DE102020127336A1

DE102020127336A1 - Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020127336A1
Application number: DE102020127336.3A
Authority: DE
Inventors: Weimin Shen; Gang Wang; Xianliang Deng; Hanyi Huang; Yan Zhao
Original assignee: Zing Semiconductor Corp
Current assignee: Zing Semiconductor Corp
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2040-10-17
Also published as: TWI761956B; US20210140065A1; JP2021066652A; DE102020127336B4; KR102431713B1; CN112680793B; JP7101225B2; CN112680793A; KR20210046562A; TW202117098A

Abstract

Die Erfindung stellt eine Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung bereit. Sie umfasst: einen Ofenkörper; einen Tiegel, der innerhalb des Ofenkörpers angeordnet ist, um die Siliziumschmelze aufzunehmen; eine Ziehvorrichtung, die an der Oberseite des Ofenkörpers angeordnet ist und zum Herausziehen des Siliziumkristallbarrens aus dem Siliziumschmelzekörper verwendet wird; einen Deflektor, der zylinderförmig ist und in vertikaler Richtung über der Siliziumschmelze im Ofen angeordnet ist, und die Ziehvorrichtung zieht den Siliziumkristallbarren, der den Deflektor durchläuft, in vertikaler Richtung; und eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an die Siliziumschmelze in dem Tiegel; wobei die Unterseite des Deflektors mit nach unten konvexen Stufen versehen ist, so dass ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes kleiner ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zu dem Magnetfeld. Gemäß der Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die Qualität des Halbleiterkristallwachstums verbessert.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der P.R.C.-Patentanmeldung Nr. 201910990349.7 mit dem Titel „a semiconductor crystal growth apparatus“, die am 17. Oktober 2019 beim Staatlichen Amt für geistiges Eigentum der Volksrepublik China (SIPO) eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitertechnologie, insbesondere eine Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung.
HINTERGRUND
Das Czochralski-Prozess (CZ)-Verfahren ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silizium für Halbleiter und Solarenergie. Das in dem Tiegel befindliche hochreine Siliziummaterial wird durch ein thermisches Feld, das aus einem Kohlenstoffmaterial besteht, erhitzt, um es zu schmelzen, und dann wird der Keim durchgeschmolzen Der Kristall wird in die Schmelze eingetaucht und durchläuft eine Reihe von Prozessen (Einführung, Umbiegen, gleicher Durchmesser, Endbearbeitung, Kühlung), um einen Einkristallstab zu erhalten.
Bei dem Wachstum von Halbleiter-Einkristall-Silizium oder Solar-Einkristall-Silizium nach dem CZ-Verfahren wirkt sich die Temperaturverteilung des Kristalls und der Schmelze direkt auf die Qualität und Wachstumsrate des Kristalls aus. Während des Wachstums von CZ-Kristallen ist aufgrund der in der Schmelze vorhandenen thermischen Konvektion die Verteilung von Spurenverunreinigungen ungleichmäßig und es bilden sich Wachstumsstreifen aus. Wie die thermische Konvektion und die Temperaturschwankung der Schmelze während des Kristallziehprozesses unterdrückt werden können, ist daher ein weit verbreitetes Problem.
Die Kristallwachstumstechnologie unter einem Magnetfeldgenerator (MCZ genannt) wendet ein Magnetfeld auf eine Siliziumschmelze als Leiter an, setzt die Schmelze einer LorentzKraft entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung aus, behindert die Konvektion in der Schmelze und erhöht die Viskosität der Schmelze, reduziert Verunreinigungen wie Sauerstoff, Bor und Aluminium aus dem Quarztiegel in die Schmelze und dann in den Kristall, so dass der gewachsene Siliziumkristall einen kontrollierten Sauerstoffgehalt vom niedrigen bis zum hohen Bereich haben kann, reduzierend Die Verunreinigungsstreifen sind in Halbleiterkristallwachstumsprozessen weit verbreitet. Eine typische MCZ-Technologie ist die so genannte horizontale Magnetfeld-Kristallwachstumstechnologie (HMCZ), die ein horizontales Magnetfeld an eine Halbleiterschmelze anlegt und für das Wachstum von großformatigen und anspruchsvollen Halbleiterkristallen weit verbreitet ist.
Bei der Kristallwachstumstechnologie unter einer Horizontalmagnetfeldvorrichtung (HMCZ) sind der Kristallwachstumsofen, das thermische Feld, der Tiegel und die Siliziumkristalle in der Umfangsrichtung so symmetrisch wie möglich, und die Tiegel- und Kristalldrehung bewirken, dass die Temperaturverteilung in der Umfangsrichtung tendenziell gleichmäßig ist. Die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes, die während des Anlegens des Magnetfeldes angelegt werden, verlaufen jedoch parallel von einem Ende der Siliziumschmelze im Quarztiegel zum anderen Ende. Die von der rotierenden Siliziumschmelze erzeugte Lorentzkraft ist in allen Richtungen in der Umfangsrichtung unterschiedlich, so dass der Fluss der Siliziumschmelze und die Temperaturverteilung in der Umfangsrichtung inkonsistent sind.
Wie in 1A und 1B gezeigt, sind schematische Diagramme einer Temperaturverteilung unterhalb einer Grenzfläche zwischen einem kristallgewachsenen Kristall und einer Schmelze in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung dargestellt. Davon zeigt 1A einen Graphen aus gemessenen Testpunkten, die auf der horizontalen Oberfläche der Siliziumschmelze im Tiegel verteilt sind, wobei ein Punkt unter einem Winkel von θ = 45° in einem Abstand von 25 mm unterhalb des Schmelzflüssigkeitsspiegels und in einem Abstand von L = 250 mm vom Zentrum getestet wird. 1B ist eine Kurve der Temperaturverteilung, die durch Simulationsberechnung und Test entlang jedes Punktes unter einem Winkel θ mit der X-Achse in 1A erhalten wird, wobei die durchgezogene Linie die durch Simulationsberechnung erhaltene Temperaturverteilungskarte darstellt und das Punktdiagramm die gemessene, durch das Testverfahren angenommene Temperaturverteilung angibt. In 1A zeigt der Pfeil A an, dass die Drehrichtung des Tiegels entgegen dem Uhrzeigersinn ist, und der Pfeil B zeigt an, dass die Richtung des Magnetfeldes den Durchmesser des Tiegels entlang der Richtung der Y-Achse kreuzt. Aus 1B ist ersichtlich, dass während des Wachstums des Halbleiterkristalls sowohl die Ergebnisse der Simulationsrechnung als auch das gemessene Testverfahren gezeigt haben, dass die Temperatur auf dem Umfang unterhalb der Grenzfläche eines Halbleiterkristalls schwankte und sich der Füllstand der Siliziumschmelze während des Wachstums des Halbleiterkristalls mit dem Winkel ändert.
Gemäß der Voronkow-Kristallwachstumstheorie lautet die thermische Gleichgewichtsgleichung der Grenzfläche des Kristalls und der Flüssigkeitsoberfläche wie folgt, $PS*LQ = Kc*Gc - Km*Gm .$
Davon ist LQ das Potential des Phasenübergangs von Siliziumschmelze zu Siliziumkristall, Kc, Km repräsentieren die Wärmeleitfähigkeit des Kristalls bzw. der Schmelze; Kc, Km und LQ sind die physikalischen Eigenschaften des Siliziummaterials; PS repräsentiert die Kristallkristallisationsgeschwindigkeit entlang der Dehnungsrichtung beim Ziehen, die ungefähr der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls entspricht; Gc, Gm sind der Temperaturgradient (dT / dZ) des Kristalls bzw. der Schmelze an der Grenzfläche. Da die Temperatur unterhalb der Grenzfläche des Halbleiterkristalls und der Schmelze während des Wachstums von Halbleiterkristallen periodische Schwankungen mit der Änderung des Umfangswinkels aufweist, d.h. der Gc des Temperaturgradienten (dT / dZ) des Kristalls und der Schmelze als Grenzfläche, schwankt Gm. Daher fluktuiert die Kristallisationsgeschwindigkeit PS des Kristalls in Umfangswinkelrichtung periodisch, was für die Steuerung der Qualität des Kristallwachstums nicht förderlich ist.
Aus den oben genannten Gründen ist es notwendig, eine neue Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung vorzuschlagen, um die Probleme des Standes der Technik zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Abschnitt Zusammenfassung der Erfindung wird eine Reihe von vereinfachten Ausbildungen von Konzepten vorgestellt, die im Abschnitt Detaillierte Beschreibung näher beschrieben werden. Die Zusammenfassung der Erfindung soll weder die Hauptmerkmale und wesentlichen technischen Merkmale der beanspruchten Erfindung noch den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einschränken.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung bereitzustellen, die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung umfasst:

einen Ofenkörper;
einen Tiegel, der innerhalb des Ofenkörpers angeordnet ist, um eine Siliziumschmelze zu enthalten;
eine Ziehvorrichtung, die an der Oberseite des Ofenkörpers angeordnet ist und zum Herausziehen eines Siliziumbarrens aus der Siliziumschmelze verwendet wird;
einen Deflektor, der zylinderförmig ist und oberhalb der Siliziumschmelze im Ofenkörper in vertikaler Richtung angeordnet ist,
wobei die Ziehvorrichtung den Siliziumbarren in vertikaler Richtung durch den Deflektor zieht; und
eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an die Siliziumschmelze im Tiegel;
wobei die Unterseite des Deflektors mit nach unten konvexen Stufen versehen ist, so dass ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes kleiner ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zu dem Magnetfeld.

In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Stufen auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Stufen bogenförmige Stufen und entlang der Umfangsrichtung des Deflektors angeordnet.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen liegt ein Winkel entsprechend den bogenförmigen Stufen im Bereich von 20°-160°.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen liegt eine Höhe der Stufen im Bereich von 2-20 mm.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen umfasst der Deflektor einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material, wobei sich die Unterseite des äußeren Zylinders unter der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt und zur Unterseite des inneren Zylinders hin geschlossen ist, um einen Hohlraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder auszubilden, und das wärmeisolierende Material in dem Hohlraum angeordnet ist.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen weist die Unterseite des äußeren Zylinders unterschiedliche Wandstärken auf, um nach unten konvexen Stufen an der Unterseite des Deflektors auszubilden.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen umfasst der Deflektor ein Einfügeelement, das Einfügeelement umfasst einen vorstehenden Abschnitt und einen Einfügeabschnitt, und der Einfügeabschnitt ist zwischen einem Abschnitt der Unterseite des äußeren Zylinders, der sich unterhalb der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt, und der Unterseite des inneren Zylinders eingefügt, und der vorstehende Abschnitt ist verlängert, um die Unterseite des äußeren Zylinders zu bedecken.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen umfasst der vorstehende Abschnitt zwei Abschnitte, die auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind, und der vorstehende Abschnitt bildet die Stufen.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen ist der vorstehende Abschnitt ringförmig und bedeckt die Unterseite des Deflektors und die Stufen sind auf dem vorstehenden Abschnitt angeordnet.
Gemäß der Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist durch Einstellung des Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes kleiner als der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld, ist die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit der Oberfläche der Siliziumschmelze in Richtung des Magnetfeldes größer als die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit der Oberfläche der Siliziumschmelze in Richtung senkrecht zum Magnetfeld, so dass die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb des Siliziumbarrens und der Grenzfläche der Siliziumschmelze effektiv abgestimmt ist. Daher ist die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze abgestimmt, so dass das Problem der Fluktuationen in der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkristall und dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze, der durch das angelegte Magnetfeld verursacht wird, während des Wachstums des Halbleiterkristalls abgestimmt werden kann und effektiv die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze verbessert wird und dadurch die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsrate und die Qualität des Kristallziehens verbessert wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, in denen:

1A und 1B schematische Diagramme der Temperaturverteilung unterhalb der Grenzfläche zwischen einem Kristall und einer Schmelze in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung sind;
2 ein schematisches Strukturdiagramm einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Querschnittspositionsanordnung eines Tiegels, eines Deflektors und eines Siliziumkristallbarrens in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 ist ein schematisches Diagramm der Abstandsänderung zwischen der Unterseite des Deflektors der Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze mit der Änderung des Winkels α in 3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
5 ein schematisches Strukturdiagramm eines Deflektors in einer Halbleiterwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

DETAILED DESCRIPTION
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand konkreter Beispiele beschrieben, und der Fachmann kann andere Vorteile und Wirkungen der vorliegenden Erfindung anhand der Offenbarung der vorliegenden Offenbarung leicht nachvollziehen. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen spezifischen Ausführungsformen verkörpert oder angewandt werden, und es können verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung zwar in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, es wird jedoch davon ausgegangen, dass diese verschiedenen Ausführungsformen nicht dazu dienen, die Erfindung einzuschränken. Im Gegenteil soll die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfassen, die in den Anwendungsbereich der Erfindung gemäß den Ansprüchen fallen können. Darüber hinaus werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten oder mit Äquivalenten davon ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Methoden, Verfahren, Komponenten und Schaltungen nicht im Detail beschrieben worden, um Aspekte der Erfindung nicht unnötig zu verdecken.
Um die Erfindung umfassend zu verstehen, werden die folgenden Beschreibungen detaillierte Schritte zur Erläuterung eines Verfahrens zur Kristallwachstumskontrolle eines Umbiegeprozesses (engl. shouldering process) gemäß der Erfindung bereitstellen. Es ist offensichtlich, dass die Praxis der Erfindung nicht auf die spezifischen Details beschränkt ist, die den Fachleuten der Halbleitertechnik vertraut sind. Die bevorzugte Ausführungsform wird wie folgt beschrieben. Die Erfindung hat jedoch über die detaillierte Beschreibung hinaus weitere Ausführungsformen.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung von Beispielausführungsformen gedacht. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „a“, „an“ und „the“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner wird davon ausgegangen, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend‟, „einschließt“ und/oder „einschließend“, falls sie hier verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein schematisches Strukturdiagramm einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung umfasst einen Ofenkörper 1, einen Tiegel 11, der im Ofenkörper 1 angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung 12, die an der Außenseite des Tiegels 11 zur Beheizung vorhanden ist. Der Tiegel 11 enthält eine Siliziumschmelze 13. Der Tiegel 11 ist aus einem Graphittiegel und einem vom Graphittiegel ummantelten Quarztiegel zusammengesetzt. Der Graphittiegel erhält die von der Heizvorrichtung bereitgestellte Wärme, um das polykristalline Siliziummaterial im Quarztiegel zu schmelzen und eine Siliziumschmelze auszubilden. Jeder Quarztiegel wird für einen Chargen-Halbleiterwachstumsprozess verwendet, und jeder Graphittiegel wird für einen Multi-Chargen-Halbleiterwachstumsprozess verwendet.
Eine Ziehvorrichtung 14 ist auf der Oberseite des Ofenkörpers 1 vorhanden. Von der Ziehvorrichtung 14 angetrieben, kann ein Impfkristall aus einem Siliziumbarren 10 aus dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze gezogen und herausgezogen werden, und eine Hitzeschutzvorrichtung ist um den Siliziumbarren 10 herum vorgesehen. Die Hitzeschutzvorrichtung, zum Beispiel wie in 1 dargestellt, umfasst einen Deflektor 16, der in einem Zylindertyp vorgesehen ist, dient als Hitzeschutzvorrichtung, um den Quarztiegel während des Kristallwachstumsprozesses zu isolieren, und die von der Siliziumschmelze im Tiegel auf der Oberfläche des Kristalls erzeugte Wärmestrahlung erhöht die Abkühlgeschwindigkeit und den axialen Temperaturgradienten des Barrens und erhöht die Anzahl des Kristallwachstums. Andererseits beeinflusst sie die thermische Feldverteilung auf der Oberfläche der Siliziumschmelze und vermeidet, dass der axiale Temperaturgradient zwischen dem Zentrum und dem Rand zu groß ist, um ein stabiles Wachstum zwischen dem Kristallbarren und dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die Umlenkplatte auch dazu verwendet, das aus dem oberen Teil des Kristallwachstumsofens eingeleitete Inertgas so zu leiten, dass es mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit durch die Oberfläche der Siliziumschmelze strömt, um den Effekt der Kontrolle des Sauerstoffgehalts und des Verunreinigungsgehalts im Kristall zu erreichen. Während des Wachstums des Halbleiterkristalls, angetrieben durch die Ziehvorrichtung 14, durchläuft der Siliziumbarren 10 vertikal den Deflektor 16.
Um ein stabiles Wachstum des Siliziumbarrens zu erreichen, ist an der Unterseite des Ofenkörpers 1 eine Antriebsvorrichtung 15 zum Antrieb des Tiegels 11 zur Drehung und Auf- und Abbewegung vorhanden. Die Antriebsvorrichtung 15 treibt den Tiegel 11 an, damit er während des Kristallziehvorgangs weiter rotiert, um das Schmelzen von Silizium zu reduzieren. Die thermische Asymmetrie des Körpers bewirkt ein gleichmäßiges Wachstum der S ilizi umkristallsäulen.
Um die Konvektion der Siliziumschmelze zu behindern, wird die Viskosität in der Siliziumschmelze erhöht, Verunreinigungen wie Sauerstoff, Bor und Aluminium aus dem Quarztiegel in die Schmelze und dann in den Kristall reduziert, so dass der gewachsene Siliziumkristall den kontrollierten niedrig- bis hochreichenden Sauerstoffgehalt haben kann und weniger Verunreinigungsstreifen aufweist. Die Halbleiterwachstumsvorrichtung umfasst ferner eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung 17, die außerhalb des Ofenkörpers 1 angeordnet ist, um ein Magnetfeld an die Siliziumschmelze im Tiegel anzulegen.
Da die Magnetfeldlinien des von der Magnetfeld-Anlegevorrichtung 17 angelegten Magnetfeldes parallel von einem Ende der Siliziumschmelze im Tiegel zum anderen Ende verlaufen (siehe den gestrichelten Pfeil in 2), liegt die von der rotierenden Siliziumschmelze erzeugte Lorentzkraft am Umfang. Die Richtungen sind unterschiedlich, so dass der Fluss und die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze in der Umfangsrichtung inkonsistent sind, wobei die Temperatur entlang der Richtung des Magnetfeldes höher ist als die in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld. Die Inkonsistenz des Flusses und der Temperatur der Siliziumschmelze äußert sich darin, dass die Temperatur der Schmelze unterhalb der Grenzfläche des Halbleiterkristalls und der Schmelze mit der Änderung des Winkels schwankt, so dass die Kristallisationsgeschwindigkeit PS des Kristalls schwankt, so dass die Halbleiterwachstumsgeschwindigkeit auf dem Umfang inkonsistent erscheint. Eine solche Ungleichförmigkeit ist für die Qualitätskontrolle des Halbleiterkristallwachstums nicht geeignet.
Aus diesem Grund ist bei der Halbleiterwachstumsvorrichtung der vorliegenden Erfindung der Deflektor 16 entlang der Umfangsrichtung des Siliziumbarrens angeordnet, und die Unterseite des Deflektors und der Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel weisen unterschiedliche Abstände auf.
Entlang des Umfangs des Siliziumbarrens wird ein anderer Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel eingestellt, und der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes ist kleiner als der senkrecht in Richtung des Magnetfeldes. Der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes, wo der Abstand kleiner ist, strahlt die Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit Wärme mehr an den Siliziumbarren und das Innere des Deflektors ab. Bei einem kleinen Abstand strahlt die Wärme von der Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit mehr zum Siliziumbarren und zur Innenseite des Deflektors, so dass die Temperatur der Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit bei einem kürzeren Abstand niedriger ist als die der Siliziumschmelze bei einem größeren Abstand. Die Temperatur der Körperflüssigkeitsoberfläche ist stark reduziert, was das Problem ausgleicht, dass die Temperatur in Richtung der Magnetfeldanwendung aufgrund der Wirkung des angelegten Magnetfeldes auf den Fluss der Siliziumschmelze höher ist als die Temperatur senkrecht zur Richtung der Magnetfeldanwendung. Dementsprechend kann durch die Einstellung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze abgestimmt werden, so dass die durch das angelegte Magnetfeld verursachte Temperaturschwankung abgestimmt werden kann. Die Schwankung der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze in Umfangsrichtung verbessert effektiv die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze, wodurch die Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit des Kristallwachstums und die Qualität des Kristallziehens verbessert werden.
Währenddessen besteht entlang der Umfangsrichtung des Siliziumbarrens ein unterschiedlicher Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel, so dass bei einem größeren Abstand die Oberseite des Ofenkörpers mit dem Druck in Verbindung steht und die Flussgeschwindigkeit des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze, die durch den Deflektor zurückfließt, erhöht wird und die Scherkraft des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze erhöht wird. Bei einem kleinen Abstand durchläuft die Oberseite des Ofenkörpers den Deflektor, der Druck und die Flussrate an der Position des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze sinken, und die Scherkraft des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze nimmt ab. Dementsprechend wird durch die Einstellung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel die Struktur weiter abgestimmt, um den Flusszustand der Siliziumschmelze entlang der Umfangsrichtung gleichmäßiger zu machen, was die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit und die Qualität des Kristallziehens weiter verbessert. Gleichzeitig kann durch die Änderung des Flusszustandes der Siliziumschmelze die Gleichförmigkeit der Sauerstoffgehaltsverteilung im Kristall verbessert und Defekte beim Kristallwachstum verringert werden.
Konkret ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Unterseite des Deflektors 16 mit nach unten konvexen Stufen versehen, so dass ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes kleiner ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zu dem Magnetfeld, so dass die Struktur des bestehenden Deflektors voll ausgenutzt wird, ohne die Deflektorstruktur neu zu konstruieren, und die technischen Effekte der vorliegenden Erfindung können realisiert und die Produktionskosten effektiv gesenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Stufen sind auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Stufen bogenförmige Stufen und entlang der Umfangsrichtung des Deflektors angeordnet.
Bezugnehmend auf 3 wird eine schematische Querschnittspositionsanordnung von Tiegeln, Deflektoren und Siliziumbarren in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 3 dargestellt, hat die Unterseite des Deflektors 16 die Form eines kreisförmigen Zylinders, so dass die Unterseite des Deflektors 16 ein elliptischer Ring ist, in dem entlang der Richtung des Anlegens des Magnetfeldes (in 3 durch Pfeil B dargestellt) die gegenüberliegenden Seiten des Deflektors 16 mit den nach unten konvexen Stufen 1601 und 1602 versehen sind. Die Stufen 1601 und 1602 sind auf den gegenüberliegenden Seiten der Unterseite des Deflektors 16 entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet, und die Stufen 1601 und 1602 sind bogenförmig, so dass entlang der Richtung des Magnetfeldes der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors 16 und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel kleiner ist als der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors 16 und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld, so dass in Richtung des Magnetfeldes die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze schneller sinkt, um den Defekt zu kompensieren, dass die Temperatur der Siliziumschmelze entlang der Richtung des Magnetfeldes, verursacht durch das Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes, höher ist, so dass die Temperatur der Siliziumschmelze entlang des Umfangs des Deflektors gleichmäßiger verteilt ist.
Es sollte verstanden werden, dass in dieser Ausführungsform die nach unten konvexen Stufen so eingestellt sind, dass sie auf den gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind, und dass die Stufen bogenförmig eingestellt sind, sind rein beispielhaft, und Fachleute sollten verstehen, dass jede Stufe, die an der Unterseite des Deflektors angeordnet ist, den Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in der Richtung des angelegten Magnetfeldes kleiner machen kann als in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld, um die technische Wirkung der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
Beispielsweise liegt ein Winkel entsprechend den bogenförmigen Stufen im Bereich von 20°-160°.
Beispielsweise liegt die Höhe der Stufen im Bereich von 2-20 mm.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein schematisches Diagramm der Veränderung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors der Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze gemäß der Veränderung des Winkels α in 3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Achse stellt den Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze dar, und die horizontale Achse stellt die Änderung der Position der Unterseite des Deflektors mit dem Winkel α in 3 dar. Wenn α 90° und 270° beträgt, ist der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze kleiner als wenn α 0° und 180° beträgt, ist es der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze. Wenn α 90° und 270° beträgt, ist die untere Position des Deflektors in Richtung des Magnetfeldes (wie durch Pfeil B in dargestellt), wenn α 0° und 180° beträgt, ist die untere Position des Deflektors senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes. Dabei ist, wenn α 0° beträgt, der Abstand H0 zwischen der Unterseite des Deflektors und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze, und wenn α 90° beträgt, der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der flüssigen Oberfläche der Siliziumschmelze H0 und H90. Die Differenz h zwischen ihnen ist die Höhe der Stufen, und der Bereich beträgt 2-20 mm. Da die bogenförmigen Stufen entlang des Umfangs angeordnet sind, liegt der entsprechende Zentralwinkel W zwischen 20° und 160°. Da die Unterseite des Deflektors mit Stufen angeordnet ist, werden an den Verbindungen der Stufen abgerundete Ecken angebracht. Veranschaulichend beträgt der Radius der abgerundeten Ecken 1-5 mm.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Deflektor einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material, wobei eine Unterseite des äußeren Zylinders sich unter einer Unterseite des inneren Zylinders erstreckt und mit der Unterseite des inneren Zylinders verschlossen ist, um einen Hohlraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder zu bilden, und das wärmeisolierende Material in dem Hohlraum angeordnet ist.
In einer Ausführungsform weist die Unterseite des äußeren Zylinders unterschiedliche Wandstärken auf, um nach unten konvexe Stufen an der Unterseite des Deflektors zu bilden. Bezugnehmend auf 5 wird ein schematisches Strukturdiagramm eines Deflektors in einer Halbleiterwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bezugnehmend auf 5 umfasst der Deflektor 16 einen inneren Zylinder 161, einen äußeren Zylinder 162 und ein wärmeisolierendes Material 163, das zwischen dem inneren Zylinder 161 und dem äußeren Zylinder 162 angeordnet ist, wobei sich eine Unterseite des äußeren Zylinders 162 unter der Unterseite des inneren Zylinders 161 erstreckt und er mit der Unterseite des inneren Zylinders 161 verschlossen ist, um einen Hohlraum zur Aufnahme des wärmeisolierenden Materials 163 zwischen dem inneren Zylinder 161 und dem äußeren Zylinder 162 auszubilden. Das Einsetzen des Deflektors in eine Struktur, die einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material enthält, kann die Installation des Deflektors vereinfachen. Beispielsweise ist das Material des inneren Zylinders und des äußeren Zylinders aus Graphit gefertigt, und das wärmeisolierende Material umfasst Glasfaser, Asbest, Steinwolle, Silikat, Aerogel-Filz, Vakuumplatte und dergleichen.
Durch die Einstellung der Unterseite des äußeren Zylinders mit unterschiedlichen Wandstärken, um die nach unten konvexen Stufen der Unterseite des Deflektors auszubilden, wird die Einstellung der Deflektorstufen nur durch die Anordnung des äußeren Zylinders realisiert, was den Herstellungsprozess der Stufen vereinfacht und die Produktionskosten reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Deflektor eine Abstimmungsvorrichtung zur Abstimmung des Abstands zwischen dem Deflektor und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Abstimmungsvorrichtung, um den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel zu verändern, kann der Herstellungsprozess des Deflektors auf der bestehenden Deflektorstruktur vereinfacht werden
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 5 umfasst die Abstimmungsvorrichtung ein Einfügeelement 18, das Einfügeelement 18 umfasst einen vorstehenden Abschnitt 181 und einen Einfügeabschnitt 182, die dazu vorgesehen sind, zwischen der Unterseite des äußeren Zylinders 162 und einem unterhalb der Unterseite des inneren Zylinders 161 und der Unterseite des inneren Zylinders 161 verlängerten Abschnitt eingefügt zu werden. Der vorstehende Abschnitt 181 ist verlängert, um die Unterseite des äußeren Zylinders 162 zu bedecken.
Da der vorhandene Deflektor im Allgemeinen in einer konischen Zylinderform ausgeführt ist, die Unterseite des Deflektors in der Regel mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgeführt ist und der Deflektor so ausgeführt ist, dass er sich zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder befindet, ohne die Struktur des vorhandenen Deflektors zu verändern, kann die Form der Unterseite des Deflektors flexibel abgestimmt werden, indem die Struktur und die Form des Einfügeelements abgestimmt werden, ohne die Struktur des vorhandenen Deflektors zu verändern, um den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel abzustimmen; ohne die bestehende Halbleiterwachstumsvorrichtung zu verändern, kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung durch Anordnung einer Abstimmungsvorrichtung mit einem Einfügeelement erreicht werden. Gleichzeitig kann die Einfügeelemente modular hergestellt und ersetzt werden, so dass es an verschiedene Halbleiterwachstumsprozesse unterschiedlicher Größe angepasst werden kann, wodurch Kosten gespart werden.
Das Einfügeelement wird in Form eines Einsatzes auf dem Deflektor angebracht, ohne dass der Deflektor modifiziert werden muss, das Anbringen der Abstimmungsvorrichtung kann realisiert werden, und die Herstellungs- und Anbringungskosten der Abstimmungsvorrichtung und des Deflektors werden weiter vereinfacht. Gleichzeitig wird durch die Position, an der das Einfügeelement zwischen der Unterseite des äußeren Zylinders und der Unterseite des inneren Zylinders eingefügt wird, die Wärmeleitung vom äußeren Zylinder zum inneren Zylinder wirksam reduziert, die Temperatur des inneren Zylinders gesenkt und ferner die Strahlungswärmeübertragung vom inneren Zylinder zum Barren wirksam verringert. Der Unterschied zwischen dem axialen Temperaturgradienten des Zentrums und der Peripherie des Siliziumbarrens wird verringert und die Qualität des Kristallziehens wird verbessert. Beispielsweise wird für die Abstimmungsvorrichtung ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie SiC-Keramik, Quarz o.ä. verwendet.
Beispielsweise kann die Abstimmungsvorrichtung in Abschnitten angeordnet sein, wie z.B. zwei, die auf dem Deflektor entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind, so dass der vorstehende Abschnitt Stufen bildet; oder sie ist entlang des Umfangs der Unterseite des Deflektors angeordnet, wie z.B. ein elliptischer Ring, und auf dem vorstehenden Abschnitt sind Stufen angeordnet.
Es sollte verstanden werden, dass die Einstellung der Abstimmungsvorrichtung in Abschnitten oder in einem elliptischen Ring nur beispielhaft ist, und alle Abstimmungsvorrichtungen, die in der Lage sind, den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel abzustimmen, sind auf die vorliegende Erfindung anwendbar.
Das Obige ist eine beispielhafte Einführung in die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der erfindungsgemäßen Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung ist die Unterseite des Deflektors mit nach unten konvexen Stufen versehen, so dass der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel kleiner ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld, so dass die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unter der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze eine Rolle bei der Regelung spielt, so dass die durch das angelegte Magnetfeld verursachte Schwankung der Temperatur der Siliziumschmelze in Umfangsrichtung abgestimmt werden kann, was die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze wirksam verbessert, wodurch die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit und die Qualität des Kristallziehens verbessert wird. Gleichzeitig wird die Flussstruktur der Siliziumschmelze so abgestimmt, dass der Flusszustand der Siliziumschmelze entlang der Umfangsrichtung gleichförmiger wird, was die Gleichförmigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit weiter verbessert und Kristallwachstumsdefekte reduziert.
Obgleich verschiedene Ausführungsformen gemäß den offengelegten Prinzipien oben beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass sie nur beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt werden. Daher sollten die Breite und der Umfang der beispielhaften Ausführungsform(en) nicht durch eine der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, sondern nur gemäß den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert werden, die sich aus dieser Offenbarung ergeben. Darüber hinaus sind die oben genannten Vorteile und Merkmale in den beschriebenen Ausführungsformen vorhanden, aber sie sollen die Anwendung derartiger ausgegebener Ansprüche nicht auf Prozesse und Strukturen beschränken, die einen oder alle der oben genannten Vorteile erreichen.
Zusätzlich sind die hierin enthaltenen Abschnittsüberschriften zur Übereinstimmung mit den Vorschlägen unter 37 C.F.R. 1.77 oder anderweitig vorhanden, um organisatorische Hinweise zu geben. Diese Überschriften sollen die Erfindung(en), die in jeglichen Ansprüchen, die sich aus dieser Offenbarung ergeben können, dargelegt werden, weder einschränken noch charakterisieren. Insbesondere ist eine Beschreibung einer Technologie im „Hintergrund“ nicht als Eingeständnis zu verstehen, dass die Technologie zum Stand der Technik der Erfindung(en) in dieser Offenbarung gehört. Darüber hinaus sollte jede Bezugnahme in dieser Offenbarung auf „Erfindung“ im Singular nicht dazu benutzt werden, um zu argumentieren, dass es in dieser Offenbarung nur einen einzigen Punkt der Neuheit gibt. Mehrfache Erfindungen können gemäß den Beschränkungen der aus dieser Offenbarung hervorgehenden mehrfachen Ansprüche dargelegt werden, und solche Ansprüche definieren dementsprechend die Erfindung(en) und ihre Äquivalente, die dadurch geschützt werden. In allen Fällen ist der Umfang solcher Ansprüche für sich genommen im Lichte dieser Offenbarung zu betrachten, sollte aber nicht durch die Überschriften hierin eingeschränkt werden.

Claims

Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung, umfassend einen Ofenkörper; einen Tiegel, der innerhalb des Ofenkörpers angeordnet ist, um eine Siliziumschmelze zu enthalten; eine Ziehvorrichtung, die an der Oberseite des Ofenkörpers angeordnet ist und zum Herausziehen eines Siliziumbarrenstabs aus der Siliziumschmelze verwendet wird; einen Deflektor, der zylinderförmig ist und oberhalb der Siliziumschmelze im Ofenkörper in vertikaler Richtung angeordnet ist, wobei die Ziehvorrichtung den Siliziumbarren in vertikaler Richtung durch den Deflektor zieht; und eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an die Siliziumschmelze im Tiegel; wobei die Unterseite des Deflektors mit nach unten konvexen Stufen versehen ist, so dass ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in Richtung des Magnetfeldes kleiner ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumschmelze-Flüssigkeitspegel in einer Richtung senkrecht zu dem Magnetfeld.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Stufen auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Stufen bogenförmige Stufen sind und entlang der Umfangsrichtung des Deflektors angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei ein Winkel entsprechend den bogenförmigen Stufen im Bereich von 20°-160° liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Höhe der Stufen im Bereich von 2-20 mm liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Deflektor einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material umfasst; wobei sich die Unterseite des äußeren Zylinders unter der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt und zur Unterseite des inneren Zylinders hin geschlossen ist, um einen Hohlraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder auszubilden, und das wärmeisolierende Material in dem Hohlraum angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Unterseite des äußeren Zylinders unterschiedliche Wandstärken aufweist, um die nach unten konvexen Stufen an der Unterseite des Deflektors auszubilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Deflektor ein Einfügeelement umfasst, das Einfügeelement einen vorstehenden Abschnitt und einen Einfügeabschnitt umfasst, und der Einfügeabschnitt zwischen einem Abschnitt der Unterseite des äußeren Zylinders, der sich unterhalb der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt, und die Unterseite des inneren Zylinders eingefügt ist, und der vorstehende Abschnitt verlängert ist, um die Unterseite des äußeren Zylinders zu bedecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der vorstehende Abschnitt zwei Abschnitte umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind, und der vorstehende Abschnitt die Stufen bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der vorstehende Abschnitt ringförmig ist und die Unterseite des Deflektors bedeckt und die Stufen auf dem vorstehenden Abschnitt angeordnet sind.