JP5481125B2 - 半導体結晶成長方法および結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、半導体結晶の成長に関し、特に、半導体結晶成長システムにおけるリバースアクション（reversed action)直径制御に関する。

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結晶引き上げ装置によって実行される。チョクラルスキーまたはＣＺ法は、特に設計された炉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を溶融させた後、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、ここで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、融液とは反対の他の方向に回転させる。

通常のチョクラルスキー法において、直径制御システムは、結晶直径を監視し、直径偏差の関数として、修正項λ(Δd,t)を作り出す。ルツボ持ち上げ速度が結晶引き上げ速度に従う一方で、直径制御動作は、この修正を公称結晶引き上げ速度に加える。これは、融液位置が実質的に一定のままとなるよう、降下するルツボ融液レベルを補償するために行われる。この融液位置は、一連の処理の間、ゆっくり変化することがある。

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。直径偏差は、メニスカス高さ偏差によって生じる。メニスカス高さ偏差は、融液中の浮力による融液中の温度勾配変化の結果である。浮力は、自然発生的な、他の領域よりも高温でそれ故に上昇する融液の領域、または、他の領域よりも低温でそれ故に沈む融液の領域のために、融液中で発生する。浮力変動の結果として融液温度勾配が小さくなる場合、結晶化率は増加し、これは、今度は、メニスカス高さを減少させる。減少したメニスカス高さは、その後、結晶の直径を大きくする。これは、直径測定システムによって検出される。制御システムは、その後、直径を一定に維持するために、結晶引き上げ速度を増加させる修正項を作り出す。

理想的には、直径制御システムは、メニスカス高さを一定の値に維持し、これは、円筒形状の成長をもたらす。これにより、結果として生じる引き上げ速度変化は、浮力駆動融液温度勾配変動を反映するようになる。この仮定は、従来の直径制御システムが重要な制御モデルおよび測定誤差に悩まされるため、従来の直径制御システムと併用して完全に有効というわけではない。

一つの重要な制御パラメータは、ｖ/Ｇ、すなわち引き上げ速度ｖの、温度勾配Ｇに対する比である。温度勾配は、固体つまり結晶中の温度勾配であるＧ_Ｓおよび液体つまり融液中の温度勾配であるＧ_Ｌを含む。ｖ/Ｇに関する従来のシステムの問題は、例えば、直径制御システムが結晶の直径の増加を検出するとき、融液温度勾配Ｇ_Ｌの一時的な減少が検出されてしまうことである。直径制御システムは、増加された引き上げ速度ｖに反応する。結果として、すでに増加したｖ/Ｇはさらにもっと増加する。この状態は、浮力変動がなくなるまで続く。

結晶成長に関する出願のいくつかは、低欠陥シリコン、すなわち原則的に格子間または空孔欠陥を有さないシリコン結晶の製造を対象にしている。低欠陥シリコン成長のような出願は、結晶中のｖ/Ｇ_Ｓだけを取り上げている。そのような出願において、ｖ/Ｇ_Ｓ変動が、融液勾配偏差の結果である引き上げ速度修正にだけ比例するように、そのような変動中、Ｇ_Ｓはおおよそ一定のままである。

しかしながら、この件は、高濃度にドープされたＣＺ適用で悪化する。高濃度にドープされたシリコンにおいて、不純物は、シリコンの電気的特性を変えるために添加される。高濃度にドープされたシリコンが原因で、組成的過冷却が発生する。偏析効果のため、固体液体境界の界面の前には、残りの融液における不純物濃度よりもわずかに高い不純物濃度を有する融液の小さな層が存在する。凝固温度は不純物濃度に依存するため、上記層における自発的な結晶化は、融液温度における降下の結果として発生しうる。この現象は、組成的過冷却と呼ばれ、ｖ/Ｇ_Ｌが増加するにつれて、組成的過冷却が発生する尤度は増す。高濃度にドープされたシリコン適用は、そのような組成的過冷却を避けなければならないため、融液中のｖ/Ｇ_Ｌを考慮しなければならない。この場合において、ｖ/Ｇ_Ｌ偏差は２つの寄与、すなわち、減少するＧ_Ｌおよび結果として増加するｖの寄与を有する。

低欠陥シリコンの生産量および生産性ならびに高濃度にドープされたシリコン適用の生産量および生産性は、それぞれｖ/Ｇ_Ｓおよびｖ/Ｇ_Ｌ偏差の問題に非常に悩まされる。この問題は、より大きな直径ＣＺ結晶成長または増加された不純物のような将来の適用の障害となるおそれがあり、一般に、生産量に悪影響を与える。

この問題を解決するため、様々な試みが行われてきたが、ほとんど成果はなかった。多くの試みは、大量のハードウェアを用いるため、コストが大きい。いくつかの提案は、制御システムであるそのソースの問題を攻撃する。結晶成長システムのための制御システムは、大抵、余分なハードウェアを必要とせずに、制御ソフトウェアを介して実行されるため、通常は比較的低コストである。

この問題を解決するための一の一般的な手法は、浮力変動を弱めるための磁場の適用を含む。しかしながら、この手法は、高い余分な磁石のコストを追加する。別の手法は、温度勾配を増加させるための冷却ジャケットまたは熱シールドの使用である。

この(今回は制御システムレベルでの)問題を解決する別の例は、結晶直径がヒータパワーによってのみ制御される、固定された種結晶引き上げ設定を提案する。これは、ヒータ制御を最適化し、かつ直径変動を最小化するための複雑な熱収支モデルを用いることによって得られる。名目上、この方法は、結果として、一定のｖ/Ｇ_Ｓおよび減少されたｖ/Ｇ_Ｌ偏差を生じさせる。

残念なことに、界面成長率が未だＧ_Ｌ変動に従うため、引き上げ速度を固定することによってだけでは、実際に一定のｖ/Ｇ_Ｓを得ることはできない。迅速な修正行動の欠如のため、これは、結果としてメニスカス高さ偏差ひいては直径偏差を生じさせる。どんなに基本的な制御モデルが高度であっても、本質的に大きな時間定数が原因で、ヒータパワーのみによって直径を制御することは、重大な直径偏差を生じさせるであろう。

これら大きな直径偏差は、しかしながら、引き上げ速度を固定することが得ることを目的としていた生産量および生産性を減少させる。加えて、これら直径偏差は、好ましくない界面形状変化も生じさせ、実処理間化学量論一貫性を減少させるであろう。

従って、依然としてｖ/Ｇ_Ｌ偏差の問題を解決して半導体結晶の成長を改善するための、改善されたシステムおよび方法の必要性が残ったままである。

ここで説明されるシステムおよび方法は、結晶成長適用におけるｖ/Ｇ偏差を減少または排除するための新しい方法において、直径フィードバック制御を適用する。

この比ｖ/Ｇは、最も重要な結晶成長パラメータの一つである。低欠陥シリコンの場合、ｖ/Ｇ_Ｓは、低欠陥シリコンが成長されるかどうかを決定し、高濃度にドープされたＣＺの場合、ｖ/Ｇ_Ｌは、組成的過冷却状態を決定する。

従来のＣＺ制御システムでは、直径および結晶成長を制御している間、同時にｖ/Ｇを一定に保つことができなかった。この重大な問題を解決するため、本発明は、ｖ/Ｇの偏差を減少または排除すると同時に、新しい直径制御方法を提供する。

以下の式(１)は、一次元の熱収支式であり、固液相境界での固体温度勾配Ｇ_Ｓおよび液体温度勾配Ｇ_Ｌに依存する結晶化率ｖを記述したものである。式(１)の変数は、特定の固相の潜熱Ｌ、固相熱伝導率ｋ_Ｓおよび液相熱伝導率ｋ_Ｌである。

直径制御が、常に、浮力によって引き起こされたＧ_Ｌ偏差の結果として自然に生じるｖ/Ｇ_Ｌ偏差を増加させるため、状況は、高濃度にドープされたＣＺ材料の場合が最も悪い。例えば、浮力の結果として、Ｇ_Ｌが降下した場合、結晶化率ｖは増加し、さらにｖ/Ｇ偏差は増加するであろう。初めのＧ_Ｌの降下および結果として生じるｖの増加はいずれも、ｖ/Ｇ_Ｌの増加を生じるであろう。これは、システムを、組成的過冷却が発生する可能性が高い臨界条件に追い込む。

直径制御が行われなければ(例えば引き上げ速度が一定であるならば)、この条件は、メニスカス高さが、引き上げ速度に再び等しくなるｖをもたらすのに十分な程、Ｇ_Ｌを増加させ、Ｇ_Ｓを減少させるのに十分変化するまで、一時的に存在するだけである。この結果は、ｖ/Ｇ_Ｌをわずかに増加させ、大きな直径となるであろう。

しかしながら、直径制御システムの追加によって状況は変化する。直径が成長して大きくなるのを防ぐために、直径制御システムは、円筒形状の成長のためのメニスカス高さを保つよう引き上げ率を増加させるであろう。結果として、臨界条件は、長時間、組成的過冷却のために著しく増加する変化、および、細胞増殖のような現象を引き起こす他の関連する損失構造のために存在するであろう。

状況は、低欠陥シリコンの製造と同じである。ここで、ｖ/Ｇ_Ｓの値は、低欠陥シリコン条件が存在するかどうかを決定する。最適なｖ/Ｇ_Ｓからの偏差は、システムを、空孔または格子間欠陥リッチ成長条件に追い込むであろう。ここでも、ｖ/Ｇ_Ｓ偏差は、浮力によって引き起こされたＧ_Ｌ偏差に由来する。最初に直径制御反応を生じさせる偏差は、ｖ/Ｇ_Ｓ制御対象に作用しない。しかしながら、直径制御は、ｖ/Ｇ_Ｓを好適な条件からも遠ざけてしまう。

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、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図３は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図４は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図５は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図６は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図７は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図８は、半導体結晶成長装置における熱収支を説明するための図である。 図９は、半導体結晶成長装置における従来技術の直径制御を示す。 図１０は、半導体結晶成長装置における直径制御の第１実施形態を示す。 図１１は、半導体結晶成長装置における直径制御の第２実施形態を示す。 図１２は、半導体結晶成長装置における直径制御の第３実施形態を示す。

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、結晶駆動ユニット１０８、結晶駆動軸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、融液１１８の温度が制御され、半導体結晶１２２の制御された成長が可能となる。融液１１８の温度をさらに制御するために、ヒータコントローラをヒータ電源１０４に加えることもできる。

結晶駆動ユニット１０８は、結晶駆動軸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、結晶駆動ユニット１０８は、結晶駆動軸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、結晶駆動ユニット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。結晶駆動軸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。結晶駆動ユニット１０８は、結晶駆動軸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。結晶駆動ユニット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。

チャンバ１０６は、１以上のセンサを具える。図１に示す典型的な実施形態において、これらは、カメラ１３０および温度センサ１３２を含む。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。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。

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、半導体結晶成長装置１００の、ヒータ電源１０４、結晶駆動ユニット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、シリコン融液１１８を液相状態にしておく。従来の方法によれば、種結晶１４６は、結晶駆動軸１１０に取り付けられる。種結晶１４６は、結晶駆動ユニット１０８によって融液１１８に下ろされる。さらに、結晶駆動ユニット１０８は、結晶駆動軸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が消費された場合、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、結晶駆動ユニット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。

以下の説明を簡潔にするために、ヒートバランス式、式(１)は式(２)のように正規化される。

これは、式(１)に次の式(３ａ)および式(３ｂ)を代入したことによる。

さらに、以下の説明は、次の式(４ａ)および式(４ｂ)の正規化された比に基づく。

式(２)から、以下の表現が推測される。次の式(５ａ)および式(５ｂ)は正しいに違いない。そうでなければ、結晶は成長する代わりに融解するであろう。

また、ｒ_Sとｒ_Lとの間の以下の関係も導き出すことができる。

図２〜図８は、半導体結晶成長装置におけるヒートバランスを示す一連の図である。これら図の各々において、結晶−融液界面２０２は、結晶２０４および融液２０６に沿って示されている。図２は、理想的な条件下における結晶−融液界面２０２を示す。また、図２は、結晶２０４、融液２０６およびヒートリフレクタ２１０も示す。

図９は、従来の直径制御を実行する従来の半導体結晶成長装置９００を示す。装置９００は、ルツボ９０６から引き上げられる結晶９０４を含む引き上げチャンバ９０２を具える。融液９０８は、ルツボ９０６内に含まれる。システム９００は、さらに、ヒートリフレクタ９１０、種結晶引き上げモータ９１２およびルツボ持ち上げモータ９１４を具える。システム９００は、さらに、結晶直径測定装置９１６および関連する直径制御システム９１８を具える。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム９２０は、ルツボ持ち上げモータ９１４を制御する。システム９００は、さらに、ヒータ９２２、および、融液温度を供給されたヒートパワーを介して調整することによって、直径制御システムの平均速度修正がゼロになるよう設計されたヒータフィードバック制御システム９２４を具える。

一般に、結晶成長装置９００は、図１に関連して説明したタイプの制御システムを具える。制御システムは、目標引き上げ速度出力９２６を作り出して、種結晶引き上げモータ９１２への公称引き上げ速度信号を発生する。同様に、制御システムは、ルツボ融液レベル降下補償メカニズム９２０を制御するための制御信号を作り出して、降下するルツボ融液レベルを補償するよう設計されたルツボ持ち上げモータ９１４を用いて、ルツボ持ち上げを生じさせる。

直径制御のため、装置９００の制御システムは、直径制御システム９１８を具える。このシステムは、種結晶引き上げモータ９１２への引き上げ速度修正信号を発生させる。引き上げ速度修正信号は、結晶９０４が一定の結晶直径となっているよう設計される。

結晶９０４が融液９０８から引き上げられるにつれて、ルツボ９０６内の融液レベルは降下する。同時に、ルツボ９０６はルツボ持ち上げモータ９１４によって持ち上げられ、ルツボ融液レベルの降下は補償される。補償は、融液位置および融液表面とヒートリフレクタ９１０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９０４中の温度勾配ｇ_Sも、同様に一定のままとなる。

理想的には、図２および関連する文章で示されたとおり、修正項λはゼロである。しかしながら、融液流れにおける浮力変動のため、結晶−融液界面での融液温度勾配も変動にさらされる。融液温度勾配変動−δは、結晶−融液界面を速度ｖ₁=δで変化させるであろう。これは、図３に示されるように、引き上げ速度と成長率との間の差異である。結果として、濡れ角は変化し、結晶の直径を変化し始めさせる。

直径制御システム９１８は、観察された直径変化に応じて、その後、速度修正λを発生させる。これは、引き上げ速度に適用され、直径が一定のままとなるように最初の擾乱に反応する。また、結晶−融液界面の位置は、図４に示されるように、一定のままである。直径制御システム９１８は、閉ループフィードバック制御システムを実行する。その出力信号は、実質的に、直径を一定に維持する信号となるであろう。この場合、λ=ｖ₁である。

これらから、浮力によって引き起こされた融液温度勾配変動δによって生じるこれら比の偏差およびそれに反応する制御システムは、以下のように評価されることができる。

図１０は、半導体結晶成長装置１０００における直径制御の第１実施形態を示す。装置１０００は、ルツボ１００６から引き上げられる結晶１００４を含む引き上げチャンバ１００２を具える。融液１００８は、ルツボ１００６内に含まれる。システム１０００は、さらに、ヒートリフレクタ１０１０、種結晶引き上げモータ１０１２およびルツボ持ち上げモータ１０１４を具える。システム１０００は、さらに、結晶直径測定装置１０１６および関連する直径制御システム１０１８を具える。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム１０２０は、ルツボ持ち上げモータ１０１４を制御する。制御システム目標引き上げ速度出力１０２２は、図１の制御システム１０２のような制御システムの一部である。システム１０００は、さらに、勾配変化Δｇ_Sを評価するデバイス１０２４を具える。これは、ルツボ持ち上げに対して修正項を供給する直径制御システムの結果である、融液−位置変化の結果である。システム１０００は、さらにヒータ１０２６、および、融液温度を供給されたヒートパワーを介して調整することによって、平均勾配調整Δｇ_Ｓがゼロになるよう設計されたヒータフィードバック制御システム１０２８を具える。

制御システムの目標引き上げ速度出力１０２２は、種結晶引き上げモータ１０１２への公称引き上げ速度信号を発生する。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム１０２０は、降下するルツボ融液レベルを補償するためのルツボ持ち上げモータ１０１４に適用されるべきルツボ持ち上げ信号を発生する。直径制御システム１０１８は、一定の結晶直径を保持するよう設計されたルツボ持ち上げ速度修正信号を発生する。

理想的には、図２に関連して示されたとおり、修正項はゼロである。しかしながら、融液流れにおける浮力変動の結果として、融液温度勾配変動−δが発生する場合、結晶−融液界面は速度ｖ₁=δで変化し始める(図３参照)。結果として生じるメニスカス高さおよび濡れ角の変化は、最終的に直径変化を生じさせ、これは、直径制御システム１０１８によって検出される。その後、直径制御システム１０１８は、ルツボ持ち上げから差し引かれる出力項λを発生する。直径制御システム１０１８は、閉ループフィードバック制御システムの一部であるため、直径制御出力信号は、融液位置が、メニスカス高さ、濡れ角および直径を一定に維持しながら、同じ速度ｖ_L=ｖ₁=δで結晶−融液界面に従うようにするであろう(図５参照)。

そして結果として生じるそれらの理想値のこれら比の偏差は、次の通り評価されることができる。

図１１は、半導体結晶成長システム１１００における直径制御の第２実施形態を示す。装置１１００は、ルツボ１１０６から引き上げられる結晶１１０４を含む引き上げチャンバ１１０２を具える。融液１１０８は、ルツボ１１０６内に含まれる。システム１１００は、さらに、ヒートリフレクタ１１１０、種結晶引き上げモータ１１１２およびルツボ持ち上げモータ１１１４を具える。システム１１００は、さらに、結晶直径測定装置１１１６および関連する直径制御システム１１１８を具える。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム１１２０は、ルツボ持ち上げモータ１１１４を制御する。目標引き上げ速度出力１１２２は、図１の制御システム１０２のような制御システムの一部である。システム１１００は、さらに、勾配変化Δｇ_Ｓを評価するデバイス１１２４を具える。これは、ルツボ持ち上げに対して修正項を供給する直径制御システムの結果である、融液−位置変化の結果である。システム１１００は、ｖ/Ｇ修正要素１１２５も具える。システム１１００は、さらにヒータ１１２６、および、融液温度を供給されたヒートパワーを介して調整することによって、平均勾配調整Δｇ_Ｓがゼロになるよう設計されたヒータフィードバック制御システム１１２８を具える。

図１０で示されるシステム１０００のように、結晶１１０４は、融液１１０８から引き上げられ、ルツボ１１０６は、結晶１１０４を引き上げることによって生じるルツボ１１０６内の融液レベル降下を補償する速度から、直径制御システム１１１８の出力である修正項λを引いた組み合わせの速度で、ルツボ持ち上げモータ１１１４によって持ち上げられる。

再び、図１０に示されるシステム１０００におけるように、平穏な状態を初めとして(図２参照)、融液温度勾配変動−δは、結晶融液界面に速度ｖ₁=δでの変化を生じさせる(図５参照)。この結果として生じる直径の変化は、直径制御システム１１１８によって検出され、これは、ルツボ持ち上げ信号から除かれる出力項λを発生させる。直径を一定に維持する閉ループフィードバック制御であるため、直径制御の出力λは、融液位置を速度λ=ｖ_L=ｖ₁で結晶−融液界面に従わせる値となり(図５参照)、濡れ角および直径を一定に維持するであろう(図６参照)。

図１０で示されたシステム１０００のように、結果的に、ヒートリフレクタ１１１０と融液表面との間に広いギャップを生じさせる。これは、結晶１１０４における温度勾配を変化させる。結晶−融液界面は、一旦、結晶１１０４中の温度勾配が、引き上げ速度および成長率が等しくなるｖ_p=ｖ_gまで十分変化されたら、変化を止めるであろう。

これから、ｒ_S偏差は、意図的にゼロとされる。

そして、ｒ_L偏差は、


となるであろう。

ここで、式(４ｂ)および式(６ａ)を用いることによって、上記もゼロとなるとことが分かる。

図１２は、第３の実施形態として、半導体結晶成長システム１２００における直径制御を示す。半導体結晶成長システム１２００は、ルツボ１２０６から引き上げられる結晶１２０４を含む引き上げチャンバ１２０２を具える。融液１２０８は、ルツボ１２０６内に含まれる。半導体結晶成長システム１２００は、さらに、ヒートリフレクタ１２１０、種結晶引き上げモータ１２１２およびルツボ持ち上げモータ１２１４を具える。半導体結晶成長システム１２００は、さらに、結晶直径測定装置１２１６および関連する直径制御システム１２１８を具える。ルツボ融液レベル降下補償メカニズム１２２０は、ルツボ持ち上げモータ１２１４を制御する。

半導体結晶成長システム１２００は、図１に示した制御ユニット１０２のような制御システムを具える。制御システムは、種結晶引き上げモータ１２１２へ公称引き上げ速度信号を発生する目標引き上げ速度出力１２２２を有する。制御システムは、さらに、降下するルツボ融液レベルを補償するためのルツボ持ち上げ信号を発生するルツボ融液レベル降下補償メカニズム１２２０を具える。制御システムは、一定の結晶直径を保持するよう設計された引き上げ速度修正信号を発生する直径制御システム１２１８も具える。

半導体結晶成長システム１２００は、さらに、融液位置変化の結果である勾配変化Δｇ_Sを評価するデバイス１２２４を具える。制御システムは、さらに、ｖ/Ｇ修正システム１２２５を具える。制御システムのｖ/Ｇ修正システム１２２５は、図１０に関連して説明した第１実施形態と、図１１に関連して説明した第２実施形態との間の組み合わせを決定するパラメータｘに従って動作する。制御システムは、パラメータｘの値に応答し、パラメータｘが乗じられた、変化する結晶温度勾配を有する速度修正項を発生する。さらに、パラメータｙは、従来の制御と、ここで説明された実施形態に従う制御との間の組み合わせを決定する。

上述したように、本発明は、改善された半導体結晶成長の制御方法およびシステムを提供する。ここで説明された実施形態は、信頼できる結晶直径制御を提供する。加えて、これら実施形態は、融液中および結晶中の温度勾配に対する、融液中の浮力のような因子の影響も減少させる。重要なパラメータｖ/Ｇは、正確に制御される。

従って、上述した詳細な説明は、本発明を説明するために示されたものであって、発明の範囲を限定するものではなく、本発明の思想および範囲を定義する特許請求の範囲は、均等物を全て含むという点は、理解されるべきである。

Claims (6)

1. 公称引き上げ速度信号に対応する公称引き上げ速度で、ルツボ中の融液から結晶を引き上げる工程と、
   前記ルツボ中の融液レベルの減少を補償する、ルツボ持ち上げ信号を発生する工程と、
   該ルツボ持ち上げ信号に対応するルツボ持ち上げ速度で前記ルツボを持ち上げる工程と、
   を含む半導体結晶成長方法であって、
   前記結晶の直径の変化を検出する工程と、
   検出した前記結晶の直径の変化に基づいて、ルツボ持ち上げ速度修正信号を発生する工程と、
   前記ルツボ持ち上げ速度と前記ルツボ持ち上げ速度修正信号に対応する速度とを組み合わせて得られる新たな第１ルツボ持ち上げ速度に変更して前記ルツボを持ち上げることにより、前記結晶の直径の変化を補償するとともに前記融液の位置が下がる第１の制御を行う工程と、
   を具える半導体結晶成長方法。
2. 前記ルツボ持ち上げ速度修正信号を発生する工程は、
   前記融液の位置を、前記結晶と前記融液との間の界面の位置に追従させるためのルツボ持ち上げ速度修正信号を発生することを含む請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
3. 前記第１の制御に引き続き、
   前記第１の制御による融液の位置変化に起因する結晶温度勾配（ｇ_ｓ）の変化に基づいて、引き上げ速度の結晶温度勾配に対する比（ｖ_ｐ／ｇ_ｓ）が変化しないように引き上げ速度修正信号を発生し、前記第１の制御後の前記結晶の直径の変化に基づいて、第２のルツボ持ち上げ速度修正信号を発生する工程と、
   前記公称引き上げ速度と前記引き上げ速度修正信号に対応する速度とを組み合せて得られる新たな引き上げ速度で前記結晶を引き上げ、かつ、前記第１ルツボ持ち上げ速度と前記第２のルツボ持ち上げ速度修正信号に対応する速度とを組み合せて得られる新たな第２ルツボ持ち上げ速度に変更して前記ルツボを持ち上げることにより、前記結晶の直径の変化を引き続き補償する第２の制御を行なう工程と、
   を具える請求項１または２に記載の半導体結晶成長方法。
4. 融液を入れるためのルツボと、
   前記融液から結晶を引き上げる種結晶引き上げモータと、
   前記ルツボを持ち上げるルツボ持ち上げモータと、
   公称引き上げ速度で前記種結晶引き上げモータにより前記結晶を引き上げるための公称引き上げ速度信号を発生する目標モジュール、および、前記融液から前記結晶を引き上げることによる前記ルツボ中の融液レベルの減少を補償するためのルツボ持ち上げ信号を発生し、該ルツボ持ち上げ信号に対応するルツボ持ち上げ速度で前記ルツボ持ち上げモータにより前記ルツボを持ち上げるためのルツボ融液レベル降下補償モジュールを含む制御システムと、
   を具える結晶製造装置であって、
   前記結晶の前記直径の変化を検出し、直径信号を発生するための結晶直径測定システムをさらに具え、
   前記制御システムは、前記直径信号に基づいて、ルツボ持ち上げ速度修正信号を発生する直径制御モジュールをさらに具え、
   前記制御システムは、前記ルツボ持ち上げモータにより、前記ルツボ持ち上げ速度と前記ルツボ持ち上げ速度修正信号に対応する速度を組み合せて得られる新たな第１ルツボ持ち上げ速度に変更して前記ルツボを持ち上げることにより、前記結晶の直径の変化を補償するとともに前記融液の位置が下がる第１の制御を行なう結晶製造装置。
5. 前記制御システムは、前記第１の制御による融液の位置変化に起因する結晶温度勾配（ｇ_ｓ）の変化に基づいて、引き上げ速度の結晶温度勾配に対する比（ｖ_ｐ／ｇ_ｓ）が変化しないように引き上げ速度修正信号を発生する引き上げ速度修正モジュールをさらに具え、
   前記直径制御モジュールは、前記結晶直径測定システムにより検出された前記第１の制御後の前記結晶の直径の変化に基づいて、第２のルツボ持ち上げ速度修正信号を発生し、
   前記制御システムは、前記公称引き上げ速度と前記引き上げ速度修正信号に対応する速度とを組み合せて得られる新たな引き上げ速度で前記結晶を引き上げ、かつ、前記第１のルツボ持ち上げ速度と前記第２のルツボ持ち上げ速度修正信号に対応する速度とを組み合せて得られる新たな第２ルツボ持ち上げ速度に変更して前記ルツボを持ち上げることにより、前記結晶の直径の変化を引き続き補償する第２の制御を行なう請求項４に記載の結晶製造装置。
6. 前記制御システムは、前記第１の制御に起因するルツボ持ち上げ出力の積分から融液位置の変化を算出し、前記結晶温度勾配（ｇ _ｓ ）の変化を前記融液位置の変化の関数として出力する請求項５に記載の結晶製造装置。