DE102009034076A1

DE102009034076A1 - Verfahren zur in-situ-Bestimmung von thermischen Gradienten an der Kristallwachstumsfront

Info

Publication number: DE102009034076A1
Application number: DE102009034076A
Authority: DE
Inventors: Benno Orschel; Andrzej Bend Buczkowski; Joel Kearns; Keiichi Saga-shi Takanashi; Volker Lake Oswego Todt
Original assignee: Sumco Corp; Sumco Phoenix Corp
Current assignee: Sumco Corp; Sumco Phoenix Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: JP5657219B2; KR20100014169A; US8673075B2; DE102009034076B4; TW201016904A; US8221545B2; KR101424834B1; US20100024718A1; US20120186512A1; JP2010037191A; TWI485294B

Abstract

Ein Verfahren und eine Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls umfassen Ziehen des Halbleiterkristalls aus einer Schmelze mit einer Ziehgeschwindigkeit und Modulieren der Ziehgeschwindigkeit durch Kombinieren einer periodischen Ziehgeschwindigkeit mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit. Die Modulierung der Ziehgeschwindigkeit erlaubt eine In-situ-Bestimmung von charakteristischen Temperaturgradienten in der Schmelze und im Kristall während der Kristallbildung. Die Temperaturgradienten können verwendet werden, um relevante Verfahrensparameter zu regulieren, die morphologische Stabilität oder intrinsische Materialeigenschaften in dem fertigen Kristall beeinträchtigen, zum Beispiel die Zielziehgeschwindigkeit des Kristalls oder der Schmelzeabstand, der den thermischen Gradienten im Kristall während des Wachstums bestimmt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Züchtung von Halbleiterkristallen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur In-situ-Bestimmung von thermischen Gradienten an der Kristallwachstumsfront in einem Halbleiterkristall.
Die meisten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Halbleiterkomponenten basieren auf Silicium-Einkristall. Herkömmlicherweise wird das Czochralski-Verfahren durch eine Kristallziehvorrichtung durchgeführt, um einen Ingot aus Einkristallsilicium zu produzieren. Das Czochralski- oder CZ-Verfahren involviert ein Schmelzen von hochreinem Silicium oder polykristallinem Silicium in einem Tiegel, der in einem spezifisch entwickelten Ofen lokalisiert ist, der sich zum Teil in einem Hitzeschild befindet. Der Tiegel besteht typischerweise aus Quarz oder einem anderen geeigneten Material. Nachdem das Silicium in dem Tiegel geschmolzen ist, senkt ein Kristallhebelmechanismus einen Impfkristall in Kontakt mit der Siliciumschmelze. Der Mechanismus zieht dann den Impfkristall unter Ziehen eines wachsenden Kristalls aus der Siliciumschmelze hoch. Der Kristall ist im wesentlichen frei von Defekten bzw. Fehlern und daher zur Herstellung moderner Halbleitervorrichtungen, zum Beispiel integrierte Schaltkreise, geeignet. Während Silicium das beispielhafte Material in dieser Diskussion ist, können andere Halbleiter, zum Beispiel Galliumarsenid, Indiumphosphid usw., in ähnlicher Weise verarbeitet werden, was Spielräume für bestimmte Merkmale jedes Materials ermöglicht.
Ein Schlüsselherstellungsparameter ist der Durchmesser des Ingots, der aus der Schmelze gezogen wird. Nach Bildung eines Kristallhalses bzw. Kristall-Necks oder eines Abschnitts mit engem Durchmesser vergrößert das herkömmliche CZ-Verfahren den Durchmesser des wachsenden Kristalls. Dies erfolgt unter automatischer Verfahrensregulierung, indem die Ziehgeschwindigkeit oder die Temperatur der Schmelze verringert werden, um einen gewünschten Durchmesser aufrecht zu erhalten. Die Position des Tiegels wird eingestellt, um den Schmelzelevel bezüglich des Kristalls konstant zu halten. Indem die Ziehgeschwindigkeit bzw. Ziehrate, die Temperatur der Schmelze und der sinkende Schmelzlevel reguliert werden, wächst der Hauptkörper des Kristallingots mit einem annähernd konstanten Durchmesser. Während des Wachstumsprozesses dreht der Tiegel die Schmelze in einer Richtung und der Kristallhebemechanismus dreht sein Ziehkabel oder seine Ziehwelle zusammen mit dem Impfkristall und dem Kristall in entgegengesetzter Richtung.
Herkömmlicherweise wird das Czochralski-Verfahren zum Teil als Funktion des Durchmessers des Kristalls während des Ziehens und dem Level des geschmolzenen Siliciums im Tiegel reguliert. Verfahrensziele sind ein im Wesentlichen gleichmäßiger Kristalldurchmesser und minimierte Kristalldefekte. Der Kristalldurchmesser wird durch Regulieren der Schmelztemperatur und der Ziehgeschwindigkeit reguliert.
Es wurde gefunden, dass der Temperaturgradient an der Kristallwachstumsfront (d. h. an der Kristall-Schmelze-Grenzfläche) auch ein wertvolles Maß für die Verfahrensleistungsfähigkeit ist. Temperaturgradienten sind wichtige Parameter eines Kristallzüchtungsverfahrens, die die Kristalldurchmesserregulierung, die morphologische Kristallstabilität bei stark dotierter Kristallzüchtung und die Massenkristall mikrodefekte beeinflussen. Herkömmlicherweise werden nominale Temperaturgradienten durch ein Heiße-Zonen-Design vorherbestimmt, wobei dieses mit Hilfe einer computerunterstützten Design(CAD)-Software erstellt wird. Später werden in der Praxis dann die tatsächlichen Gradienten, ohne die genauen Werte tatsächlich zu kennen, eingestellt (indem kleine Änderungen an dem Schmelze-Hitzeschild-Abstand durchgeführt werden), und zwar entsprechend einer Analyse des Materials nach Ziehen, zum Beispiel durch Analysieren der Verteilung von Zwischengitterdefekten und Leerstellendefekten. Solche Einstellungen werden auf der Basis von Durchgang zu Durchgang vorgenommen und eine Reihe von hochqualitativen CZ-Materialien mit engen Materialeigenschaftenspezifikationen erfordern permanente Überwachung und Einstellung. Die permanente Überwachung ist notwendig, da Materialeigenschaften der Heiße-Zone-Teile, die die thermischen Gradienten bestimmen, sich durch wiederholte Verwendung im Lauf der Zeit ändern. Allerdings ist eine derartige Analyse von Durchgang zu Durchgang ungeeignet, allmähliche Änderungen, die während eines Laufs auftreten, fein einzustellen, und schlimmer, sie ist unfähig, Gradientenabweichungen eines Laufs durch Einstellungsfehler vor dem Lauf, zum Beispiel falscher Schmelze-Hitzereflektor-Abstand usw., die manchmal durch menschliche Fehler auftreten, zu erfassen und zu korrigieren. Was benötigt wird, ist eine zuverlässiges Verfahren und eine zuverlässige Apparatur zur Bestimmung von thermischen Gradienten an der Kristallwachstumsfront während eines Kristallwachstums und zur Regulierung des Kristallwachstumsprozesses unter Verwendung dieser Information.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Zur Einleitung, die erfindungsgemäßen Ausführungsformen stellen ein Verfahren und eine Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls bereit, umfassend Ziehen des Halbleiterkristalls aus einer Schmelze mit einer Ziehgeschwindigkeit und Modulieren der Ziehgeschwindigkeit durch Kombinieren einer periodischen Ziehgeschwindigkeit mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit. Die Modulierung der Ziehgeschwindigkeit erlaubt eine Echtzeit-Bestimmung von Temperaturgradienten in der Schmelze und im Kristall während der Kristallbildung. Die Gradienten können verwendet werden, um Einstellungen vorzunehmen, um In-situ-Korrekturen an relevanten Verfahrensparametern vorzunehmen, welche gradientenabhängige intrinsische Kristalleigenschaften beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform wird die normale Kristallziehgeschwindigkeit, welche die Zielziehgeschwindigkeit plus eines Korrekturterms, der aus dem Durchmesserkontrollsystem kommt, umfasst, von einem periodischen Term vorbestimmter Amplitude und Frequenz überlagert. Dies wird eine kleine periodische Modulierung des ansonsten normalen Durchmessers induzieren. Um durch das kleine überlagerte Signal unbeeinträchtigt zu arbeiten, empfängt das Durchmesserkontrollsystem ein gefiltertes Signal, das die Modulierungsfrequenz nicht enthält. Allerdings verwendet die neue Temperaturgradientenbestimmung einen frequenzselektiven Algorithmus, um die Amplitude und die Phasenverschiebung der überlagerten Durchmessermodulierung herauszufiltern. Diese Information wird dann zusammen mit der vorbestimmten Ziehgeschwindigkeitsmodulierungsamplitude durch einen Algorithmus genutzt, der die Temperaturgradienten berechnet. Die Resultate dieser Berechnung können außerdem verwendet werden, um diese Werte mit Zielwerten zu vergleichen und Einstellungen an relevanten Systemparametern, die gradientenabhängige intrinsische Eigenschaften beeinträchtigen, vorzunehmen, während der Kristall wächst. In der bevorzugten Ausführungsform werden Einstellungen an dem Schmelzeabstand durchgeführt, um den gewünschten Kristalltemperaturgradienten zu erreichen.
Die vorstehende Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen wurde nur zur Einleitung angeführt. Nichts in diesem Abschnitt sollte als Beschränkung für die folgenden Ansprüche, welche den Rahmen der Erfindung definieren, genommen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschema eines Beispiels einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls.
2 stellt ein analytisches Modell bezüglich Änderungen beim Kontaktwinkel und der Meniskushöhe in einem Halbleiterkristall, der in der Apparatur von 1 hergestellt wurde, dar und
3 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN UND DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Was die Zeichnungen angeht, so ist 1 ein Blockschema eines Beispiels für eine Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls. Die Apparatur 100 umfasst eine Regulierungseinheit bzw. Kontrolleinheit 102, eine Stromversorgung für eine Heizvorrichtung 104 und eine Kristallzüchtungskammer 106. Die Apparatur 100 umfasst außerdem eine Kristallzieheinheit 108, eine Kristallwelle 110, eine Tiegelantriebseinheit 112 und eine Tiegelantriebswelle 114.
In der Kammer 106 ist ein Tiegel 116, der eine Schmelze 118 enthält, und eine Heizvorrichtung 120 enthalten. In der Darstellung von 1 wird ein Halbleiterkristall 122 aus der Schmelze 118 gebildet. Die Regulierungseinheit 102 ist mit der Stromversorgung für die Heizvorrichtung 104 verbunden, um die Stromversorgung für die Heizvorrichtung 104 zu regulieren. Indem die Stromversorgung 104 für die Heizvorrichtung reguliert wird, wird die Temperatur der Schmelze 118 reguliert, so dass ein kontrolliertes Wachstum des Halbleiterkristalls 122 ermöglicht wird.
Die Kristallzieheinheit 108 arbeitet unter Ziehen der Kristallwelle 110 entlang der Mittelachse 124. Die Kristallzieheinheit 108 arbeitet auch, um die Kristallwelle 110 um die Mittelachse 124 zu drehen. In 1 ist eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn angezeigt, allerdings kann auch eine Drehung im Uhrzeigersinn eingesetzt sein und beide können durch geeignete Regulierung der Kristallzieheinheit 108 verfügbar sein. Eine Drehung oder Bewegung der Kristallziehwelle 110 verursacht eine Drehung oder Bewegung des Kristalls 122. Die Kristallzieheinheit 108 umfasst einen Elektromotor oder mehrere Elektromotoren oder andere Vorrichtungen zum Ziehen und Drehen der Kristallwelle 110. Die Kristallzieheinheit 108 wird durch Signale reguliert, die über eine Regulierungsleitung 126 von der Regulierungseinheit 102 bereitgestellt werden.
In entsprechender Weise arbeitet die Tiegelantriebseinheit 112, um die Tiegelantriebswelle 114 entlang der Mittelachse 124 zu bewegen und die Tiegelantriebswelle 114 um die Mittelachse 124 zu drehen. In 1 ist eine Drehung im Uhrzeigersinn angezeigt, allerdings kann auch eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn eingesetzt werden, und beide können durch geeignete Regulierung der Tiegelantriebseinheit 112 verfügbar sein. Drehung oder Bewegung der Tiegelantriebswelle 114 bewirkt eine entsprechende Drehung oder Bewegung des Tiegels 116. Die Tiegelantriebseinheit 112 umfasst einen oder mehrere Elektromotoren oder andere Vorrichtungen zum Ziehen und Drehen der Tiegelantriebswelle 114. Die Tiegelantriebseinheit 112 wird durch Signale reguliert, die über eine Regulierungs leitung 128 von der Regulierungseinheit 102 bereitgestellt werden.
Der Kristall 122 wird aus der Schmelze 118 in dem Tiegel 116 gebildet. Wegen der Oberflächenspannung wird die Kristallisationsfront, welche die Phasengrenzfläche zwischen dem festen und flüssigen Halbleitermaterial in dem Tiegel 116 ist, etwas über den Schmelzelevel erhöht. Der flüssige Halbleiter benetzt den Kristall nicht vollständig. Tatsächlich berührt er den festen Kristall in einem bestimmten Winkel Θ₀. Dieser wird als Kontakt-, Netz- oder Meniskus-Gleichgewichtswinkel bezeichnet.
Der Bereich der Schmelze unter dem Kristall, die über den Schmelzelevel erhöht ist, wird Meniskus genannt. Die Position der Kristallisationsfront, die über die Schmelze erhöht ist, ist für die Eigenschaften des Züchtungsverfahrens wichtig. Wenn sie zu weit über die Schmelze erhöht ist, nimmt der Kristallradius ab, andernfalls nimmt er zu.
Zur Überwachung des Kristallzüchtungsverfahrens umfasst die Kammer 106 einen Sensor oder mehrere Sensoren. In der dargestellten Ausführungsform von 1 umfassen diese eine Kamera 130 und einen Temperatursensor 132. Die Kamera 130 ist in der Nähe einer Einblicköffnung der Kammer montiert und ist ausgerichtet, um die Oberfläche der Schmelze 118 zu sehen. Die Kamera 130 produziert Signale, die für ein Kamerabild indikativ sind, an einer Regulierungsleitung 136 und liefert die Signale zu der Regulierungseinheit 102. Herkömmliche Techniken stellen Kristalldurchmessermessungen bereit. Diese umfassen Verfahren der Messung der Breite des hellen Rings, der ein Charakteristikum der Reflektion der Tiegelwand in dem Meniskus ist, der an der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzfläche zwischen dem Kristall 122 und der Schmelze 118 gebildet wird. Herkömmliche Sensoren für den hellen Ring und den Meniskus verwenden Vorrichtungen wie zum Beispiel optische Pyrometer, Fotozellen, Drehspiegel mit Fotozellen, Lichtquellen mit Fotozellen, Line-Scan-Kameras und zweidimensionale Array-Kameras. Andere optische Messvorrichtungen können anstelle dieser oder zusammen mit diesen verwendet werden. Der Temperatursensor 132 detektiert die Temperatur in der Kammer 106 und liefert Daten, die für die Temperatur indikativ sind, an die Regulierungseinheit 102 über eine Regulierungsleitung 138. Die Apparatur 100 kann auch einen Kristalldurchmessersensor umfassen, der so konfiguriert ist, dass er den Durchmesser des Kristalls 122 misst. Der Kristalldurchmessersensor kann ein beliebiger herkömmlicher Typ sein.
Die Regulierungseinheit bzw. Kontrolleinheit 102 in der dargestellten Ausführungsform umfasst im Allgemeinen eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 140, einen Speicher 142 und eine Benutzerschnittstelle 144. Die CPU 140 kann eine beliebige geeignete Verarbeitungsvorrichtung, zum Beispiel ein Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor, eine digitale Logikfunktion oder ein Computer, sein. Die CPU 140 arbeitet entsprechend Daten und Instruktionen, die in Speicher 142 gespeichert sind. Außerdem arbeitet die CPU 140 unter Verwendung von Daten und anderen Informationen, die vom Sensor, zum Beispiel über die Regulierungsleitungen 126, 128, 136, 138, erhalten werden. Darüber hinaus arbeitet die CPU 140 unter Erzeugung von Regulierungssignalen, um Teile der Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls 100, zum Beispiel die Stromversorgung für die Heizvorrichtung 104, die Kristallzieheinheit 108 und die Tiegelantriebseinheit 112, zu regulieren.
Der Speicher 142 kann ein beliebiger Typ eines dynamischen oder persistenten Speichers sein, zum Beispiel Halbleiterspeicher, magnetische oder optische Platte oder eine Kombination dieser oder ein anderer Speicher. In einigen Anwendungen kann die vorliegende Erfindung als ein computerlesbares Speichermedium verkörpert sein, das Daten enthält, um zu bewirken, dass die CPU 140 bestimmte spezifizierte Funktionen in Verbindung mit anderen Komponenten der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls durchführt.
Die Benutzerschnittstelle 144 erlaubt dem Benutzer eine Regulierung und Überwachung der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls. Die Benutzerschnittstelle 144 kann ein geeignetes Display zur Bereitstellung von Arbeitsinformationen für den Benutzer umfassen und kann eine beliebige Art von Tastatur oder Schaltern umfassen, um dem Benutzer eine Regulierung und Betätigung der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls zu erlauben.
Die Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls ermöglicht ein Wachstum eines Einkristall-Halbleiter-Ingots nach dem Czochralski-Verfahren. Nach diesem Verfahren wird Halbleitermaterial, zum Beispiel Silicium, in den Tiegel 116 gegeben. Die Stromversorgung für die Heizvorrichtung 114 betätigt die Heizvorrichtung 120, um das Silicium zu erhitzen und bewirkt, dass es schmilzt. Die Heizvorrichtung 120 hält die Siliciumschmelze 118 in einem flüssigen Zustand. Nach dem herkömmlichen Verfahren wird ein Impfkristall 146 an der Kristallziehwelle 110 befestigt. Der Impfkristall 146 wird durch die Kristallzieheinheit 108 in die Schmelze gesenkt. Darüber hinaus bewirkt die Kristallzieheinheit 108, dass die Kristallziehwelle 110 und der Impfkristall 146 sich in einer ersten Richtung, zum Beispiel im Gegenuhrzeigersinn, drehen, während die Tiegelantriebseinheit 112 bewirkt, dass die Tiegelantriebswelle 114 und der Tiegel 116 sich in der entgegengesetzten Richtung, zum Beispiel im Uhrzeigersinn, drehen. Die Tiegelantriebseinheit 112 kann den Tiegel 116 nach Bedarf während des Kristallzüchtungsverfahrens heben oder senken.
Beispielsweise nimmt die Schmelze 118 ab, wenn der Kristall gezüchtet wird, so dass die Tiegelantriebseinheit gehoben wird, um den Schmelzelevel zu kompensieren und im Wesentlichen konstant zu halten. Während dieses Verfahrens arbeiten die Stromversorgung für die Heizvorrichtung 104, die Kristallzieheinheit 108 und die Tiegelantriebseinheit 112 alle unter Regulierung der Regulierungseinheit bzw. Kontrolleinheit 102.
Die Regulierungseinheit 102 arbeitet außerdem, um die Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls während des Wachstums eines Kristalls 122 zu regulieren. Dies umfasst Regulieren der Ziehgeschwindigkeit der Kristallzieheinheit 108 und der Bewegungsgeschwindigkeit des Tiegels 116 unter Kontrolle der Tiegelsteuerungseinheit 112. Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen zieht die Kristallzieheinheit 108 den Kristall 122 mit einer durchschnittlichen Ziehgeschwindigkeit plus einer periodischen Ziehgeschwindigkeitsvariation, die der durchschnittlichen Ziehgeschwindigkeit überlagert ist.
Die durchschnittliche Ziehgeschwindigkeit wird durch die Variable ν₀ dargestellt, welche selbst aus einer Zielziehgeschwindigkeit ν plus einem Korrekturterm Δν, der durch das Durchmesserkontrollsystem erzeugt wird, besteht. Die durchschnittliche Kristallwachstumsrate wird durch die Variable ν_g dargestellt. Zur Vereinfachung wird in der folgenden Diskussion angenommen, dass der Level der Schmelze 118 bei einem im Wesentlichen konstanten Level gehalten wird, so dass die durchschnittliche Ziehgeschwindigkeit ν gleich der durchschnittlichen Wachstumsrate ν_g ist. Es sind nur temporäre Abweichungen zwischen ν und ν_g durch Übergangsänderungen bei der Meniskushöhe zu berücksichtigen.
Wie angegeben wurde, wird die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der der Kristall aus der Schmelze gezogen wird, bewusst mit einer periodischen Variation überlagert, und zwar in der Form ν = ν0 + δν·sin(ω·t) (1.0)worin ν₀ die normale Ziehgeschwindigkeit ist, die aus Zielziehgeschwindigkeit plus einem Korrekturterm, der aus dem Durchmesserkontrollsystem kommt, besteht, δν die Amplitude ist und ω die Winkelfrequenz der Modulierung der Ziehgeschwindigkeit ist. Der Durchmesser des Kristalls steht mit der Ziehgeschwindigkeit in Relation. Die durch Modulierung induzierte Rate, mit der der Kristalldurchmesser verändert wird, wird durch νr = νgtan(ΘS) (2.0)angegeben, worin Θ_S als der Versatzwinkel vom Meniskus-Kontaktwinkel Θ₀, bei dem der Kristallradius sich nicht ändert, ist und ν_c die Kristallisationsgeschwindigkeit ist. Dies wird eine periodische Änderung bei der Radiusänderung v_r und dem Radius r durchführen
worin φ eine Phasenverschiebung darstellt, die durch eine Retardierung von ν_g in Folge der Ziehgeschwindigkeitsvariation verursacht werden kann.
Da δr während des Kristallwachstums gemessen wird, kann man auch δν_r bestimmen, das mit ν_g über die Gesamtableitung von Gleichung 2.0 verbunden ist. δνr = tan(ΘS)·δνg + νg·sec(ΘS)2·δΘS (4.0)
Da die Gesamtwachstumsrate ν_g gleich der durchschnittlichen Ziehgeschwindigkeit ν sein muss, wird Θ_S dann durch die Gleichung 2.0 mit ν_g = ν bestimmt. Wenn ω nicht zu hoch ist, kann δν_g = δν annehmen, so dass mit dem gemessenen δν_rδΘ_S durch Gleichung 4.0 erhalten werden kann.
Das Wärmeübertragungsgleichgewicht an der Kristallwachstumsfront (Kristall-Schmelze-Grenzfläche) wird durch eine eindimensionale Näherung wie L·νg = κS·GS – κL·GL (5.0)beschrieben, worin κ_S und κ_L die Wärmeleitfähigkeiten sind und G_S und G_L die Temperaturgradienten von Feststoff bzw. Flüssigkeit sind. L ist die latente Wärme pro Volumeneinheit Kristall und ν_g ist die Kristallwachstumsrate.
Ein vereinfachter Ausdruck für G_L kann durch
gegeben werden, worin h die Meniskushöhe ist und ΔT_B die Temperaturdifferenz zwischen der Meniskusbasis und der Kristall-Schmelze-Grenzfläche ist. Alternative Ausdrücke für G_L können für spezifische Kristallwachstumsbedingungen entwickelt werden. Bei Einsetzen von Gleichung 5.1 in Gleichung 5.0 wird diese
Änderungen bei der Wachstumsrate ν_c über einen längeren Zeitraum werden eine Wirkung auf h, ΔT_B und G_S haben. Allerdings werden kleine periodische Änderungen bei der Wachstumsrate ν_g, die sie durch Ziehgeschwindigkeitsmodulierung (Gleichung 1.0) auferlegt werden, hauptsächlich h beeinträchtigen und ΔT_B und G_S unverändert lassen. Das Differential von Gleichung 6.0 wird dann
Gleichung 7.1 liefert einen Link zwischen der Wachstumsrate-Variation δν_g und der relativen Variation der Meniskushöhe δhh . Änderungen bei der Meniskushöhe sind allerdings mit einer Änderung beim Kontaktwinkel verbunden. Das Ersetzen von δhh in Gleichung 7.1 durch einen Ausdruck von δΘ_S liefert einen Weg zur Bestimmung eines charakteristischen G_L und mit Gleichung 6.0 von G_S. Dazu wird nun ein einfaches Modell entwickelt.
2 stellt ein Modell dar, das Änderungen des Kontaktwinkels Θ_S und der Meniskushöhe h in Relation stellt. In 2 ist ein Meniskus 202 gezeigt, der bei einer Kristallisationsfront 204 zwischen einem Kristall 122 und Schmelze 118 gebildet wird. Es wird angenommen, dass eine geringe Änderung der Meniskushöhe δh die Länge der Meniskustangente, die den Meniskus-Kristall-Kontakt und die Schmelzebasis verbindet, unverändert lässt. Dies führt zu dem Ausdruck δhh = tan(Θ)·δΘS (8.0)
Nach Substitution von δhh kann Gleichung 7.1 in einen Ausdruck für G_L durch bekannte und/oder gemessene Werte umgeschrieben werden
und damit kann G_S aus Gleichung 5.0 erhalten werden. Somit können Temperaturgradienten, die wichtige Kristallwachstumsbedingungen bzw. Kristallzüchtungsbedingungen sind, gemessen werden, indem die mit einer Ziehgeschwindigkeitsmodulierung in Relation stehende Antwort bei Kristalldurchmesseränderung und/oder Meniskushöhe gemessen wird. D. h. die Modulierung der Kristallziehgeschwindigkeit durch das zeitlich variierende periodische Signal wird eine Antwort in Form einer Änderung im Kristalldurchmesser verursachen. Es wird auch eine Änderung bei der Meniskushöhe verursachen. Beide dieser Werte, der Kristalldurchmesser und die Meniskushöhe, können unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung, zum Beispiel der Kamera, gemessen werden (1). Indem diese Änderungen überwacht werden, können die charakteristischen Werte (charakteristisch für die gesamte Wachstumsfront, nicht nur an der Kristalloberfläche) für die thermischen Gradienten der Wachstumsfront in der Schmelze und im Kristall errechnet werden. Diese Information kann dann verwendet werden, um relevante Verfahrensparameter zu regulieren, welche intrinsische Kristalleigenschaften beeinträchtigen, wie zum Beispiel Schmelzeabstand oder Zielziehgeschwindigkeit usw.
3 stellt eine Ausführungsform eines Kristallzüchtungssystems 300 dar. Das System 300 umfasst eine Ziehkammer 302, die einen Kristall 304 enthält, welcher aus einem Tiegel 306 gezogen wird. In dem Tiegel 306 ist Schmelze 308 enthalten. Das System 300 umfasst ferner einen Wärmereflektorkegel 310, einen Impfkristallhebemotor 312 und einen Tiegelhebemotor 314. Das System umfasst außerdem eine Vorrichtung zum Messen des Kristalldurchmessers 316 und ein damit verbundenes Durchmessermesssystem 322.
Das System 300 umfasst außerdem mehrere Elemente, die ein Regulierungssystem bzw. Kontrollsystem bilden. Diese Elemente umfassen einen Zielziehgeschwindigkeits-Output 318, einen Mechanismus 320 zur Kompensierung des Schmelzelevel-Abfalls im Tiegel, einen Durchmesserkontrollmechanismus 324 und eine Vorrichtung 326 zum Überlagern der normalen Ziehgeschwindigkeit ν₀ mit einem periodischen Signal mit vorbestimmter Frequenz ω und Amplitude δν. Das Regulierungssystem umfasst außerdem einen Filter 328, eine Filterfunktion 330, ein Temperaturgradientenbestimmungssystem 332 und ein Temperaturgradientenregulierungssystem 334.
Das Regulierungssystem bzw. Kontrollsystem kann in beliebiger Art aufgebaut sein. In einer Ausführungsform umfasst das Regulierungssystem einen Prozessor und einen Speicher. Der Speicher speichert Daten und Instruktionen zur Regulierung des Prozessors. Der Prozessor führt als Reaktion auf die Daten und Instruktionen Funktionen aus und betätigt Systeme, zum Beispiel den Zielziehgeschwindigkeits-Output 318, den Mechanismus 320 zur Kompensierung des Abfalls des Schmelzelevels im Tiegel, der Durchmesserkontrollmechanismus 324 und die Vorrichtung 326. Außerdem verwendet der Prozessor die Instruktionen und Daten und betätigt den Filter 328, die Filterfunktion 330, das Temperaturgradientenbestimmungssystem 332 und das Temperaturgradientenregulierungssystem 334. Beliebige logische bzw. Computer- oder Signalprozessierungsfunktionen, die hierin beschrieben oder vorgeschlagen werden, können in äquivalenter Weise entweder durch einen programmierten Prozessor, andere Hardware oder Hardware und Software in Kombination durchgeführt werden.
Der Zielziehgeschwindigkeits-Output 318 stellt ein nominales Ziehgeschwindigkeitssignal für den Impfkristallhebemotor 312 bereit. Als Reaktion auf dieses Signal stellt der Motor 312 die Ziehgeschwindigkeit zum Heben des Kristalls 304 ein oder variiert sie. Das nominale Ziehgeschwindigkeitssignal ν wird an einen Kombinator 336 gesendet. Der Mechanismus zur Kompensierung eines Schmelzelevelabfalls im Tiegel erzeugt ein Signal für den Tiegelhebemotor 314, um die Position des Tiegels 306 zu verändern. Im Allgemeinen erzeugt der Motor 314 als Reaktion auf den Mechanismus 320 zur Kompensierung des Schmelzelevelabfalls ein Heben des Tiegels, um den Abfall des Levels der Schmelze 308 in dem Tiegel 306, wenn der Kristall 304 gebildet wird und aus dem Tiegel 306 gezogen wird, zu kompensieren.
Die Durchmessermessvorrichtung 316 misst den Durchmesser des Kristalls 304 und liefert ein Messsignal für das Durchmessermesssystem 322, welches den Durchmesser des Kristalls 304 bestimmt. Das Durchmessermesssystem 322 liefert ein Durchmessersignal an das Durchmesserkontrollsystem 324. Das Durchmesserkontrollsystem 324 ist wiederum mit dem Kombinator 336 verbunden und liefert ein Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal an den Kombinator 336.
Die Vorrichtung 326 zur Überlagerung der normalen Ziehgeschwindigkeit ν₀ mit einem periodischen Signal vorbestimmter Frequenz ω und Amplitude δν produziert ein Signal δν·sin(ω·t) und übermittelt dieses Signal an einen Kombinator 338. Der Output des Kombinators ist ein Geschwindigkeitsregulierungssignal ν₀ + δν·sin(ω·t), welches dem Impfkristallhebemotor 312 bereitgestellt wird. Der Impfkristallhebemotor 312 reagiert auf dieses Signal, um die Aufziehgeschwindigkeit für den Kristall 304 einzustellen oder zu variieren.
Der Filter 328 ist zwischen dem Durchmessermesssystem 316 und dem Durchmesserkontrollsystem 324 positioniert. Das Durchmessermesssystem 316 erzeugt ein Outputsignal r₀ + δr·sin(ωt + φ). Der Filter 328 blockiert die Frequenz ω. D. h. der Filter 328 bildet in einer Ausführungsform einen Notch-Filter. Der Output dieses Filters 328 liefert die Eingabe für das Durchmesserkontrollsystem 324.
Der Filter 330 ist zwischen dem Durchmessermesssystem 316 und dem Temperaturgradientenbestimmungssystem 332 positioniert. In einer Ausführungsform führt der Filter 330 einen frequenzselektiven Filter-Algorithmus durch, zum Beispiel einen Filter-Algorithmus auf der Basis einer Fourier-Analyse, wobei die Amplitude δr die Zeitverschiebung φ vom Durchmessersignal r₀ + δr·sin(ωt + φ) extrahiert werden.
Das System 300 umfasst außerdem eine Heizvorrichtung 340 und eine Heizvorrichtungsregulierung 342. In einer Ausführungsform ist die Heizvorrichtungsregulierung ein Teil der Regulierungseinheit, welche den Betrieb des Systems 300 reguliert. Die Heizvorrichtung 340 arbeitet als Reaktion auf die Heizvorrichtungsregulierung 342 unter Anwendung von Wärme auf den Tiegel, um die Schmelze bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Die Heizvorrichtungsregulierung 342 hat einen Input, der mit dem Output des Durchmesserkontrollsystems 324 verbunden ist, um das Signal zu detektieren, das durch das Durchmesserkontrollsystem erzeugt wird. Die Heizvorrichtungsregulierung 342 bildet somit eine Rückkopplungsregulierung, die die Energie in der Heizvorrichtung reguliert, so dass der durchschnittliche Output aus dem Durchmesserkontrollsystem 324 Null ist. Mit anderen Worten, die durchschnittliche Ziehgeschwindigkeit ist gleich der nominalen Ziehgeschwindigkeit.
Das Temperaturgradientenbestimmungssystem 332 führt einen Algorithmus durch, um die Temperaturgradienten G_S und G_L, basierend auf den Werten ω, δν, δr und φ, zu bestimmen. Das Resultat sind die Temperaturgradienten G_S und G_L. Diese Output-Information wird an das Temperaturgradientenregulierungssystem 334 übertragen. In einer Ausführungsform führt dieses System einen Temperaturgradientenregulierungsalgorithmus durch. Das Ziel des Algorithmus ist die Korrektur der Kristalltemperaturgradienten G_S und G_L durch Einstellen des Abstands zwischen der Oberfläche der Schmelze 308 und dem Wärmereflektorkegel 310, indem ein Korrekturterm zu dem Signal addiert wird, welches den Tiegelhebemotor 314 reguliert. Dies ist nur eine beispielhafte Ausführungsform. Andere Anwendungen sind unter Verwendung derselben Ziehgeschwindigkeitsmodulierungstechnik möglich.
Wenn der Kristall 304 aus der Schmelze 308 gezogen wird, fällt der Schmelzelevel im Tiegel 306 ab. Gleichzeitig wird der Tiegel 306 durch den Tiegelhebemotor 314 gehoben, um den Abfall des Schmelzelevels im Tiegel zu kompensieren. Eine Kompensierung erfolgt so, dass die Schmelzeposition und der Abstand zwischen der Schmelzeoberfläche und dem Wärmereflektorkegel 310 konstant bleibt. Idealerweise bleibt auch der thermische Gradient G_S im Kristall 304 konstant.
Die Geschwindigkeit, mit der der Kristall 304 aus der Schmelze 308 gezogen wird, wird durch die Zielziehgeschwindigkeit ν plus einem Korrekturterm Δν, der aus dem Durchmesserkontrollsystem 324 kommt, plus einem periodischen Term von Amplitude δν und Frequenz ω bestimmt, was eine geringe Durchmessermodulierung verursacht. Das Durchmessermesssystem 322 beobachtet den Durchmesser und produziert ein Signal r₀ + δr·sin(ωt + φ), das eine geringe Modulierung enthält.
Die Information für eine geringe Durchmessermodulierung δr und φ, die in dem Durchmessersignal enthalten ist, wird durch einen frequenzselektiven Algorithmus im Filter 330 extrahiert. Darauf und auf dem vorbestimmten Wert δν basierend, werden die ungefähren Temperaturgradienten G_S und G_L in Schmelze und Kristall errechnet. Die Resultate dieses Filtervorgangs werden dann verwendet, um diese Werte mit Zielwerten zu vergleichen und Einstellungen an relevanten Systemparametern vorzunehmen, um Abweichungen vom Ziel auszugleichen.
Während all diesem wird das Durchmesserkontrollsystem 324 durch die geringe Durchmessermodulierung nicht beeinträchtigt, da es seinen Input über den Filter 328 erhält, der die Frequenz ω blockiert.
Es gibt bisher noch kein bekanntes Verfahren für eine In-situ-Wachstumsfronttemperaturgradientenbestimmung, die für die gesamte Wachstumsfront charakteristisch ist und nicht nur nahe der Kristalloberfläche. Allerdings wird solche Information für eine Reihe von CZ-Produkten sehr stark gewünscht, da sie intrinsische Kristallwachstumseigenschaften, zum Beispiel Fehlerverteilung usw. bestimmt.
In herkömmlichen Systemen werden intrinsische Kristalleigenschaften analysiert, nachdem der Kristall gewachsen ist, und basierend auf solchen Informationen werden Korrekturen an Verfahrensparametern, die die Temperaturgradienten beeinträchtigen, vorgenommen. Wegen der komplizierten und zeitaufwendigen Analyse, die involviert ist, sind solche Anpassungen bzw. Einstellungen nicht vor der nächsten Charge, oft eher sogar noch später, verfügbar.
Solche Charge-zu-Charge-Einstellungen von bestimmten Verfahrensparametern sind zur Kompensierung von Alterungseffekten an bestimmtem Heißzonenmaterial notwendig. Beispielsweise ändert sich das Wärmereflektionsvermögen des Wärmereflektorschildes der heißen Zone mit der Zeit. Der Wärmereflektor, der ein vitaler Teil des Heißzonenaufbaus ist, ist so ausgelegt, dass bestimmte Temperaturgradienten im Kristall und in der Schmelze erreicht werden. Wenn sich seine relevanten Materialeigenschaften ändern, ändern sich die Temperaturgradienten im Kristall und in der Schmelze auch, was kompensiert werden kann, indem zum Beispiel der Abstand zwischen der Schmelze und dem Wärmereflektorschild eingestellt wird.
Zusätzlich zu den allmählichen Änderungen gibt es auch unvorhersehbare Faktoren, die Abweichungen der tatsächlichen Gradienten von den Zielgradienten verursachen können. Meist haben diese mit Toleranzen und menschlichen Fehlern zu tun, wenn die heiße Zone für ein Chargenverfahren bereitgemacht wird. In herkömmlichen Systemen können diese überhaupt nicht kompensiert werden, da es kein bekanntes Verfahren gibt, das die notwendig Information bereits während des Kristallwachstums bzw. der Kristallzüchtung bereitstellen kann.
Das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Apparatur liefern eine In-situ-Bestimmung von Temperaturgradienten in Schmelze und Kristall, die für die gesamte Wachstumsfront charakteristisch sind. Die Resultate dieses Verfahrens und diese Apparatur können eingesetzt werden, um Abweichungen von den gewünschten Bedingungen zu detektieren und Einstellungen während des Züchtens eines Kristalls vorzunehmen, zum Beispiel indem der Abstand zwischen Schmelze, Oberfläche und Wärmereflektor verändert wird, indem der Tiegelhebemotor 314 eingestellt wird.
Aus dem Vorstehenden kann gesehen werden, dass die vorliegende Erfindung eine Berechnung von Temperaturgradientenwerten an der Kristallwachstumsfront (Kristall-Schmelze-Grenzfläche) im Wesentlichen in Echtzeit erlaubt. Temperaturgradienten sind wichtige Parameter eines Verfahrens zum Züchten eines Kristalls, die eine Kristalldurchmesserkontrolle, morphologische Kristallstabilität beim Wachsen eines stark dotierten Kristalls und intrinsische Materialeigenschaften wie Massekristallmikrodefekte beeinträchtigen, die offenbarten Ausführungsformen stellen einen Weg für eine In-situ-Betrachtung und Berechnung von charakteristischen oder durchschnittlichen Werten für die Temperaturgradienten G_S und G_L bereit. Die erhaltenen Werte sind für die gesamte Wachstumsfront charakteristisch. Die Ausführungsformen erfordern keine zusätzliche Hardware, sondern verwenden nur bereits existierende Kontrollen und Detektoren.
Darüber hinaus machen diese Ausführungsformen es einfacher, problematische Züchtungsbedingungen bzw. Wachstumsbedingungen zu identifizieren, und unterstützen die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Programmen zum Züchten eines Kristalls. Basierend auf der offenbarten Technik kann die Wachstumsregulierungssoftware, die in der Regulierungseinheit arbeitet, das System aktiv weg von unerwünschten Wachstumsbedingungen steuern, um eine Verdrängungsnukleierung, morphologische Instabilität, unerwünschte Mikrodefekte oder andere Arten Ausbeuteverlust zu verhindern.
Es ist daher vorgesehen, dass die vorausgehende detaillierte Beschreibung lediglich als veranschaulichend, nicht als limitierend anzusehen ist, und dass es selbstverständlich ist, dass die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, den Geist und den Rahmen dieser Erfindung definieren sollen.

Claims

Verfahren zum Züchten eines Halbleiterkristalls, umfassend: Ziehen des Halbleiterkristalls aus einer Schmelze mit einer Ziehgeschwindigkeit und Modulieren der Ziehgeschwindigkeit durch Kombinieren einer periodischen Ziehgeschwindigkeit mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit.
Verfahren gemäß Anspruch 1, außerdem umfassend: Detektieren einer Reaktion auf eine Modulierung der Ziehgeschwindigkeit als eine Modulierung des Durchmessers des Kristalls.
Verfahren gemäß Anspruch 2, außerdem umfassend: Bestimmen von thermischen Gradienten für eine Kristallwachstumsfront in der Schmelze und im Kristall auf der Basis der Änderung des Durchmessers des Kristalls.
Verfahren gemäß Anspruch 3, außerdem umfassend: Einstellen relevanter Verfahrensparameter, zum Beispiel Zielziehgeschwindigkeit oder Schmelze-Abstand auf der Basis der bestimmten thermischen Gradienten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, außerdem umfassend: Detektieren einer Reaktion auf eine Modulierung der Ziehgeschwindigkeit als eine Änderung der Meniskushöhe in der Schmelze als Folge der detektieren Durchmessermodulierung.
Verfahren gemäß Anspruch 5, außerdem umfassend: Bestimmen von thermischen Gradienten für eine Kristallwachstumsfront in der Schmelze und im Kristall auf der Basis der Änderung bei der Meniskushöhe.
Verfahren gemäß Anspruch 6, außerdem umfassend: Einstellen relevanter Verfahrensparameter, zum Beispiel Zielziehgeschwindigkeit oder Schmelze-Abstand auf der Basis der bestimmten thermischen Gradienten.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls, umfassend: einen Tiegel, um Schmelze aufzunehmen; eine Kristallzieheinheit, die angeordnet ist, um einen Kristall aus dem Tiegel mit einer Ziehgeschwindigkeit zu ziehen, und eine Regulierungseinheit, die mit der Kristallzieheinheit gekoppelt ist, um die Ziehgeschwindigkeit zu regulieren, indem Regulierungssignale auf die Kristallzieheinheit angewendet werden, so dass die Ziehgeschwindigkeit um eine Durchschnittsziehgeschwindigkeit moduliert wird.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 8, außerdem umfassend: einen Kristalldurchmessersensor gekoppelt mit der Regulierungseinheit und so konfiguriert, dass er den Durchmesser des Kristalls misst, einschließlich des Detektierens einer Reaktion auf eine Anpassung der Ziehgeschwindigkeit als Änderung des Durchmessers des Kristalls.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 9, wobei die Regulierungseinheit so konfiguriert ist, dass sie thermische Gradienten für eine Kristallwachstumsfront in der Schmelze und im Kristall auf der Basis der Änderung des Durchmessers des Kristalls bestimmt.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 10, wobei die Regulierungseinheit außerdem so konfiguriert ist, dass sie die Ziehgeschwindigkeit auf der Basis der bestimmten thermischen Gradienten einstellt.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 8, wobei die Regulierungseinheit umfasst: einen Speicher, um Daten und Instruktionen zu speichern, und eine Verarbeitungseinheit, die funktionsfähig ist, um als Reaktion auf die gespeicherten Daten und Instruktionen die Ziehgeschwindigkeit und die Modulierung der Ziehgeschwindigkeit zu bestimmen und die Regulierungssignale für die Kristallzieheinheit zu produzieren.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 12, außerdem umfassend: einen Sensor oder mehrere Sensoren in Datenübertragungsverbindung mit der Regulierungseinheit, um eine Reaktion auf eine Modulierung der Ziehgeschwindigkeit zu detektieren und Daten für die Regulierungseinheit bereitzustellen, die für eine Reaktion auf die Modulierung der Ziehgeschwindigkeit indikativ sind.
Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 13, außerdem umfassend: ein Anwendungsprogramm, das im Speicher gespeichert ist und Instruktionen umfasst, die auf die Daten reagieren, die für eine Reaktion auf die Ziehgeschwindigkeitsmodulierung indikativ sind, um Korrekturen für einen relevanten Systemparameter, zum Beispiel Zielziehgeschwindigkeit oder Schmelze-Abstand, zu bestimmen.
Verfahren zum Züchten eines Halbleiterkristalls, umfassend: Erzeugen eines nominale Ziehgeschwindigkeits-Signals; Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze in einem Tiegel mit einer nominalen Ziehgeschwindigkeit als Reaktion auf das nominale Ziehgeschwindigkeits-Signal; Messen des Durchmessers des Kristalls; Erzeugen eines Ziehgeschwindigkeits-Korrektursignals auf der Basis des gemessenen Durchmessers und Kombinieren der Ziehgeschwindigkeitskorrektur mit dem nominale Ziehgeschwindigkeits-Signal; Überlagern der nominalen Ziehgeschwindigkeit mit einem periodischen Signal vorbestimmter Frequenz; Bestimmen von Temperaturgradienten in dem Kristall und der Schmelze auf der Basis zum Teil der Reaktion auf das überlagerte periodische Signal und Korrigieren des Temperaturgradienten in dem Kristall durch Einstellen eines Tiegelhebesignals.
Verfahren gemäß Anspruch 15, außerdem umfassend: Erzeugen eines Durchmessermesssignals auf der Basis des gemessenen Durchmessers, das eine periodische Komponente hat, die auf dem periodischen Signal basiert; Herausfiltern der vorbestimmten Frequenz des periodischen Signals aus dem Durchmessermesssignal, um ein Durchmesserkontroll-Eingabesignal zu erzeugen und Erzeugen des Ziehgeschwindigkeits-Korrektursignals auf der Basis der Durchmesserkontrolleingabe.
Verfahren gemäß Anspruch 16, außerdem umfassend: Bestimmen einer Signalamplitude und einer Zeitverschiebung auf der Basis des Durchmessermesssignals; Bestimmen der Temperaturgradienten auf der Basis der vorbestimmten Frequenz und Amplitude des periodischen Signals und der bestimmten Signalamplitude und der Zeitverschiebung und Erzeugen einer Korrektur für das Tiegelhebesignal auf der Basis der bestimmten Temperaturgradienten.