui nella operazione di riscaldamento delsilicio, il calore ad esso applicato ? sufficiente per impedire che la superficie del silicio solidifichi.
8. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui nella operazione di riscaldamento del silicio, vie__ ne applicato piu calore alla superficie del silicio che al rimanente della massa fusa di silicio.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 6, che comprende inoltre l'operazione di applicare un campo magnetico al silicio.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 6, che comprende inoltre l'operazione di comandare detto cro_ giolo per rotazione.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui la velocit? di rotazione del crogiolo pu? veni_ re regolata in modo di mettere a punto la concentra_ zione di ossigeno nel sostrato di silicio.
12. Apparecchio per l'accrescimento di monocristal lo di silicio, contenente una concentrazione sostanziai mente elevata di ossigeno quale materia prima per so_ strati di silicio per dispositivi semiconduttori, com_ prendente:
un crogiolo per contenere il silicio;
un dispositivo per riscaldare il silicio in modo di mantenerlo allo stato fluido? e '
un dispositivo per tirare il monocristallo di sili ci? dalla massa fusa nel crogiolo ad una velocit? so_ stanzialmente elevata in modo di impedire perdita di ossigeno dal sostrato durante il successivo trattamen_ to termico nel procedimento di produzione dei dispo_ sitivi semiconduttori.
13. Apparecchio secondo la rivendicazione 12, in cui la velocit? di tiro del monocristallo di sili_ ci? ? maggiore od ugrrale a 1,2 mm/min.
14. Apparecchio secondo la rivendicazione 13, in cui la concentrazione di ossigeno nel sostrato di silicio ? maggiore od uguale a 1,8 x IO*-8 cm~3. ;
15. Apparecchio secondo la rivendicazione 13, in cui la velocit? di accrescimento del monocristallo di silicio ? di preferenza nell'intervallo di circa 1,5 mm/min e 2,1 mm/min. ;
16. Apparecchio secondo al rivendicazione 12, in cui il dispositivo di riscaldamento applica calo_ re sufficiente ad impedire che la superficie della mas_ sa fusa di silicio solidifichi. ;
17. Apparecchio secondo la rivendicazione 16, in cui il dispositivo di riscaldamento applica alla superficie della massa fusa di silicio pi? calore che al rimanente di questa. ;
18. Apparecchio secondo la rivendicazione 12, che comprende inoltre mezzi per applicare un campo magnetico alla massa fusa di silicio.? ;
19. Apparecchio secondo la rivendicazione 12, che comprende inoltre mezzi per comandare la rota_ zione del crogiolo. ;
20. Apparecchio secondo la rivendicazione 19, in cui i mezzi per comando de},crogiolo lo muovono ad una velocit? variabile che consente di mettere a punto la concentrazione di ossigeno nel sostrato di silicio. ;
21. Dispositivo semiconduttore prodotto da un sostrato di silicio avente una concentrazione di os geno maggiore od uguale a 1,8 x ?O^8 cm"?* ed avente un valore di corrente di perdita minore di 1 x IO-10 A.
22. Procedimento per produrre un sostrato di silicio con aumentata concentrazione di ossigeno com prendente le operazioni di:
accrescere un monocristallo di silicio da una massa fusa di silicio ad una velocit? di accrescimento efficacemente accelerata per ridurre il numero di difetti che si formano durante il successivo tratta_ mento termico,in modo di sopprimere la separazione di ossigeno nel corpo di cristallo ed aumentare l'ossi_ geno nel corpo di cristallo, riducendo in questo mo_ do la corrente di perdita, detta velocit? di accresci_ mento accelerata essendo in relazione con detta aumentata concentrazione di ossigeno; e
formare il sostrato di silicio dal monocristallo di silicio.
23. Procedimento secondo la rivendicazione 22, in cui la velocit? accelerata di accrescimento ? alme_ no 1,2 mm/min e la concentrazione di ossigeno ? almeno 1,8 x 1018 cm-3.
24. Procedimento secondo al rivendicazione 23, in cui la velocit? accelerata di accrescimento si tro_ va nell'intervallo di circa 1,5 mm/min e circa 2,1 mm/ min.
25. Procedimento fecondo la rivendicazione 22, in cui l'operazione di accrescimento comprende l'ope_ razione di applicare alla superficie della massa fusa di silicio pi? calore che il rimanente di questa onde impedire che la superficie della massa fusa di silicio solidifichi .
26. Procedimento secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre l'operazione di applicare un campo magnetico al silicio.
27. Procedimento secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre l'operazione di fare ruotare un crogiolo in senso opposto a detta massa fusa.
28. Procedimento secondo la rivendicazione 27, comprendente inoltre l'operazione di regolare la ve_ locit? di rotazione del crogiolo onde mettere a pun_ to la concentrazione di ossigeno nel sostrato di si_ licio.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TA | Fee payment date (situation as of event date), data collected since 19931001 |
Effective date: 19961021 |