CN1350602A - 在半导体晶体生长工艺中控制锥体生长的方法与系统 - Google Patents

Abstract

根据锥体斜率控制半导体单晶锥体部分生长的方法与系统。晶体驱动单元按照目标提拉速率使生长的晶体从熔体拉出,其目标提拉速率基本上遵从生长锥体的起始速度分布。控制器计算作为晶体直径对于晶体长度变化而改变的函数的目标斜率的测量值。然后控制器产生作为锥体斜率测量值与目标锥体斜率之差的函数的误差信号,从而对晶体驱动单元提供作为误差信号函数的提拉速率修正值。接下来,晶体驱动单元根据提拉速率修正值来调节提拉速率,以减小锥体斜率测量值与目标锥体斜率之差。目标锥体斜率被定义为一函数,它包含一个通常的指数部分和一个通常的线性部分。

Description

在半导体晶体生长工艺中控制锥体生长的方法与系统

技术领域

本发明一般涉及到改进用来制造电子元件的单晶半导体生长工艺的控制，确切地说，涉及到切克劳斯基晶体生长工艺中精确控制锥体生长的一种闭环方法与系统。

背景技术

单晶硅是大多数制造半导体电子元件工艺的原料。使用切克劳斯基工艺的拉晶设备生产了大部分的单晶硅。简要地讲，切克劳斯基工艺包括将专门设计的炉内石英坩埚中所装的高纯多晶硅熔融。在加热坩埚使所装的硅熔融后，晶体提升机构使籽晶下降与熔硅接触。该机构然后从硅熔体中提拉籽晶拉出所生长的晶体。

在形成晶体细颈后，典型的工艺用降低拉速和/或熔体温度来增大生长晶体的直径，直至达到所要的直径。在补偿熔体液面降低时控制拉速和熔体温度，使得生长的晶体主体具有近似恒定的直径(即，一般为圆柱状)。在接近生长工艺终了但坩埚中的熔硅尚未用尽之前，工艺过程使晶体直径逐渐减小而形成尾锥。典型地，尾锥是由增加晶体拉速和坩埚供热而形成的。当直径变得足够小时，晶体则与熔硅分离。在生长过程中，坩埚使熔体沿一个方向转动，而晶体提升机构使其拉晶钢索或轴与籽晶和晶体一起沿相反方向转动。

虽然目前采用的切克劳斯基生长工艺已满足了各种广泛应用的单晶硅生长需要，但进一步的改进还是需要的。例如，一致的和可重复的籽晶-尾锥体状将有助于保持一致的最大热应力值，在晶体生长初期有一致的热传输，并改善直径测量系统的可靠性。为此，希望控制锥体生长，使生长的锥体形状可重复，以改善锥体的一致性和可重复性。

常规的锥体生长控制常包括用尝试和误差调节来控制熔体的加热，作为选择，例如通过根据预设的温度曲线来控制给定测量温度(即，目标温度～锥体直径)的控制方法来控制加热。这里引入其全部公开作为参考的美国专利5,223,078号和4,973,377号描述了常规的锥体生长控制。

例如，Maeda等的美国专利5,223,078号讲述了一种控制邻近籽晶(即，锥体)的晶体圆锥部分生长的方法。这种方法要求在锥体生长期间主动测量和调节工艺变量。在Maeda的方法中，对熔体温度和正在生长的晶体锥体直径进行测量。计算直径的变化率，将这一变化率与预设的目标温度和变化率值进行比较。然后根据目标温度数据文件和目标直径变化率数据文件的已有数据再确定目标温度。加热器的供电量则由比例积分微分(PID)控制器来控制，以得到正确目标温度。按照这种方式，Meada等试图使锥体部分的长度做得尽量短。

Katsuoka等的美国专利4,973,377号描述了一种控制熔体温度和坩埚转速来控制锥体直径的方法。在此方法中，坩埚转速的控制范围在锥体部分的直径趋近于晶体的本体部分时变得较窄，而在生长本体部分时变为恒定。

然而，这些办法不能完全令人满意。在美国专利5,223,078号中，告诉我们使用辐射测温计作为控制熔体温度的二次反馈。这种方法已做过尝试，并且失败了，因为在建立设备时辐射高温计偶有阻塞，例如，SiO累积在辐射的视程上，而且高温计的增益彼此有差异。除了这种相同的温度控制方法外，美国专利4,973,377号讲述了一种调节坩埚转速来调节熔体温度的方法。调节坩埚转速改变了熔体的径向流速，因而引入了附加的控制动力学，可能使直径的控制变得不稳定。此外，坩埚转速的改变使得坩埚壁处熔体中氧扩散层的厚度改变，调节坩埚转速也将调节加入晶体的氧含量。由于氧的控制一般是客户的指标，不希望为控制锥体形状而改变氧含量。反过来，希望控制锥体形状而与氧浓度的调节无关。而且，这些专利讲述的控制技术不能提供合适的锥体生长重复性。

为此，希望有一种控制锥体生长的方法与系统，包括预设的温度曲线与调节拉速相结合来控制锥体生长而生长形状可重复的锥体，以改善锥体的一致性和可重复性。

发明内容

本发明通过提供控制和操作的改进方法与系统，满足了上述需要，克服了现有技术的不足。在本发明的几个目的和特点中可注意到，提供这样的方法与系统能使生长晶体的锥体部分形状可重复；提供这样的方法与系统能使锥体生长期间的最大热应力值保持一致；提供这样的方法与系统能使本体生长的初期保持一致的热传递；以及可有效和经济地实现这种方法，这种系统在经济上是可行的且商业上是实用的。

简短地讲，一种体现本发明各个方面的方法是与使用按照切克劳斯基工艺生长半导体单晶的设备相结合的。此设备有一含半导体熔体的加热坩埚，晶体从熔体中生长在由熔体拉起的籽晶上。此方法包括从熔体中以目标提拉速率拉制单晶，其目标提拉速率基本上遵从生长晶体锥体部分的起始速度曲线。此方法也包括测量晶体锥体部分的斜率及确定目标锥体斜率的步骤。测量的锥体斜率是在拉制晶体锥体部分期间晶体直径相对于晶体长度变化而改变的函数。此方法还包括产生作为测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差的函数的误差信号，调节作为误差信号函数的提拉速率来减小测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差，并以调节的目标提拉速率由熔体拉制单晶。按照这种方式，此方法改变晶体锥体部分的测量斜率来控制晶体生长。

一般说来，本发明的另一种形式是用来与按照切克劳斯基工艺生长半导体单晶的设备相结合的系统。此设备有一含半导体熔体的加热坩埚，晶体生长在由晶体驱动单元从熔体拉起的籽晶上。此系统包含存储器来储存生长晶体锥体部分的起始速度曲线和目标锥体斜率。晶体驱动单元以基本上遵从速度曲线的目标提拉速率从熔体拉制单晶。此系统也包含控制器，它接收和响应于在拉制晶体锥体部分期间代表晶体直径和长度的信息。控制器计算作为晶体直径相对于晶体长度变化而改变的函数的测量的锥体斜率。控制器也产生作为测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差的函数的误差信号，并向晶体驱动单元提供作为误差信号函数的提拉速率修正值。晶体驱动单元根据提拉速率修正值调节提拉速率，以减小测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差。按照这种方式，此系统根据锥体斜率控制晶体锥体部分的生长。

作为替代，本发明可包括各种其他的方法与系统。

此后将逐步指出和明了其他的目的和特点。

附图说明

图1说明根据本发明优选实施方案的晶体生长设备和控制晶体生长设备的系统。

图2为图1系统控制单元的框图。

图3为从图1的晶体生长设备所含的熔体拉制的半导体晶体锥体生长的局部侧视图。

图4为说明锥体斜率作为晶体直径函数的一个锥体斜率曲线θ(D)实例。

图5为说明根据图4的锥体斜率曲线θ(D)控制晶体生长工艺的框图。

在各个图中对应的参考符号表示对应的部分。

具体实施方式

现在参见图1所示的系统11，与切克劳斯基晶体生长设备13一起使用。晶体生长设备的详细结构是本领域的一般熟练人员所熟知的。一般说来，晶体生长设备13包含装有坩埚19的真空室15。加热装置如电阻加热器21环绕在坩埚19周围。在一个实施方案中，绝热材料23内衬于真空室15的内壁处，在其周围有一通水的真空室冷却套(未示出)。真空泵典型地抽除真空室15中的气体，而通入作为惰性气体的氩气。

按照切克劳斯基单晶生长工艺，坩埚19装有一定量的多晶硅。加热器电源27通过电阻加热器21供给电流，使装入的原料熔融，于是，形成了由其拉制单晶31的硅熔体29。如技术上所知，单晶31从附在拉轴或钢索37上的籽晶35开始生长。如图1所示，单晶31和坩埚19一般具有同一对称轴39。钢索37的一端与滚筒(未示出)相连，而另一端与夹持籽晶35及由之生长的晶体31的夹具(未示出)相连。

在加热和拉单晶期间坩埚驱动单元43使坩埚19转动(例如，沿顺时针方向)。坩埚驱动单元43在生长过程中也依需要而升降坩埚19。例如，坩埚驱动单元43随熔体29的消耗而使坩埚升高，以使液面45保持所需高度。同样，晶体驱动单元47使钢索37转动，其方向与坩埚驱动单元43驱动的坩埚19的转动方向相反。此外，晶体驱动单元47在生长过程中依需要而使晶体31相对于熔体液面升降。

在一个实施方案中，晶体生长设备13将籽晶35降至几乎与坩埚19中的熔硅29接触而使之预热。预热后，晶体驱动单元47经钢索37使籽晶35继续下降，与熔体29的液面45接触。随着籽晶的熔融，晶体驱动单元47将籽晶缓慢从熔体缩回或拉起。籽晶35从熔体29拉出硅，随着提拉而产生硅单晶31的生长。晶体驱动单元47在从熔体拉制单晶31时，使晶体31以参考速率转动。同样，坩埚驱动单元43使坩埚19以另一参考速率转动，但通常与晶体31的方向相反。

控制单元51起初控制拉速以及电源27供给加热器21的功率，使晶体31形成一向下的细颈。优选地，晶体生长设备13生长的晶体细颈随籽晶35从熔体29拉出，其直径基本上是不变的。例如，控制单元51使恒定的细颈直径保持为所希望的本体晶体直径的5％。在细颈达到所需长度后，控制单元51则调节转动、提拉和/或加热参数，使得晶体31的直径增大成为锥体，直至达到所需的晶体本体直径。例如，控制单元51降低拉速而产生一外观光亮的区域，典型地称为晶体的锥体区。

一旦达到所需的晶体直径，控制单元51控制生长参数来保持由系统11测量的较恒定的直径，直至工艺过程的终结。那时，通常增大拉速和加热以减小直径，而在单晶31尾端形成一锥体部分。这里引入其全部公开作为参考的共同转让的美国专利5,178,720号公开了一种优选方法来控制作为晶体直径函数的晶体和坩埚转速。

优选地，控制单元51至少与一个二维的摄象机53一起运转，以确定多个生长过程的参数包括熔体液面45。摄象机53装在真空室15的观察窗上(未示出)，通常对准纵轴39与熔体液面45相交处(见图3)。这里引入其全部公开作为参考的共同转让的美国专利5,882,402号、5,846,318号、5,665,159号、以及5,653,799号提供了多个晶体生长参数包括晶体直径的精确和可靠的测量。在这些专利中，图像处理器处理由摄象机53得到的晶体-熔体界面的图像以确定直径。

除了处理来自摄象机53的信号外，控制单元51还处理来自其他传感器的信号。例如，温度传感器59如光电管，可用来测量熔体表面温度。

图2以框图的形式说明了控制单元51的一个优选实施方案。控制单元51包括用于控制的可编程数字或模拟计算机61，在其他部分中，坩埚驱动单元43、单晶驱动单元47和加热器电源27用来处理来自摄象机53和其他传感器的信号。如图2所示，可编程逻辑控制器(PLC)63经过线路67(例如，RS-232电缆)与计算机61通信，经过线路71(例如，RS-485电缆)与一个或多个工艺输入/输出模块69通信。根据本发明，计算机61提供了操作者界面，使得晶体生长设备13的操作者为生长特定的晶体输入一组所需的参数。

工艺输入/输出模块69提供了来往于晶体生长设备13的路径来控制生长过程。作为一个实例，PLC63从温度传感器59接收关于熔体温度的信息，并经工艺输入/输出模块69输出控制信号给加热器电源27来控制熔体温度，从而控制生长过程。

同样，PLC63接收来自编码器75的输入信号，编码器产生的脉冲随晶体驱动单元47中滚筒的旋转运动而变化。PLC63可用常规方法容易地编程，使从编码器75接收的脉冲数转换为代表钢索37实时直线运动的数字码。换言之，PLC63计算钢索37的速度，因而计算晶体31的拉速。晶体驱动单元47优选地包含马达(未示出)来驱动卷绕钢索37升降的滚筒。在一个实施方案中，伺服放大器(未示出)与马达转速计(未示出)与马达按常规闭环反馈方式通信。PLC63优选地为晶体驱动单元47的伺服放大器提供设定点信号，以调节作为编码器75所提供信号的函数的马达转速。

再参见图2，摄象机53经线路77(例如RS-170视频电缆)将坩埚19内部的视频图像与影像系统79沟通，提供边缘探测和直径测量的计算。影像系统79则经线路83与PLC63通信。在一个优选实施方案中，PLC63为西门子公司制造的TI575PLC型或得克萨斯仪器公司制造的545PLC型，线路83代表通信接口(例如，VME底版接口)。与具体的特定控制器PLC63有关，通信接口83可为例如包含附加通信板(例如，使用RS-422双向PLC串口的2571型编程口扩展单元)的客户VME柜。虽然是结合影像系统作了描述，须知晶体直径的测量可用其他方法。例如，已知有几种技术可用来测量晶体的直径，包括测量亮环宽度的方法。亮环是在晶体31固-液界面处形成的弯月面中坩埚壁的反射特性。常规的亮环和弯月面传感器使用光学高温计、光电管、带有光电管的转镜、带光电管的光源、线扫描摄象机、以及二维阵列摄象机。

图3说明了籽晶35向下沾熔的晶体生长过程的较早期状态。在形成晶体细颈85后，典型的工艺是降低拉速和/或熔体温度来增大生长晶体的直径，直至达到所需的直径。这个增大直径的部分称为锥体或王冠87。随着锥体87增大至所需的直径，晶体31形成一肩部，一般表示为91，接着形成主体(图3未示出)。随着熔体29趋于耗尽，晶体直径逐渐减小，形成了通常的晶体31锥体尾端(图3未示出)。一旦尾锥直径足够小(例如，2～4mm)，可使晶体31与熔体29脱离而不会引起位错延伸至晶体31的主体内。然后从真空室15中取出晶体31以加工成晶片。在补偿熔体液面降低时控制拉速和熔体温度，生长出晶体31，使之具有接近恒定的直径，构成了通常为圆柱体的晶体硅(即，硅锭)。须知，才生长的晶体虽然是一般的圆柱体，但其直径通常不是完全均匀的。而且，晶体31的直径在晶体生长的不同阶段(即，籽晶35、细颈85、锥体87、主体和尾锥)是变化的。

随着锥体87的生长，直径的信息以及垂直升高的距离信息都馈送至PLC63。用直径和长度的变化，由下面的公式可计算θ角：

θ＝tan^-1(2ΔL/ΔD)其中ΔL为长度的变化，ΔD为直径的变化。

现在参见图4，按照计算的角度进行控制有不稳定的趋势，但如果使用比值的倒数(即，ΔD/2ΔL而不是2ΔL/ΔD)，控制则平稳得多。此外，测量的直径变化可使ΔD为零而导致不确定的计算条件。根据本发明，PLC63执行控制程序，使测量的锥体斜率为或接近目标斜率。给定直径的目标斜率由图4所示斜率函数来计算。此函数包含指数和线性两部分，由下式表示：

θ(D)＝(θ_i-b)e^-D/λ+mD+b其中θ＝锥体斜角；D＝锥体直径；λ＝指数部分的衰减系数；m和b是线性部分的斜率和截距。在曲线上给定三个点，即(D_i，θ_i)(D_min，θ_min)(D_f，θ_f)和给定λ，则可求出m和b而给出完整的方程。斜率方程的指数部分是所希望的，因为锥体是拉速按指数形步进变化的反映，如Kimet al.，“Computer Simulation and Controlled Growth of Large DiameterCZ Silicon Crystals，”J.Electrochem.Soc.：SOLID STATE SCIENCEAND TECHNOLOGY，pp.1156-60(May 1983)所示。这样在主动控制锥体87期间调节拉速应更自然地适合指数形状。在图4中，曲线从(D_i，θ_i)点至(D_min，θ_min)点的部分主要为指数的，而曲线从(D_min，θ_min)点至(D_f，θ_f)点的部分主要为线性的。

在某些常规的生长工艺中，晶体提升单元47根据预设的速度曲线从熔体29拉出单晶31的锥体部分。这个速度曲线是在晶体“配方”中规定的，并常称为“锁定”或“固定”籽晶提升。与此对照，常规的切克劳斯基硅生长工艺通常改变籽晶的提升或拉速来控制生长晶体31主体的直径。本技术领域的熟练人员都知道，增大拉速使晶体直径减小，而降低拉速则使直径增大。也是众所周知的是，提高硅源熔体14的温度使晶体直径减小，而降低熔体温度则使直径增大。

有利的是，本发明的一个优选实施方案包含预设的温度曲线，但在生长晶体31的锥体部分87时提供了拉速调节。图5为控制环路的框图，一般由93表示，它说明了根据图4所示的锥体斜率剖面θ(D)控制晶体生长过程。如上所述，PLC63接收有关生长晶体31的直径及长度的信息。在此实施方案中，影像系统79和钢索编码器75分别提供了晶体直径和长度的信息。根据此信息，PLC63计算测量的锥体斜率θ作为直径和长度变化的函数(即，θ＝tan^-1(2ΔL/ΔD))。由于按照计算的角度进行的控制趋于不稳定，控制环路93使用测量斜率的倒数作为相应于某一特定位置锥体87斜率的工艺变量的函数。

如图5所示，比例积分微分(PID)控制环路95在线路97处接收误差信号。误差信号代表所希望的或目标的锥体斜率(即，设定点)与实际锥体斜率(即，工艺变量)之差。在此实例中，测量生长锥体87的斜率，并与偏离图4函数的预设点进行比较。斜率PID环路95在线路99处输出拉速修正来调节拉速，来达到特定的晶体生长配方的要求。这样，调节拉速使得锥体87适合此函数，而使测量的锥体斜率保持接近于目标斜率。

鉴于上述，将看到达到了本发明的几个目的并得到了其他优越的结果。

由于对上述的结构和方法可作出各种改变而没有背离本发明的范围，一切包含在上面的描述中或附图所示者应被解释为说明而没有限制的意思。

Claims (10)

1.一种结合晶体生长设备所使用的控制方法，所述晶体生长设备按照切克劳斯基工艺生长半导体单晶，所述晶体生长设备具有加热的坩埚，它含有由其生长晶体的半导体熔体，所述晶体在从熔体拉起的籽晶上生长，所述方法包括以下步骤：

以目标提拉速率从熔体拉制生长的晶体，所述目标提拉速率基本上遵从初始速度曲线来生长晶体的锥体部分；

测量晶体锥体部分的斜率，所述测量的锥体斜率是在拉制晶体锥体部分期间晶体直径相对于晶体长度变化的函数；

确定目标锥体斜率；

产生一个作为测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差的函数的误差信号；

调节作为误差信号函数的提拉速率，以减小测量的锥体斜率与目标锥体斜率之差；以及

以调节后的提拉速率从熔体拉制晶体，从而改变晶体锥体部分的测量斜率来控制晶体的生长。

2.权利要求1的方法还包括以下步骤：对误差信号进行比例积分微分(PID)控制；以及产生作为其函数的提拉速率修正值，其中调节提拉速率的步骤包括根据提拉速率修正值来调节提拉速率。

3.权利要求2的方法还包括以下步骤：确定作为测量的锥体斜率的反函数的一个PID控制的工艺变量；以及确定作为目标锥体斜率反函数的一个PID控制的设定点，其中产生误差信号的步骤包括产生误差信号作为工艺变量与设定点之差的函数。

4.权利要求1的方法还包括测量晶体直径和晶体长度，并确定作为其函数的测量的锥体斜率的步骤。

5.权利要求1的方法，其中所述测量的锥体斜率被定义为：

θ＝tan^-1(2ΔL/ΔD)

其中θ为测量的锥体斜率；ΔL为晶体长度的变化量，ΔD为晶体直径的变化量。

6.权利要求1的方法，其中所述目标锥体斜率由一函数来确定，该函数具有通常为指数的部分和通常为线性的部分。

7.权利要求6的方法，其中所述目标锥体斜率函数如下：

θ(D)＝(θ_i-b)e^-D/λ+mD+b

其中θ_i为起始锥体斜率角；D为锥体直径；λ为函数指数部分的衰减系数；m和b分别为函数线性部分的斜率和截距。

8.权利要求1的方法还包括根据预设的熔体加热器功率曲线加热坩埚的步骤。

9.权利要求8的方法还包括按照与预设提拉速率目标曲线的提拉速率误差来调节熔体加热器功率的步骤。

10.一种结合晶体生长设备所使用的控制系统，所述晶体生长设备按照切克劳斯基工艺生长半导体单晶，所述晶体生长设备具有加热的坩埚，它含有由其生长晶体的半导体熔体，所述晶体生长在由晶体驱动单元从熔体拉起的籽晶上，所述系统包括：

存储器，储存生长晶体锥体部分的起始速度曲线和目标锥体斜率，所述晶体驱动单元以基本上遵从速度曲线的目标提拉速率从熔体拉制生长的晶体；

控制器，接收和响应于晶体锥体部分拉制期间代表晶体直径和长度的信息，所述控制器：

计算作为相对于晶体长度变化而改变的晶体直径变化量的函数的锥体斜率的测量值；

产生作为锥体斜率测量值与目标锥体斜率之差的函数的误差信号；

为晶体驱动单元提供作为误差信号函数的提拉速率修正值，所述晶体驱动单元根据提拉速率修正值来调节提拉速率，以减小锥体斜率测量值与目标锥体斜率之差，从而根据锥体斜率控制晶体锥体部分的生长。

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