JP2010037191A - 単結晶シリコンインゴットの成長方法および成長用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チョクラルスキー法において、結晶成長フロント(結晶−融液界面)での温度勾配にもとづいた結晶成長プログラムの性能改善方法を提供する。
【解決手段】半導体結晶を成長するための方法および装置は、所定の引き上げ速度で融液から半導体結晶を引き上げるステップと、周期的な引き上げ速度を平均速度と組み合わせることによって前記引き上げ速度を調整するステップとを具える。引き上げ速度の調節は、結晶形成中に、融液中および結晶中の特有の温度勾配のその場決定を可能にする。温度勾配は、例えば、成長中の結晶中の温度勾配を決定する結晶の目標引き上げ速度または融液ギャップのような、完成した結晶中の形態安定性または固有の材料特性に影響を与える、関連するプロセスパラメータの制御に用いられる。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般に、半導体結晶の成長に関し、特に、半導体結晶中の結晶成長フロントでの温度勾配をその場決定する方法に関する。

半導体電子部品を製造するプロセスの多くは、単結晶シリコンに基づいている。通常、チョクラルスキー法は、単結晶シリコンのインゴットを製造するための結晶引き上げ機によって実行される。チョクラルスキーまたはＣＺ法は、一部分において熱シールドによって包含される、特に設計されたチャンバ内に設置されたルツボ中に、溶融高純度シリコンまたは多結晶シリコンを含む。このルツボは、一般的に、石英または他の適切な材料で作られている。ルツボ中のシリコンが溶融した後、結晶引き上げメカニズムは、種結晶を下ろしてシリコン融液に接触させる。このメカニズムは、その後、シリコン融液から成長する結晶を引き上げるために種結晶を引き上げる。結晶は、実質的に欠陥がなく、したがって、集積回路のような現代の半導体デバイスを製造するのに適している。シリコンは、この議論において典型的な材料ではあるものの、ガリウムヒ素、リン化インジウムのような他の半導体も、各材料の個々の特性を考慮して、同様に処理されることができる。

重要な製造パラメータは、融液から引き上げられるインゴットの直径である。結晶ネックまたは小さな直径部分の形成後、従来のＣＺ法は、成長する結晶の直径を増大させる。これは、所望の直径を保持するために、引き上げ速度または融液の温度を減少させることによる自動処理制御下において行われる。ルツボの位置は、融液レベルを結晶に対して一定に維持するよう調整される。引き上げ速度、融液温度および減少する融液レベルを制御することによって、結晶インゴットの本体は、おおよそ一定の直径で成長する。成長プロセス中、ルツボは、融液を一の方向に回転させ、結晶引き上げメカニズムは、その引き上げケーブルまたは軸を、種結晶および結晶とともに融液とは反対方向に回転させる。

通常、チョクラルスキー法は、一部分において、引き上げ中の結晶の直径およびルツボ中の融解されたシリコンのレベルの関数として制御される。このプロセスの目標は、結晶直径を実質的に均一にすることおよび結晶欠陥を最小化することにある。結晶直径は、融液温度および引き上げ速度を制御することによって制御されている。

また、結晶成長フロント(すなわち、結晶−融液界面)での温度勾配が、プロセス性能の重要な評価基準であることも知られている。温度勾配は、結晶直径制御、高濃度にドープされた結晶の成長における結晶形態安定性およびバルク結晶微小欠陥に影響を与える重要な結晶成長プロセスパラメータである。従来、公称温度勾配は、ホットゾーン設計によって予め決定され、これは、コンピュータ支援設計(ＣＡＤ)ソフトウェアを用いて行われる。実行の後期に、例えば格子間および空孔欠陥の分布を分析することによる事後引き上げ材料分析に従って、実際の勾配は、現実に正確な値を知ることなく、(融液−熱シールドギャップを少し変化させることによって)調整される。そのような調整は、運用毎に行われ、厳しい材料特性規格を有する高品質ＣＺ材料は、常設のモニタリングおよび調整を要求する。常設のモニタリングは、熱勾配を決定するホットゾーン部分の材料特性が繰り返しの使用により時間によって変化するために必要とされる。しかしながら、そのような実処理間(run-to-run)分析は、動作中に発生する勾配変化を微調整することができず、より悪いことには、時々人的エラーが原因で発生する間違った融液−熱リフレクタギャップのようなプレラン(pre-run)セットアップエラーが原因の勾配偏差を、動作中に捕らえて修正することができない。必要とされるのは、結晶成長中に結晶成長フロントでの温度勾配を決定し、この情報を用いて結晶成長プロセスを制御するための信頼できる方法および装置である。

前置きとして、本実施形態は、所定の引き上げ速度で融液から半導体結晶を引き上げること、および、周期的な引き上げ速度を平均速度と組み合わせることによって引き上げ速度を調節することを含む、半導体結晶を成長する方法および装置を提供する。引き上げ速度の調節は、結晶形成中における融液中および結晶中の温度勾配のリアルタイム決定を可能にする。勾配は、固有の結晶特性に依存する勾配に影響を与える関連するプロセスパラメータに対して、その場修正を行うよう調整するのに用いることができる。

実施形態において、目標引き上げ速度と、直径制御システムからの修正項との和を含む、公称結晶引き上げ速度は、所定の振幅および周波数の周期項によって重ね合わされる。これは、他の公称直径の小さな周期的変調を生じさせるであろう。小さな重ね合わせた信号によって影響を受けずに動作するために、直径制御システムは、変調周波数を含まないフィルタ処理された信号を受信する。しかしながら、新しい温度勾配評価は、重ね合わせた直径変調の振幅および位相シフトのノイズを除去するために、周波数選択アルゴリズムを用いる。この情報は、所定の引き上げ速度変調振幅と一緒に、その後、温度勾配を計算するアルゴリズムによって用いられる。この計算の結果は、さらに、これら値を目標値と比較し、結晶が成長する間、勾配依存固有特性に影響を与える、関連するシステムパラメータを調整するのに用いられる。好ましい実施形態において、融液ギャップへの調整は、所望の結晶温度勾配を得るために形成される。

前述の好ましい実施形態の説明は、単に一例として示されたものである。ここで説明されたものは、発明の範囲を規定する特許請求の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

図１は、典型的な半導体結晶成長装置のブロック図である。 図２は、図１に示す装置で製造された半導体結晶における濡れ角とメニスカス高さにおける変化に関連する分析的なモデルを示す。 図３は、半導体結晶の製造方法を示すフロー図である。

図１は、典型的な半導体結晶成長装置１００のブロック図を示す。この装置１００は、制御ユニット１０２、ヒータ電源１０４および結晶成長チャンバ１０６を具える。さらに、この装置１００は、結晶引き上げユニット１０８、結晶軸１１０、ルツボ駆動ユニット１１２およびルツボ駆動軸１１４を具える。

融液１１８を含むルツボ１１６およびヒータ１２０は、チャンバ１０６内に収容されている。図１において、半導体結晶１２２は、融液１１８から形成される。制御ユニット１０２は、ヒータ電源１０４に結合されて、ヒータ電源１０４を制御する。ヒータ電源１０４を制御することによって、半導体結晶１２２の制御された成長を可能にするよう、融液１１８の温度が制御される。

結晶引き上げユニット１０８は、結晶軸１１０が中心軸１２４に沿って引き上げられるよう動作する。また、結晶引き上げユニット１０８は、結晶軸１１０が中心軸１２４の周りを回転するよう動作する。図１において、反時計回りの回転が示されているが、時計回りの回転としてもよく、いずれの回転も、結晶引き上げユニット１０８を適切に制御することによって利用することができる。結晶引き上げ軸１１０の回転または運動は、同様の回転または運動を結晶１２２に生じさせる。結晶引き上げユニット１０８は、結晶軸１１０を引き上げ、回転させるための１以上の電気モータまたは他の装置を具える。結晶引き上げユニット１０８は、制御ユニット１０２からの制御ライン１２６を伝って確認される信号によって制御される。

同様に、ルツボ駆動ユニット１１２は、ルツボ駆動軸１１４が中心軸１２４に沿って移動するよう、そして、ルツボ駆動軸１１４が中心軸１２４の周りを回転するよう動作する。図１において、時計回りの回転が示されているが、反時計回りの回転としてもよく、いずれの回転も、ルツボ駆動ユニット１１２を適切に制御することよって利用することができる。ルツボ駆動軸１１４の回転または運動は、同様の回転または運動をルツボ１１６に生じさせる。ルツボ駆動ユニット１１２は、ルツボ駆動軸１１４を持ち上げ、回転させるための１以上の電気モータまたは他の装置を具える。ルツボ駆動ユニット１１２は、制御ユニット１０２からの制御ライン１２８を伝って確認される信号によって制御される。

結晶１２２は、ルツボ１１６中の融液１１８から形成される。表面張力のため、ルツボ１１６中の固体の半導体材料と液体の半導体材料との間の相界面である結晶化フロントは、融液レベルよりも少し上方に持ち上げられる。液体の半導体は、結晶を完全に濡らすことができない。実際には、液体の半導体は、固体の結晶と、所定の角度Θ₀で接触する。これは、接触平衡角、濡れ平衡角、または、メニスカス平衡角と称される。

融液レベルよりも上方に持ち上げられた結晶の下の融液の領域は、メニスカスと呼ばれる。融液の上方に持ち上げられた結晶化フロントの位置は、成長プロセスの特性にとって重要である。この位置が、融液の上方よりもずっと遠くに持ち上げられた場合、結晶半径は減少するか、そうでなければ、結晶半径は増加する。

結晶成長プロセスをモニタリングするために、チャンバ１０６は、１以上のセンサを具える。図１に示される実施形態において、センサは、カメラ１３０および温度センサ１３２などである。カメラ１３０は、チャンバ１０６の観察ポートの近くに取り付けられ、融液１１８の表面を観察するように向けられる。カメラ１３０は、制御ライン１３６上にカメラ画像の信号表示を作り出し、これら信号を制御ユニット１０２に供給する。従来の技術は、結晶直径測定器を設ける。これらは、結晶１２２と融液１１８との間の固液界面で形成されるメニスカスに映るルツボ壁部の特性である、ブライトリングの幅を測定する方法を具える。従来のブライトリングおよびメニスカスセンサは、光高温計、フォトセル、フォトセルを用いる回転ミラー、フォトセルを用いる光源、ラインスキャンカメラおよび２次元配列カメラのような装置を使用する。他の光学測定装置も、代わりにまたは追加で使用することができる。温度センサ１３２は、チャンバ１０６内の温度を検出し、制御ライン１３８上で、制御ユニット１０２へ温度のデータ表示を供給する。また、装置１００は、結晶１２２の直径を測定するよう構成された結晶直径センサを具えることもできる。結晶直径センサは、任意の従来のタイプとすることができる。

説明された実施形態における制御ユニット１０２は、一般的に、中央処理ユニット(ＣＰＵ)１４０、メモリ１４２およびユーザインターフェース１４４を具える。ＣＰＵ１４０は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、デジタルロジック機能またはコンピュータなどの任意の適切な処理装置とすることができる。ＣＰＵ１４０は、メモリ１４２にストアされたデータおよび命令に従って動作する。さらに、ＣＰＵ１４０は、制御ライン１２６，１２８，１３６，１３８を伝ってセンサから受信したデータおよび他の情報を用いて動作する。さらにまた、ＣＰＵ１４０は、半導体結晶装置１００の、ヒータ電源１０４、結晶引き上げユニット１０８およびルツボ駆動ユニット１１２のような部分を制御するための制御信号を発生させるよう動作する。

メモリ１４２は、半導体メモリ、磁気または光学ディスク、或いはこれらまたは他の記憶装置の任意の組み合わせのような、動的または持続的メモリの任意の種類とすることができる。いくつかの適用において、本発明は、半導体結晶成長装置１００の他の構成要素とともに、ＣＰＵ１４０に、ある特定の機能を実行させるためのデータを含む、コンピュータが読み込み可能な記憶媒体として具現化されることができる。

ユーザインターフェース１４４は、半導体結晶成長装置１００のユーザ制御およびモニタリングを可能にする。ユーザインターフェース１４４は、ユーザへの操作上の情報を提供するための、任意の適切な画面を具えることができ、また、半導体結晶成長装置１００のユーザ制御および作動を可能にする、何かキーボードまたはスイッチなどを具えることができる。

半導体結晶成長装置１００は、チョクラルスキー法を用いた単結晶半導体インゴットの成長を可能にする。この方法によれば、シリコンのような半導体材料は、ルツボ１１６中に配置される。ヒータ電源１０４は、ヒータ１２０を作動させてシリコンを加熱し、溶解させる。ヒータ１２０は、液相状態のシリコン融液１１８を保持する。従来の方法によれば、種結晶１４６は、結晶引き上げ軸１１０に取り付けられる。種結晶１４６は、結晶引き上げユニット１０８によって融液１１８に下ろされる。さらに、結晶引き上げユニット１０８は、結晶引き上げ軸１１０および種結晶１４６を、反時計回りのような第１の方向に回転させ、一方、ルツボ駆動ユニット１１２は、ルツボ駆動軸１１４およびルツボ１１６を、時計回りのような、第１の方向とは逆の第２の方向に回転させる。ルツボ駆動ユニット１１２は、結晶成長プロセス中の要求に応じて、ルツボ１１６を持ち上げたり下ろしたりすることもできる。例えば、結晶が成長するにつれて融液１１８が消耗した場合、ルツボ駆動ユニット１１２は、実質的に一定な融液レベルを補償し、維持するように、ルツボ１１６を持ち上げる。このプロセスの間、ヒータ電源１０４、結晶引き上げユニット１０８および結晶駆動ユニット１１２は、すべて制御ユニット１０２の制御下で動作する。

制御ユニット１０２は、さらに、結晶１２２の成長中の半導体結晶成長装置１００を制御するよう動作する。これは、結晶引き上げユニット１０８の引き上げ速度、および、ルツボ駆動ユニット１１２の制御下でルツボ１１６が動く速度を制御することを含む。本発明の実施形態によれば、結晶引き上げユニット１０８は、平均引き上げ速度と、この平均引き上げ速度に重ね合わせた周期的な引き上げ速度変化との和で、結晶１２２を引き上げる。

平均引き上げ速度は、変数ｖ_０によって表される。この変数ｖ_０は、目標引き上げ速度ｖ_ｔと、直径制御システムによって作り出される修正項Δｖとから構成される。平均結晶成長率は、変数ｖ_ｇによって表される。単純化のため、以下の説明において、融液１１８のレベルは、実質的に一定のレベルに維持されると仮定する。これにより、平均引き上げ速度ｖは、平均成長率ｖ_ｇと等しくなる。メニスカス高さにおける推移する変化によるｖとｖ_ｇとの間の一時的な偏差だけが、考慮されるべきである。

上述したように、結晶が融液から引き上げられる平均速度は、意図的に、周期的な変化と重ね合わせられる。

ここで、ｖ_０は、標準の引き上げ速度であり、目標引き上げ速度と直径制御システムからの修正項との和で構成され、δｖは引き上げ速度の調整の振幅で、ωは引き上げ速度の調整の角周波数である。結晶の直径は、引き上げ速度に関連する。結晶直径が変化する変調誘導率は、次の式で与えられる。

ここで、Θ_ｓは、結晶半径が変化しないメニスカス濡れ角Θ_０からのオフセット角として定義され、ｖ_ｇは、結晶化率である。これは、半径変化ｖ_ｒおよび半径rにおける周期的な変化を与えるであろう。

ここで、φは、以下の引き上げ速度変化におけるｖ_ｇの遅延によって生じるおそれがある位相シフトを表す。

δｒは結晶成長中に測定されるので、式2.0の総偏差にわたりｖ_ｇと関連するδｖ_ｒも決定することができる。

平均成長率ｖ_ｇは平均引き上げ速度ｖと等しくなければならないので、Θ_ｓは、その後、ｖ_ｇ＝ｖを用いて式2.0により決定される。ωがそれほど大きくない場合、δｖ_ｇ＝δｖと改定することができ、これにより、測定されたδｖ_ｒを用いて、式4.0からδΘ_ｓを得ることができる。

結晶成長フロント(結晶−融液界面)での熱移動バランスは、以下の１つの次元近似によって記述される。

ここで、κ_Ｓおよびκ_Ｌは、それぞれ固体および液体の熱伝導率であり、Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌは、それぞれ固体および液体の温度勾配である。Ｌは、結晶の単位体積当たりの潜熱であり、ｖ_ｇは結晶成長率である。

Ｇ_Ｌの単純化された表現は次の通りである。

ここで、ｈはメニスカス高さであり、ΔＴ_Ｂはメニスカス底面と結晶融液界面との間の温度差である。Ｇ_Ｌの代案の表現は、特定の結晶成長条件のために作られることができる。式5.1で置換すると、式5.0は次のようになる。

長期間にわたる成長率ｖ_ｇにおける変化は、ｈ、ΔＴ_ＢおよびＧ_Ｓに影響を与えるであろう。しかしながら、引き上げ速度変調(式1.0)によって与えられた成長率ｖ_ｇにおける小さい周期的な変化は、主に、ｈに作用し、ΔＴ_ＢおよびＧ_Ｓは変化させない。式6.0の微分は、次のようになる。

式7.1は、成長率変化δｖ_ｇとメニスカス高さの相対的な変化δｈ/ｈとの間のリンクを与える。メニスカス高さの変化は、しかしながら、濡れ角の変化と関連する。式7.1のδｈ/ｈのδΘ_ｓによる置換は、特徴的なＧ_Ｌを決定する１つの方法であり、式6.0を用いて、Ｇ_Ｓを決定する。そうすることにより、単純なモデルが作り出される。

図２は、濡れ角Θ_sおよびメニスカス高さｈの変化に関連するモデルを示す。図２において、メニスカス２０２は、結晶１２２と融液１１８との間の結晶化フロント２０４で形成されることが示されている。メニスカス高さの小さな変化δｈは、メニスカス−結晶と関連するメニスカスタンジェントの長さが一定で、かつ融液底辺が変化しないと仮定する。これは、次の表現を導く。

δｈ/ｈを置換すると、式7.1は、知られたおよび／または測定された値によって、Ｇ_Ｌへの表現に書き換えられることができる。

これとともに、Ｇ_Ｓも式5.0から得ることができる。それ故に、重要な結晶成長条件である温度勾配は、結晶直径変化および／またはメニスカス高さにおける、引き上げ速度変調に関連した応答を測定することによって、測定することができる。すなわち、時間変化、周期的な信号による結晶引き上げ速度の調整は、結晶直径の変化の形態で応答を生じるであろう。また、それは、メニスカス高さの変化も生じさせるであろう。結晶直径およびメニスカス高さの値のいずれも、カメラのような従来の機器(図１)を用いて測定されることができる。これら変化をモニタリングすることによって、融液中および結晶中の成長フロント温度勾配の特性値(結晶表面だけではなく、成長フロント全体の特性値)は、計算されることができる。この情報は、その後、融液ギャップまたは目標引き上げ速度等の固有の結晶特性に影響を与える、関連する処理パラメータを制御するのに用いられることができる。

図３は、結晶成長システム３００の一つの実施形態を示す。システム３００は、ルツボ３０６から引き上げられる結晶３０４を含む引き上げチャンバ３０２を具える。融液３０８は、ルツボ３０６内に含まれる。システム３００は、さらに、熱リフレクタコーン３１０、種結晶引き上げモータ３１２およびルツボ持ち上げモータ３１４を具える。システム３００は、さらに、結晶直径測定装置３１６および関連する直径測定システム３２２を具える。

このシステム３００は、さらに、制御システムを形成するさまざまな要素を具える。これら要素は、目標引き上げ速度出力３１８、ルツボ融液レベル降下補償メカニズム３２０、直径制御メカニズム３２４、ならびに、標準の引き上げ速度ｖ_０を所定の周波数ωおよび振幅δｖの周期的な信号と重ね合わせるための装置３２６を具える。制御システムは、さらに、フィルタ３２８、フィルタ関数３３０、温度勾配評価システム３３２および温度勾配制御システム３３４を具える。

制御システムは、任意の適切な方法において形成されることができる。一つの実施形態において、制御システムは、プロセッサおよびメモリを具える。メモリは、プロセッサを制御するためのデータおよび命令を格納する。プロセッサは、これらデータおよび命令に応えて、目標引き上げ速度出力３１８、ルツボ融液レベル降下補償メカニズム３２０、直径制御メカニズム３２４およびデバイス３２６のような関数およびシステムを実行する。さらに、プロセッサは命令およびデータを用い、フィルタ３２８、フィルタ関数３３０、温度勾配評価システム３３２および温度勾配制御システム３３４を実行する。ここで説明され、または提案された任意の論理または信号処理関数は、プログラムされたプロセッサ、または他のハードウェアあるいはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって、同等に実行されることができる。

目標引き上げ速度出力３１８は、種結晶引き上げモータ３１２のための公称引き上げ速度信号を提供する。この信号に応答して、モータ３１２は、結晶３０４を引き上げるための引き上げ速度を設定または変化させる。公称引き上げ速度信号ｖ_ｔは、結合器３３６に提供される。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム３２０は、ルツボ持ち上げモータ３１４のための信号を発生させ、ルツボ３０６の位置を変化させる。一般に、モータ３１４は、結晶３０４が形成され、ルツボ３０６から引き上げられるにつれ、融液レベル降下補償メカニズム３２０に応答して、ルツボ３０６内の融液３０８のレベルの降下を補償するようルツボを持ち上げる。

直径測定装置３１６は、結晶３０４の直径を測定し、結晶３０４の直径を決定する直径測定システム３２２に測定信号を提供する。直径測定システム３２２は、直径信号を直径制御システム３２４に提供する。直径制御システム３２４は同様に結合器３３６に結合され、結合器３３６に引き上げ速度修正信号を提供する。

標準の引き上げ速度ｖ_０を所定の周波数ωおよび振幅δｖの周期的な信号と重ね合わせるための装置３２６は、信号δｖ・sin(ω・ｔ)を発生させ、結合器３３８へこの信号を提供する。結合器の出力は、種結晶引き上げモータ３１２に提供される速度制御信号ｖ_０＋δｖ・sin(ω・ｔ)である。種結晶引き上げモータ３１２は、この信号に応答し、結晶３０４のための引き上げ速度を設定または変化させる。

フィルタ３２８は、直径測定システム３２２と直径制御システム３２４との間に配置される。直径測定システム３２２は、出力信号ｒ_０＋δｒ・sin(ωｔ＋φ)を発生させる。フィルタ３２８は、周波数ωをブロックする。すなわち、フィルタ３２８は、一つの実施形態において、ノッチフィルタを形成する。このフィルタ３２８の出力は、直径制御システム３２４のための入力を提供する。

フィルタ３３０は、直径測定システム３２２と温度勾配評価システム３３２との間に配置される。一つの実施形態において、フィルタ３３０は、直径信号ｒ_０＋δｒ・sin(ωｔ＋φ)から振幅δｒおよび時間シフトφを抽出するフーリエ解析ベースフィルタアルゴリズムのような周波数選択フィルタアルゴリズムを実行する。

システム３００は、さらに、ヒータ３４０およびヒータ制御３４２を具える。一つの実施形態において、ヒータ制御は、システム３００の動作を制御する制御ユニットの一部である。ヒータ３４０は、ヒータ制御３４２に応答して動作し、所定の温度で融液を保持するために、ルツボに熱を適用する。ヒータ制御３４２は、直径制御システムによって作られる信号を検出する直径制御システム３２４の出力に結合される入力を有する。ヒータ制御３４２は、それ故に、ヒータ３４０におけるパワーを制御するフィードバック制御を形成し、直径制御システム３２４からの平均出力がゼロになるようにする。

温度勾配評価システム３３２は、ω、δｖ、δｒおよびφの値に基づく温度勾配Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌを評価するためのアルゴリズムを実行する。結果は、温度勾配Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌになる。この出力情報は、温度勾配制御システム３３４に提供される。一つの実施形態において、このシステムは、温度勾配制御アルゴリズムを実行する。アルゴリズムの目標は、ルツボ持ち上げモータ３１４を制御する信号に修正項を加えることによる融液３０８の表面と熱リフレクタコーン３１４との間のギャップを調整することによって、結晶温度勾配Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌを修正することにある。これは、単に典型的な実施形態である。他の適用は、同じ引き上げ速度変調技術を用いることが可能である。

結晶３０４が融液３０８から引き上げられるにつれて、ルツボ３０６内の融液レベルは降下する。同時に、ルツボ３０６はルツボ持ち上げモータ３１４によって持ち上げられ、ルツボ融液レベルの降下を補償する。補償は、融液位置および融液表面と熱リフレクタコーン３１０との間のギャップが一定のままとなるよう行われる。理想的には、結晶３０４中の熱勾配Ｇ_Ｓも、同様に一定のままとなる。

結晶３０４が融液３０８から引き上げられる速度は、目標引き上げ速度ｖ_tと、直径制御システム３２４からの修正項Δｖと、小さな直径変調から生じる振幅δｖおよび周波数ωの周期項との和によって決定される。直径測定システム３２２は、直径を観察し、小さな変調を含むｒ_０＋δｒ・sin(ωｔ＋φ)の信号を発生する。

直径信号に含まれる小さな直径変調情報δｒおよびφは、フィルタ３３０の周波数選択アルゴリズムによって抽出される。これおよび所定の値δｖに基づいて、融液中および結晶中の適切な温度勾配Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌが計算される。このフィルタリング動作の結果は、その後、これら値と目標値とを比較し、目標からの偏差を補償するための関連するシステムパラメータを調整するのに用いられる。

この間中、直径制御システム３２４は、小さな直径変調によって影響を受けない。これは、直径制御システム３２４が、周波数ωをブロックアウトするフィルタ３２８を介してその入力を受信するためである。

今まで、結晶表面の近くだけではなく、全体の成長フロントの特徴である、その場での成長フロント温度勾配を評価する方法は知られていない。しかしながら、そのような情報は、欠陥分布等のような固有の結晶特性を決定するため、多くのＣＺ法から非常に望まれている。

従来のシステムにおいて、固有の結晶特性は、結晶が成長した後に分析され、そのような情報に基づいて、温度勾配に影響を与えるパラメータを処理するための修正が形成される。複雑なそして時間のかかる分析が含まれるため、そのような調整は、次のバッチの前ではなく、もっと後で利用可能となる。

所定の処理パラメータのそのようなバッチ間調整は、所定のホットゾーン材料への時効効果を補償するのに必要とされる。例として、ホットゾーンの熱リフレクタシールドの熱反射率は、時間によって変化する。ホットゾーン設計の必要不可欠の要素であるので、熱リフレクタは、結晶中および融液中の所定の温度勾配を得るよう設計される。その関連する材料特性は変化するので、例えば融液と熱リフレクタシールドとの間のギャップを調節することによって補償されることができる、結晶中および融液中の温度勾配も変化する。

段階的な変化に加えて、目標勾配から実際の勾配の偏差を生じさせるおそれのある予測不可能な要因も存在する。これらの大部分は、ホットゾーンがバッチプロセスの準備ができている場合の許容誤差と人的エラーを処置しなければならない。従来のシステムにおいて、結晶成長中に必要な情報を提供することができる方法がまだないため、これらは全く補償されることができない。

ここで開示された方法および装置は、全体の成長フロントの特性である、融液中および結晶中の温度勾配のその場決定を提供する。この方法および装置の結果は、所望の条件からの偏差を検出し、結晶成長中に、例えばルツボ持ち上げモータ３１４を調整して、融液表面と熱リフレクタとの間のギャップを変化させることにより、調整するのに用いられることができる。

上述したものから、本発明は、実質的にリアルタイムで、結晶成長フロント(結晶-融液界面)での温度勾配値の計算を可能にするように見える。温度勾配は、結晶直径制御、高濃度にドープされた結晶成長における結晶形態学的安定性、および、バルク結晶微小欠陥のような固有の材料特性に影響を与える、重要な結晶成長プロセスパラメータである。開示された実施形態は、その場の観察、ならびに、温度勾配Ｇ_ＳおよびＧ_Ｌの特性値または平均値の計算の方法を提供する。得られた値は、全体の成長フロントの特性である。実施形態は、追加のハードウェアを必要とせず、既に存在するコントローラおよび検出器を使用するだけである。

また、これら実施形態は、問題のある成長条件を確認することを容易にし、結晶成長プログラムの性能を改善するのに役立つ。開示された技術に基づいて、制御ユニットにおける成長制御ソフトウェア動作は、望ましくない成長条件からシステムを積極的にそらすことができ、転位核、形態不安定性、望ましくない微小欠陥または種類の違う主要な歩留まりを防止する。

したがって、上述した詳細な説明は、限定のためではなく、説明のために示されたものであるということを意図し、特許請求の範囲は、本発明の思想および範囲を規定することを意図する全ての均等物を含むというは理解されるであろう。

Claims (17)

1. 所定の引き上げ速度で融液から半導体結晶を引き上げるステップと、
   周期的な引き上げ速度を平均速度とを組み合わせることによって、前記引き上げ速度を調節するステップと
   を具えることを特徴とする半導体結晶成長方法。
2. 前記結晶の直径の変調として、前記引き上げ速度の変調への応答を検出するステップをさらに具える請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
3. 前記結晶の直径の変化に基づいて、前記融液中および前記結晶中の結晶成長フロントに対する熱勾配を決定するステップをさらに具える請求項２に記載の半導体結晶成長方法。
4. 前記決定された熱勾配に基づいて、例えば目標引き上げ速度または融液ギャップのような、関連するプロセスパラメータを調整するステップをさらに具える請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
5. 前記検出された直径の変調から推測される前記融液中のメニスカス高さの変化として、前記引き上げ速度の変調への応答を検出するステップをさらに具える請求項２に記載の半導体結晶成長方法。
6. 前記メニスカス高さの変化に基づいて、前記融液中および前記結晶中の結晶成長フロントに対する温度勾配を決定するステップをさらに具える請求項５に記載の半導体結晶成長方法。
7. 前記決定された温度勾配に基づいて、前記目標引き上げ速度または融液ギャップのような、関連するプロセスパラメータを調整するステップをさらに具える請求項６に記載の半導体結晶成長方法。
8. 融液を保持するためのルツボと、
   該ルツボから所定の引き上げ速度で結晶を引き上げるよう配置された結晶引き上げユニットと、
   該結晶引き上げユニットと連結された制御ユニットであって、前記引き上げ速度が平均引き上げ速度に関して調節されるよう、前記結晶引き上げユニットに制御信号を適用することによって、前記引き上げ速度を制御するための制御ユニットと
   を具えることを特徴とする半導体結晶成長装置。
9. 前記制御ユニットに連結され、前記結晶の直径を測定するよう構成された結晶直径センサであって、前記結晶の直径の変化として、前記引き上げ速度の変調への応答を検出することを含む結晶直径センサをさらに具える請求項８に記載の半導体結晶成長装置。
10. 前記制御ユニットは、前記結晶の直径の変化に基づいて前記融液中および前記結晶中の結晶成長フロントに対する熱勾配を決定するよう構成される請求項９に記載の半導体結晶成長装置。
11. 前記制御ユニットは、前記決定された熱勾配に基づいて、前記引き上げ速度を調整するよう構成される請求項１０に記載の半導体結晶成長装置。
12. データおよび命令をストアするためのメモリと、
    前記ストアされたデータおよび命令に応答して動作可能な処理ユニットであって、前記引き上げ速度および該引き上げ速度の変調を決定し、前記結晶引き上げユニットに対する前記制御信号を作り出すための処理ユニットと
    を具える請求項８に記載の半導体結晶成長装置。
13. 前記制御ユニットとデータ通信する１以上のセンサであって、引き上げ速度変調応答を検出し、該引き上げ速度調節応答のデータ表示を前記制御ユニットへ提供するためのセンサをさらに具える請求項１２に記載の半導体結晶成長装置。
14. 前記メモリにストアされた適用であって、目標引き上げ速度または融液ギャップのような、関連するシステムパラメータへの修正を決定するための前記引き上げ速度変調応答の前記データ表示に応答する命令を含む適用をさらに具える請求項１３に記載の半導体結晶成長装置。
15. 公称引き上げ速度信号を発生するステップと、
    該公称引き上げ速度信号に応答して、ルツボ中の融液から公称引き上げ速度で結晶を引き上げるステップと、
    該結晶の直径を測定するステップと、
    該測定された直径に基づいて引き上げ速度修正信号を発生し、該引き上げ速度修正信号を前記公称引き上げ速度信号と組み合わせるステップと、
    前記公称引き上げ速度を所定の周波数の周期的な信号と重ね合わせるステップと、
    前記重ね合わせた周期的な信号への応答に一部に基づいて、前記結晶中および前記融液中の温度勾配を評価するステップと、
    ルツボ持ち上げ信号を調整することによって前記結晶中の前記温度勾配を修正するステップと
    を具えることを特徴とする半導体結晶成長方法。
16. 前記測定された直径に基づいて、前記周期的な信号に基づく周期的な要素を有する直径測定信号を作り出すステップと、
    直径制御入力信号を作り出すために、前記直径測定信号から前記周期的な信号の前記所定の周波数をフィルタリングするステップと、
    前記直径制御入力信号に基づいて、前記引き上げ速度修正信号を作り出すステップと
    をさらに具える請求項１５に記載の半導体結晶製造方法。
17. 前記直径測定信号に基づいて、信号の振幅および時間的推移を評価するステップと、
    前記周期的な信号および前記評価された信号の振幅および時間的推移の前記所定の周波数および振幅に基づいて、前記温度勾配を評価するステップと、
    前記評価された温度勾配に基づいて、ルツボ持ち上げ信号への修正を作り出すステップと
    をさらに具える請求項１６に記載の半導体結晶製造方法。

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