JP5601801B2 - 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

Description

本発明は、一般に、単結晶シリコンインゴットの成長プロセスの制御の改良に関し、特に、その成長プロセスの間、単結晶シリコンインゴットの直径を正確に制御する方法および装置に関する。

チョクラルスキー(ＣＺ)プロセスは、単結晶を得るために用いられる。その最も重要な適用は、その上に半導体回路を製造するための複数のシリコンウェーハにスライスされる、単結晶シリコンインゴットを成長することである。簡潔に説明すると、このＣＺプロセスは、石英ルツボ内に充填された多結晶シリコンを溶融するステップと、この溶融シリコンの表面から、単結晶からなる種結晶を持ち上げるステップとを含む。溶融シリコンから種結晶が持ち上げられるにつれ、単結晶シリコンは種結晶から成長し、円筒状のインゴットを形成する。現代のＣＺプロセスは、300mmの大きさの直径を有するシリコンインゴットを製造する。

均一な直径を有するシリコンウェーハを製造するための手掛かりは、長さに沿って均一な直径を有するシリコンインゴットを製造することにある。種結晶の引き上げ速度の増加が、種結晶から成長するシリコンインゴットの直径を減少させ、またその逆も同様であることは、当業者によって良く知られている。また、石英ルツボ内のシリコン融液の温度の増加が、成長するシリコンインゴットの直径を減少させ、またその逆も同様であることも、当業者によって良く知られている。直径制御は単純そうに思えるものの、これは、高度なフィードバック制御を必要とする。

従来、ＣＺプロセスは、成長するシリコンインゴットの直径を制御するために、ＰＩＤ(proportional-integral-derivative:比例・積分・微分)制御法を用いて行われる。ＰＩＤコントローラは、成長するシリコンインゴットの目標または所望の直径と、実際に観測されたシリコンインゴットの直径との間の差異を表すエラー信号を受信する。ＰＩＤコントローラは、その後、時間の関数として直径の偏差を処理し、それを引き上げ速度エラーに変換する。引き上げ速度エラーは、種結晶の引き上げ速度を調整するのに用いられる。

通常、引き上げ速度制御単独では、成長するシリコンインゴットの直径を満足に制御するのに不十分である。それ故に、ＣＺプロセスは、石英ルツボ内のシリコン融液の温度を制御するよう特に設計された追加のＰＩＤコントローラを用いて行われる。上記引き上げ速度エラーは、温度エラーを得るために、時間で積分される。得られた温度エラー、温度プロファイルからの目標温度および実際に測定された温度は加算され、シリコン融液の温度を調整するよう第２のＰＩＤコントローラに提供される。

引き上げ速度と融液温度の両方を同時に調整するための２つのＰＩＤコントローラを用いる、上述したＣＺプロセスは、シリコンインゴットを製造するのに広く用いられるけれども、十分に満足できる均一な直径を有するシリコンインゴットを製造するのには、さらなる改良が必要である。近年、成長中のシリコンインゴットの固有特性を正確にかつ正しく制御するのに必要な基準は、以前よりもずっと高く、そして厳しくなってきている。インゴットの直径を制御するのに行われる引き上げ速度の変動が、インゴット中の欠陥分布に悪影響を与えるということはよく知られている。また、引き上げ速度変動が、高濃度にドープされたインゴットの成長中の形態安定性に悪影響を与えるということもよく知られている。したがって、成長中のシリコンインゴットの直径制御時に、引き上げ速度変化を最小にすることが必要とされる。

直径および成長制御に関し、シリコンインゴットが均一な直径を有するべくシリコンインゴットを成長させる間、すべてが引き上げ速度変化の原因となる３つのエラー源の種類がある。第１のエラー源は、融液中の温度変動によって生じる。融液中の温度変動が、融液流れの乱流を引き起こす浮力効果によって生じることは、良く知られている。そのような温度変動は、晶析速度の変化を生じさせ、このような晶析速度変化は、その後インゴットの直径の変化を生じさせる。直径制御システムは、引き上げ速度変動を引き起こす引き上げ速度調整を出力することによって、これら直径変化に反応するよう設計される。

融液温度変動を減少させる働きをし、それによって直径制御システムによる引き上げ速度調整を減少させる磁場を適用することによって、融液流れ乱流を減少させることができるということは一般に知られている。融液中の温度変動によって生じる直径偏差は、大きな直径のインゴットよりも、小さな直径のインゴットに大きな影響を与える。これは、温度変動が融液中で局部的なものであり、その影響は、直径が大きい場合、インゴットの断面にわたり平均化されるためである。しかしながら、大きな直径のインゴットを磁場内で成長させる条件下においてでさえ、引き上げ速度変動を減少させる必要性は未だに残っている。

第２のエラー源は、それ自体の直径フィードバック制御中に存在し、下位の制御モデルによって引き起こされる。直径制御は、ＰＩＤコントローラを用いて通例行われる。制御理論の分野における当業者は、ＰＩＤコントローラが、２次までの線形微分式によって支配される制御システムにおいて用いるのに最適であることを知っている。ある程度まで、ＰＩＤ制御は、非線形または高次システムを制御するのに用いられることもできるが、制御性能および安定性がそれほど重要でない場合においてだけである。高制御性能および高安定性が必要とされる条件下で非線形または高次式に従うシステムを処理することが要求される場合、特殊なコントローラを開発する必要がある。しかしながら、制御安定性のため、または引き上げ速度変化を減少させるために必要な基準が、近年極めて厳しく、従来のＰＩＤコントローラによって満足させることができないという事実があるにもかかわらず、従来のＰＩＤコントローラは、便利で、また、広く用いられているため、未だインゴット直径の制御に用いられている。

第３のエラー源は、成長するインゴットの直径の直径測定表示の入力信号中のノイズのような入力エラーによって生じる。入力信号中のそのようなノイズは、直径制御システムに直接的に影響を及ぼし、不必要な引き上げ速度変化を生じさせる。この種のエラーは、従来の制御システムが、通常、そこに採用された下位の制御モデルに起因するエラーに苦しみ、そのようなエラーが、入力エラーを支配するのに十分大きいため、従来の制御システムにおいてさほど明らかとなるおそれはない。しかしながら、採用された制御モデルからのエラーが小さい、特殊な制御システムが用いられる場合、制御安定性における入力エラーの影響は、明らかになってくる。

本発明の目的は、特に、第２エラー源からのエラーの問題を解決し、長さに沿って均一な直径を有するシリコン結晶インゴットを製造するための方法および装置を提供することにある。

直径制御は、近年、ソフトウェアアルゴリズムで動かすデジタルコンピュータによって行われ、これは、デジタルコンピュータが現れるずっと前から存在していたアナログＰＩＤ制御を模範としている。上述したように、ＰＩＤ制御は、２次までの線形微分式に支配される制御システムで用いられるのに最適である。ＰＩＤコントローラは、非線形式または２次を超える線形微分式に支配される制御システムでも用いられることができるが、しかしながら、これは、制御性能および安定性を犠牲にすることになる。

残念なことに、インゴット直径がどのように引き上げ速度の変化に反応するかを正確に正しく理解することはできない。一般的な認知は、インゴット直径の変化が、引き上げ速度の変化に直接的に起因するということである。それゆえに、従来の直径制御において、ｐ項(比例項)は、引き上げ速度の変化が、直径エラーに比例するものとして計算される制御の支配的因子である。しかしながら、これは、直径と引き上げ速度との間の関係をやや単純化しすぎている。固体のインゴットと液体のシリコン融液との間に現れるメニスカスが、引き上げ速度エラーを修正するための引き上げ速度変化への直接的な反応として、その高さを変化させているというのが、現状である。

引き上げ速度エラーとは、零テーパ引き上げ速度と実際に観測された引き上げ速度との間の差異のことを言う。ここで、零テーパ引き上げ速度は、結晶が円筒状に成長する引き上げ速度を意味する。零テーパ引き上げ速度は、融液温度およびその変化によって決定される。零テーパ引き上げ速度において、融液温度が一定の場合に、メニスカスは、正しい高さを維持することができる。実際の引き上げ速度が零テーパ引き上げ速度から外れる場合、メニスカス高さは正しい高さから外れる。そのようなメニスカス高さの偏差は、３相界面境界での濡れ角の変化を引き起こし、インゴットが完全に垂直にまたは円筒状に成長するかわりに、テーパ角で成長させるようにする。直径エラーが熱条件を修正するのに大きくなりすぎない限り、インゴットは、テーパ角を維持している間、成長し続けるであろう。直径エラーが大きくなりすぎてしまった場合でも、最終的には、インゴットが円筒状に成長する新しい平衡直径を見つけるであろう。しかしながら、温度がルツボ内で完全に一様であった場合、例えば温度が成長するインゴットの半径方向において変化しない場合、インゴット直径は、引き上げ速度エラーによって決定されるテーパ角で成長し続けるであろう。それ故に、引き上げ速度変化が直径の変化を生じさせるということは真実であるけれども、直径が引き上げ速度の変化によって直接的に制御されることができると考えるのは誤った理解である。直径の変化は、一切、引き上げ速度の変化に直接的に起因するものではない。

重要なことには、インゴット直径は、実際の引き上げ速度を乗じたテーパに比例する速さで時間とともに変化する。テーパが引き上げ速度エラーにほぼ比例するため、時間当たりの直径変化は、したがって、引き上げ速度エラーに比例する項と引き上げ速度エラーの二乗に比例する項との和におおよそ比例する。これは未だかなり単純なモデルであるけれども、このモデルは、引き上げ速度変化を大きく減少させることができる新しい直径制御システムを設計するのに、非常に役立つ。第一に、このモデルは、従来の制御モデル、すなわち制御モデルに含まれる非線形項または二次の引き上げ速度項におけるエラーの原因を説明する。このモデルはさらに、引き上げ速度エラーにおおよそ比例するのは、直径ではなく、直径テーパであることを説明する。

より重要なことには、従来のＰＩＤ制御によって行われるように、直径エラーを用いて、積分項を計算することはあまり正確ではないということも示される。さらに、直径エラーが、熱条件に影響を及ぼすほど大きくなってもよいとしても、それは、自動の引き上げ速度オフセット(積分項)を得るのに用いるための良い測定ではない。テーパエラーがメニスカス高さエラーに関連し、メニスカス高さエラーが引き上げ速度エラーに関連し、引き上げ速度エラーが融液温度に関連するため、むしろ、引き上げ速度オフセットを導くのはテーパエラーである。したがって、テーパエラーは、積分によって自動引き上げ速度オフセットを得るのに用いられるべきである。

さらに、テーパエラーから得られた積分項からの計算値は、瞬間的な零テーパ成長(円筒状成長)を得るための引き上げ速度のために評価され、それ故に、その目標からの零テーパ引き上げ速度の変化をもたらす温度エラーのより良い表示が得られる。

直径−引き上げ速度力学を支配する微分式における二次項に起因する制御エラーを排除するため、本出願の発明者は、時間当たりの直径変化と引き上げ速度との間の時間領域における二次の関係を変換した。これは、以下の式によって表わされる。
単純化のため、インゴットの長さ当たりの直径変化(直径テーパ)と引き上げ速度との間の長さ領域において線形の関係があり、これは、以下の式によって表わされる。
これに基づいて、新しい単純なＰＩＤコントローラは、時間領域における非線形システムでの動作よりも、長さ領域における線形システムで動作することが可能になる。したがって、複雑な非線形制御を開発する必要なく、最大の制御モデルエラーを排除することが可能となる。

より詳細には、本発明は、ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シコンインゴットの成長方法を提供する。メニスカステーパと引き上げ速度との間の線形の関係に基づくフィードバック制御をおこなうために、本方法は、メニスカスの目標テーパと測定テーパとの間のテーパエラーを規定するステップと、その後、テーパエラーを、シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整に変換するステップとを具える。制御は、単純な線形関係に基づいて行われるので、本発明は、シリコンインゴットの直径の正確なフィードバック制御を得ることができる。良く知られ、着実なＰＩＤメカニズムを用いることができるので、本発明は、非常に便利で、かつ産業上の利用に良く適している。

本発明の別の態様は、標準のＰＩＤコントローラが、制限なく、入力エラーと比例関係を有する出力を増加させるという問題も解決する。本発明に従うコントローラは、非常に大きな直径エラーを有したとしても、目標直径へ戻すようコントローラが導くスロープが、所定の限界を決して超えないことを確実にするようスロープ限界を規定する。それ故に、本発明に従うコントローラは、大きな直径エラーを修正するときの成長界面の大幅な変化を回避することができる。

本発明において、目標テーパは、運動学的なモデルフィルタまたはより複雑なトラッキングフィルタにおけるデータを処理することによって、直径および引き上げ速度から得ることができる。それ故に、本発明に従う方法は、シリコンインゴットの目標直径と測定直径との間の直径エラーを規定するステップと、直径エラーを、システムが、目標直径に戻ることを目的とする目標テーパに変換するステップとをさらに具えることができる。直径エラーを目標テーパに変換するステップは、直径エラーに、定数を乗じることによって得ることができる。

本発明に従うフィードバック制御は、従来の直径制御で行われるように直径エラーを時間で積分する代わりに、フィードバック調整のｉ項(積分項)を得るために、引き上げられたインゴット長さにわたってテーパエラーを積分するという点で優れている。また、フィードバック動作は、フィードバック調整のｐ項を得るために、テーパエラーに定数を乗じる。

フィードバック制御に加えて、本発明は、フィードフォワード制御も行う。本発明に従うフィードフォワード制御は、目標テーパから引き上げ速度への調整を予測する。それ故に、本発明の方法は、目標テーパを、引き上げ速度へのフィードフォワード調整に変換する動作をさらに具える。フィードフォワード制御からの調整およびフィードバック制御からの調整は、いずれも、引き上げ速度を調整するのに用いることができる。フォードフォワード制御からの調整は、直径偏差へのすばやい応答を可能にする。

コントローラのｉ項は、コントローラが目標テーパクリッピング条件下で動作するときでさえ、零直径エラー引き上げ速度または零テーパ引き上げ速度の良い評価を生じさせる。言い換えれば、目標引き上げ速度と、コントローラからのｉ項調整との間の差異が、融液温度に関連しない、より少ない要素を含むヒータ制御のための完全な入力である。これは、大きな直径エラーを修正する間、特に有益である。

本発明は、シリコン融液の温度制御を行う。このため、本発明に従う方法は、引き上げ速度へのｉ項調整を、シリコン融液の温度の偏差に変換する動作をさらに具える。ｉ項調整は、温度偏差の良い表示であり、温度偏差を得るために、時間にわたって積分される。この温度偏差を用いて、本発明に従う方法は、シリコン融液の温度を制御するためのＰＩＤ制御を行う。

本発明は、ＰＩ制御動作が、直径偏差から得られた動的なテーパ設定点すなわち目標テーパによって長さ領域において動作する、修正されたコントローラにおいて行われることが意図される。そのような修正されたコントローラは、改善された制御安定性およびチューニングへの高適応の利点を有する。しかしながら、本発明は、長さ領域において動作する通常のＰＩＤコントローラにおいて実施されることもできるという点に留意すべきである。長さ領域において動作するそのような通常のＰＩＤコントローラは、従来技術にわたって大きな改善を得ることが見出されてきた。

従って、本発明は、ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シリコンインゴットの成長方法であって、エラーが、パラメータの目標値とパラメータの測定値との間で規定され、その後、シリコンインゴットの直径をその長さに沿って均一にするための、シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整を得るために、エラーが、長さ領域において積分される方法も提供する。

本発明に従うシリコン結晶成長装置を示す概念図である。 図１に示す装置で用いられる、本発明に従う制御モデルを示す略図である。 成長シリコンとシリコン融液との界面で形成されるメニスカスを示す概念図である。 成長シリコンインゴットの直径の変化と引き上げ速度の変化との関係を示す実験データを示すグラフである。 本発明および従来のＰＩＤ制御によって行われる引き上げ速度制御のトレースを比較するグラフである。 本発明に基づく直径と引き上げ速度の制御を示すグラフである。 従来のＰＩＤ制御に基づく直径と引き上げ速度の制御を示すグラフである。 Ｖ/Ｇ比に関する欠陥の種類および分布を示す図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明に従う単結晶シリコンインゴットの直径を制御する方法および装置の詳細な説明が与えられるであろう。

本発明に従う図１に示す装置は、ＣＺ結晶成長法を行うのに用いられる。図１において、この装置は炉１を具える。この炉１の内側には、石英ルツボ２が設けられ、この石英ルツボ２にはシリコン融液６が充填されている。石英ルツボ２は、グラファイトサセプタ３によって支えられ、このグラファイトサセプタ３は、駆動軸４の頂部で固定されている。この駆動軸４は、上下方向および回転方向に動き、これによって、石英ルツボ２を上下方向および回転方向に動かす。カーボンヒータ７は、石英ルツボ２内のシリコン融液６の温度を制御するため、グラファイトサセプタ３を囲み、石英ルツボ２を加熱する。絶縁チューブ８は、カーボンヒータ７と炉１の壁部との間に配置される。

管状放射熱シールド１１は、シリコン融液６の上方に吊るされる。この管状放射熱シールド１１は、引き上げられるシリコンインゴットの熱履歴の変化を防ぎ、また、カーボンヒータ７からのＣＯガスのような不純物が、引き上げられるシリコンインゴットに入ることも防ぐ。水冷冷却管１０は、炉１の首部１４の内側に取り付けられる。この水冷冷却管１０は、引き上げプロセスの間中、シリコンインゴットの熱履歴を制御する。水冷冷却管１０と首部１４の内壁との間には、環状ガス経路が形成され、これを通して、供給管２１は、アルゴンガスを炉１の内側に供給する。

ワイヤ９は、首部１４および水冷冷却管１０を通り、石英ルツボ２内のシリコン融液６に向かって垂直に延在する。このワイヤ９は、単結晶シリコンからなる種結晶を、その端部に保持する。サーボモータ２０は、ワイヤ９を引っ張り、種結晶をシリコン融液６の表面から引き上げる。図１は、サーボモータ２０がワイヤ９を引っ張り上げるにしたがって、シリコン融液６から成長するシリコンインゴット５を示している。ワイヤ９ひいては種結晶は、図では示されない別のモータによって回転されることができる。

窓部１２，１３は、炉１の肩部に形成される。ＡＤＲセンサ１５は、窓部１２を通して、引き上げられるシリコンインゴット５の直径を測定する。ラインカメラ１６は、窓部１３を通して、炉１の内部で起こる結晶成長プロセスを観察するのに用いられる。窓部１７は、炉１の側壁部に形成され、これを通して、ＡＴＣセンサ１８は、ヒータ７の温度をモニタする。さらに、２色温度計１９は、炉１の頂部に配置され、シリコン融液６の温度を測定する。

センサ１５，１６，１８および１９によって集められた全てのデータは、コントローラ２２に供給される。コントローラ２２は、供給されたデータを処理し、サーボモータ２０およびヒータ７を制御し、長さに沿って均一な直径を有するシリコンインゴット５を製造する。コントローラ２２は、駆動軸４の上下移動および回転も制御する。特に、コントローラ２２は、成長するシリコンインゴット５とシリコン融液６との間の界面の上下位置を一定に保つために、駆動軸４の上下移動を制御する。

図１を参照して、ＣＺプロセスが、炉１の内部でどのように実施されるか説明する。はじめに、石英ルツボ２内に、多結晶シリコンが充填される。アルゴンガスは、供給管２１を通って炉１に流入され、炉１をアルゴンガスで満たす。ヒータ７がオンにされ、石英ルツボ２を加熱し、石英ルツボ２内部の多結晶シリコンを溶融する。ヒータ７は、所定の温度プロファイルにしたがって、シリコン融液６の温度を維持するために制御される。

次に、サーボモータ２０が運転され、ワイヤ９の端部に取り付けられた単結晶シリコンからなる種結晶が、部分的にシリコン融液６内に浸漬されるまで、ワイヤ９を下げる。その後、石英ルツボ２および種結晶は、反対方向への回転を始める。サーボモータ２０は、その後、所定の引き上げ速度プロファイルにしたがって、ワイヤ９の引き上げを始める。種結晶が引き上げられるにつれ、インゴット５は、種結晶から成長する。

一定の間隔、例えば一秒ごとに、コントローラ２２はセンサ１５から直径情報を、センサ１９から温度情報を集める。集められた情報に基づいて、コントローラ２２はサーボモータ２０およびヒータ７を制御する。引き上げ速度およびシリコン融液６の温度を制御することによって、インゴット５の直径は、種結晶から次第に増加し、その結果、円錐形状のネック部を形成する。インゴットが所望の直径に成長したとき、コントローラ２２は、成長するインゴット５が一定の直径を有するよう、その制御をシフトする。インゴット５が所望の長さまで成長したとき、コントローラ２２は、インゴット５の直径が次第に減少するよう、再びその制御をシフトし、円錐形状のテール部を形成する。

インゴット成長プロセスの間中、インゴット５が成長するにつれ、シリコン融液６の表面は低くなる。融液表面の低下を補償するため、そしてインゴット５とシリコン融液６との間の界面の一定の上下レベルを保つために、コントローラ２２は、駆動軸４によって石英ルツボ２が持ち上げられるようにする。テール部の直径がほぼ０になったとき、インゴット５はシリコン融液６から持ち上げて取り去られる。ヒータ７はオフにされ、ＣＺプロセスは終了する。

図２は、長さに沿って均一な直径を有するインゴットを製造するための本発明の制御モデルを説明する。図２において、コントローラ２２にストアされるプロセステーブル１００が示される。プロセステーブル１００は、所望のインゴット長さ１０１の情報を含む。また、プロセステーブル１００は、ＣＺプロセス中に得られるべき目標引き上げ速度の情報を含む、引き上げ速度プロファイルテーブル１０２も含む。直径プロファイルテーブル１０３は、ＣＺプロセス中に得られるべき目標直径の情報を含む。温度プロファイルテーブル１０４は、プロセス中に得られるべき目標温度の情報を含む。

図２の反対側には、炉１が示されている。ワイヤ９を引き上げるためのサーボモータ２０および石英ルツボ２を加熱するためのヒータ７が炉１の内部に示されている。制御信号は、サーボモータ２０およびヒータ７に供給され、長さに沿って均一な直径を有するシリコン結晶インゴットを製造するための、所望の引き上げ速度およびシリコン融液の温度を得る。

本発明で用いられる制御モデルは、時間領域においてではなく、長さ領域において独自に動作する。図３は、成長するインゴットとシリコン融液との間の界面を示す。固体のインゴットと液体のシリコン融液との間で、メニスカスと呼ばれるテーパ部が形成される。当業者は、メニスカスの形状が、成長する結晶インゴットの直径の重要な決定要因であることを理解する。図において、“α”は、メニスカステーパの角度を表し、“ｈ”はメニスカスの高さを表す。

メニスカスの形状を所与として、成長するインゴットの直径は以下の式（１）によって表される。
この式は、引き上げ速度が大きくなると、時間当たりの直径変化が大きくなることを示している。また、時間当たりの直径変化は、インゴットが完全に垂直にまたは円筒状に成長する角度からのメニスカス濡れ角の偏差に比例する。また、当業者は、このメニスカス角偏差が引き上げ速度の変化とほぼ線形の関係を有することを理解している。
この直径と引き上げ速度との間の関係は、式(１)および式(２)から、以下の通り得ることができる。
この式(３）は、直径コントローラによって制御されるべきシステムを記述する。

式（３）は、直径および引き上げ速度が、時間領域において二次関係を有することを示す。設計によるＰＩＤ制御は、二次までの線形微分式に支配されるシステムのエラーを最適に補償することだけしかできないため、ＰＩＤ制御は、そのような非線形システム上の最適な制御を得ることができない。

ＣＺプロセスにおいて、引き上げ速度は、メニスカスでのインゴットの成長速度を決定する。それ故に、引き上げ速度は、メニスカスでのインゴットの垂直方向位置(ｚ)の変化である。
式（３）および式（４）は、以下の式（５）を生じる。
この式(５)は、引き上げられた長さ当たりの直径の変化が、引き上げ速度の変化とほぼ線形の関係を有することを示す。引き上げられた長さ当たりの直径の変化は、メニスカスのテーパを意味する。したがって、式(５)は、メニスカスのテーパが、引き上げ速度の変化とほぼ線形の関係を有することを説明している。式(５)は、直径および引き上げ速度が長さ領域において線形の関係を有することが直感的に理解できる。したがって、時間領域よりもむしろ、長さ領域でＰＩＤ制御を適用することによって、制御性能および安定性を犠牲にすることなく、インゴット成長プロセスにとって最適な制御を得ることが可能になる。

しかしながら、制御コンピュータは、さらに、時間スケール上で入力をサンプリングし、出力を適合するため、長さ領域において動作するＰＩＤ制御を実行することは、従来のＰＩＤ制御と比較して、いくつか追加の測定機器を必要とする。再び図２を参照すると、本発明の実施形態は、直径トラッキングフィルタ１０５を具える。最も単純な形態において、このフィルタ１０５は運動学的モデルフィルタである。制御理論およびデータトラッキングの分野における当業者は、カルマンフィルタのような、他のより複雑なトラッキングフィルタが、瞬間的な直径およびテーパデータを作り出すためによく用いられることができるということを理解している。フィルタは、センサ１５から測定された直径の信号表示および引き上げ速度の信号表示を受信し、実際の直径の信号表示を出力する。フィルタ１０５は、測定された直径および引き上げ速度から成長するインゴットの長さ当たりの直径変化(テーパ)も計算し、成長結晶の実際のテーパを表示する計算されたテーパの信号表示を出力する。

フィルタ１０５からの実際の直径は、直径プロファイルテーブル１０３からの目標直径と比較して計算機１０６で評価される。直径エラー、すなわち実際の直径と目標直径との間の差異は、テーパプロファイラ１０７で目標テーパに変換される。テーパプロファイラ１０７は、目標テーパTP_targetを計算するために、以下の式を用いる。
ここで、TP_targetは得られるべき目標テーパであり、TP_limitは最大絶対テーパであり(TP_targetはTP_limitを絶対に超えることができない)、Error_diameterは、実際の直径と目標直径との間の差異である。目標テーパTP_targetは、その後フィードフォワード制御１０８およびフィードバック制御１０９に供給される。

フィードフォワード制御１０８は、目標テーパTP_targetから、引き上げ速度のために作られるべきＦＦ調整ΔV_Mを設定する。本発明に従う制御モデルは、目標テーパを得るのに必要だといわれている正確な引き上げ速度オフセットを設定することによって、テーパフィードバック制御に加えて、フィードフォワード制御を実施する。ＦＦ調整ΔV_Mは、経験的データから計算される。図４は、引き上げ速度が変化されたときに、どのように直径が応答するかを示す実験的なデータを表すものである。図４において、インゴットは、60mm/hの速度ではじめに引き上げられた。インゴットが、10.5mmの長さまで成長したとき、引き上げ速度は60mm/hから120mm/hまで変化される。直径は、測定され、結晶成長プロセス中の変化をモニタするために、引き上げられたインゴット長さとの関係でプロットされた。実線は、実際の測定値を示し、破線は、実際の測定値を直線的になぞったものである。メニスカステーパは、図４におけるグラフの直径傾きから計算される。図４はメニスカステーパと引き上げ速度変化との間の関係を示すため、図４から、引き上げ速度が特定のテーパ変化を得るためにどの程度調節されるべきかを決定することができる。テーパと引き上げ速度変化との間の関係が容易に決定されることができるため、実験的に、この制御モデルは、直径偏差への正確な基本の応答をもたらすことができ、そのチューニングへの適応を改善することができる。

テーパプロファイラ１０７からの目標テーパTP_targetは、テーパエラーE_Tpr すなわち目標テーパTP_targetから計算されたテーパの偏差を決定するために、直径トラッキングフィルタ１０５によって計算された実際のテーパと比較して、フィードバック制御１０９における計算機１１０で評価される。フィードバック制御１０９において、テーパエラーE_Tprは、比例的にかつ全体的に、比例オペレータ１１１および積分オペレータ１１２によって調整(ｉ項調整およびｐ項調整)され、計算機１１３で引き上げ速度へのＦＢ調整に変換される。本発明において、テーパエラーE_Tprが時間(ｔ)ではなく、引き上げられたインゴットの長さ(ｚ)にわたって積分オペレータ１１２によって積分され、引き上げ速度への調整ΔＶ₀(ｉ項調整)に変換されるという点に留意すべきである。ＦＢ調整は、その後、フィードフォワード制御１０８からのＦＦ調整ΔＶ_Mとともに計算機１１４に加えられる。引き上げ速度プロファイルテーブル１０２からの目標引き上げ速度は、フィードフォワード制御１０８およびフォードバック制御１０９からの引き上げ速度調整の和とともに計算機１１５で調整され、サーボモータ２０を制御するよう供給される。調整された引き上げ速度は、直径トラッキングフィルタ１０５にも供給される。

上述したように、テーパエラーE_Tprは、引き上げられたインゴット長さにわたって積分され、ｉ項調整ΔＶ_０に変換される。このｉ項調整ΔＶ_０は、引き上げられたインゴット長さにわたるテーパエラーの和である。テーパ限定が機能しているという条件で、大きな直径エラーが修正されたとしても、ΔＶ_０と目標引き上げ速度との間の差異は、シリコン融液６における温度偏差の良い表現である。ｉ項調整ΔＶ_０は、その後、時間にわたり積分オペレータ１１６によって積分され、そして温度調整へと変換される。ｉ項調整ΔＶ_０からの温度調整は、温度プロファイルテーブル１０４からの目標温度およびセンサ１９からの測定された温度とともに計算機１１７で加えられ、温度エラーを導き出す。温度エラーは、ＰＩＤコントローラ１１８を通り、ヒータ７を制御する。

図５は、従来のＰＩＤコントローラの実施および本発明の実施から得られた引き上げ速度変化の比較を示す。従来のＰＩＤコントローラの制御下の引き上げ速度変化は、破線で示されている。本発明の制御下の引き上げ速度変化は、実線で示されている。図５に示されるように、従来のＰＩＤコントローラの制御下において、引き上げ速度は、本発明の制御下のものよりも、より大きく変化する。従来の制御は、目標値を、前後に大きくはずすことを繰り返していることは明らかである。これら“がたがた”の制御は、インゴットの長さに沿った比較的大きな直径偏差としてそれら自体を現す。従来のＰＩＤ制御と比較して、本発明に従う制御は、同じ時間に、直径を制御するために適用された引き上げ速度変化量が著しく減少する間、長さに沿った比較的小さな直径偏差をもたらす。

また、図６および図７は、本発明および従来のＰＩＤ制御の比較を示したものである。図６および図７は、本発明において、従来のＰＩＤ制御によって制御されたものに比べて、直径および引き上げ速度の変化が著しく減少することを示す。

上述した実施形態において、修正されたコントローラは、ＰＩ制御が長さ領域において、直径偏差から生じる動的テーパ設定点すなわち目標テーパを用いたテーパフィードバック制御として動作する場合において用いられる。そのような修正されたコントローラは、改良された制御安定性およびチューニングへの高順応の利点を有する。しかしながら、制御理論の分野における当業者は、本発明が長さ領域において動作する通常のＰＩＤコントローラにおいて実施可能であるということを理解するであろう。そのような、長さ領域において動作する通常のＰＩＤコントローラは、すでに従来技術において大きな改良が得られることが知られていた。

本発明は、結晶起因欠陥(COPs)および転位クラスタのいずれも有しない単結晶シリコンインゴットを成長させるのに有利に用いられる。単結晶シリコンを成長させるためにチョクラルスキー法を行う場合において、シリコン中で発現するおそれのある欠陥の種類および分布は、結晶成長方向における温度勾配Ｇおよび結晶の引き上げ速度Ｖの比に依存する。

図８は、Ｖ/Ｇ比に関連する結果の種類および分布を示す図である。図８において、単結晶シリコンは、Ｇ_ｃ/Ｇ_ｅ＜１の条件下において、融点と1370℃との間の温度で引き上げられる。ここで、Ｇ_ｃは結晶の中心での温度勾配を意味し、Ｇ_ｅは結晶の外周での温度勾配を意味する。図８に示されるように、Ｖ/Ｇが大きい場合、空孔が過剰に生じ、そして、空孔の塊であり、結晶起因欠陥(COPs)と呼ばれる微小なボイドが発展する。他方では、Ｖ/Ｇが小さい場合、格子間シリコン原子が過剰になり、そして格子間シリコン原子の塊である転位クラスタが発展する。したがって、ＣＯＰおよび転位クラスタのない単結晶シリコンを製造するために、Ｖ/Ｇは結晶の半径方向および成長方向における最適な範囲内で制御される必要がある。

半径方向における最適範囲にＶ/Ｇを制御するために、引き上げ速度は半径方向に沿って一定であるため、単結晶成長装置の内部構造(ホットゾーン)は、Ｇを所定の範囲に維持するよう設計される必要がある。成長方向における最適範囲にＶ/Ｇを制御するために、Ｇは結晶の長さに依存するためＶは成長の間調節される必要がある。近年では、Ｖ/Ｇを適切に制御することによって、300mmの大きさを有するＣＯＰおよび転位クラスタのない単結晶シリコンを製造することができるようになってきた。

しかしながら、単結晶シリコンからのウェーハは、ＣＯＰおよび転位クラスタがないけれども、それらのエリアに渡り一様ではないおそれがあり、熱処理下において異なって振舞うであろう領域を含む。図８に示されるように、Ｖ/Ｇが小さくなると、ＯＳＦ領域、Ｐ_ｖ領域およびＰ_ｉ領域の３つの領域が単結晶シリコンの内側に発展する。ＯＳＦ領域は、熱処理がまだ実施されず、例えば1000℃〜1200℃の範囲の温度での熱酸化プロセスの間ＯＳＦｓを作り出す成長状態において、酸素誘起積層欠陥(OSFs)の核である板状酸素析出物を含む。Ｐ_ｖ領域は、成長状態において、酸素誘起積層欠陥の核中心を含み、例えば800℃の低温および例えば1000℃の高温での２段階熱処理が施される場合、酸素析出物を作り出しやすい。Ｐ_ｉ領域は、成長状態において酸素析出物の核中心をめったに含まず、熱処理下において非常に限定された酸素析出物を発生させる。

図８に示されるように、ＣＯＰｓが発達する場合のＶ/Ｇの高い値および転位クラスタが発展する場合のＶ/Ｇの低い値は、互いに非常に近い。それゆえに、一様な構造を有するＣＯＰおよび転位クラスタのない単結晶シリコンを製造するために、Ｖ/Ｇが上限値および下限値の間の狭い範囲内となるよう、Ｖは正確に制御される必要がある。本発明は、引き上げ速度の変動を減少させ、そしてそれゆえにＶの正確な制御を可能にする。

また、本発明は、高濃度にドープされた単結晶シリコンを成長するのに有利に用いられることができる。高濃度にドープされた結晶は、構造的な超冷却現象のため、転位が発展しやすい。以下の式は、構造的な超冷却現象が発生するのを防ぐための理論的な条件を表すものである。
G_melt:シリコン融液中の温度勾配
V_growth:結晶の成長(引き上げ)速度
m:液相線勾配
C_∞:不純物濃度
D:拡散係数
k_eff:有効偏析係数
k:偏析係数
構造的な超冷却現象が発生するのを防止するために、上記式の条件は満足される必要がある。式によって示されるように、引き上げ速度が変動する場合、構成上の超冷却現象は発生するおそれがある。引き上げ速度にフィードバックすることは、直径制御に広く用いられるため、本発明は、引き上げ速度の変動を減少させ、これによって、直径制御の精度を改善する。したがって、本発明は、高濃度にドープされた結晶を製造するのに有利に用いられる。

本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変化が上記構成および方法において作られることができるので、上記説明に含まれ、または添付の図面において示された全ての特定事項は、説明として解釈されるべきであって、限定する意味ではないものとして解釈されることを意図する。

Claims (24)

1. ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シリコンインゴットの成長方法であって、該方法は、
   メニスカスの目標テーパと測定テーパとの間のテーパエラーを規定するステップと、
   前記テーパエラーを、前記シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整に変換するステップと
   を具え、
   テーパを、インゴットの単位長さ当たりのインゴットの直径の変化として定義し、該目標テーパを、該テーパの目標値として定義し、該測定テーパを、該テーパの測定値として定義することを特徴とする単結晶シリコンインゴットの成長方法。
2. 前記シリコンインゴットの目標直径と測定直径との間の直径エラーを規定するステップと、
   前記直径エラーを、前記目標テーパに変換するステップと
   をさらに具える請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
3. 前記直径エラーを前記目標テーパに変換するステップは、前記直径エラーに、所定のテーパ限界の範囲内の定数を乗じることを含む請求項２に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
4. 前記測定テーパは、前記引き上げ速度および前記測定直径から計算される請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
5. 前記テーパエラーを前記フィードバック調整に変換するステップは、前記フィードバック調整のｉ項を得るために、前記成長したインゴット長さにわたって前記テーパエラーを積分することを含む請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
6. 前記テーパエラーを前記フィードバック調整に変換するステップは、前記フィードバック調整のｐ項を得るために、前記テーパエラーに定数を乗じることを含む請求項５に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
7. 前記目標テーパを、前記引き上げ速度へのフィードフォワード調整に変換するステップをさらに具える請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
8. 前記引き上げ速度への前記ｉ項調整を、前記シリコン融液の温度の偏差に変換するステップをさらに具える請求項５に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
9. 前記引き上げ速度への前記ｉ項調整を変換するステップは、前記温度偏差を得るために、時間にわたって前記ｉ項調整を積分することを含む請求項８に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
10. 前記シリコン融液の温度を制御するために、前記温度偏差を用いてPID制御を行う請求項８に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
11. 前記テーパエラーをフィードバック調整に変換するステップは、以下の式を用いることを含む請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
    
    
    ここで、ｒは前記インゴットの直径を表し、ｚは前記成長したインゴットの長さを表し、Δｖは引き上げ速度エラーを表す。
12. ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シリコンインゴット成長用装置であって、該装置は、
    メニスカスの目標テーパと測定テーパとの間のテーパエラーを規定するよう設定されたテーパエラー検出器と、
    前記テーパエラーを、前記シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整に変換するよう設定されたフィードバック制御と
    を具え、
    テーパを、インゴットの単位長さ当たりのインゴットの直径の変化として定義し、該目標テーパを、該テーパの目標値として定義し、該測定テーパを、該テーパの測定値として定義することを特徴とする単結晶シリコンインゴット成長用装置。
13. 前記シリコンインゴットの目標直径と測定直径との間の直径エラーを規定するよう設定された直径エラー検出器と、
    前記直径エラーを、前記目標テーパに変換するよう設定されたテーパプロファイラと
    をさらに具える請求項１２に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
14. 前記テーパプロファイラは、前記直径エラーに、所定のテーパ限界の範囲内の定数を乗じることを含む請求項１３に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
15. 前記測定テーパは、前記引き上げ速度および前記測定直径から計算される請求項１２に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
16. 前記フィードバック制御は、該フィードバック調整のi項を得るために、前記成長したインゴット長さにわたって前記テーパエラーを積分するよう設定される請求項１２に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
17. 前記フィードバック制御は、該フィードバック調整のｐ項を得るために、前記テーパエラーに定数を乗じるよう設定される請求項１６に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
18. 前記目標テーパを、前記引き上げ速度へのフィードフォワード調整に変換するよう設定されるフィードフォワード制御をさらに具える請求項１２に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
19. 温度偏差を得るために、時間にわたって前記ｉ項調整を積分するよう設定される積分器をさらに具える請求項１６に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
20. 前記シリコン融液の温度を制御するために、前記温度偏差を用いてPID制御を行うよう設定されるＰＩＤ制御をさらに具える請求項１９に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。
21. ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シリコンインゴットの成長方法であって、該方法は、
    メニスカスのテーパ目標値とメニスカスのテーパ測定値との間のエラーを規定するステップと、
    前記シリコンインゴットの直径をその長さに沿って均一にするための、前記シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整を得るために、長さ領域において前記エラーを積分するステップと
    を具え、
    テーパを、インゴットの単位長さ当たりのインゴットの直径の変化として定義することを特徴とする単結晶シリコンインゴットの成長方法。
22. 長さ領域において前記エラーを積分するステップは、前記成長したシリコンインゴットの長さにわたって前記エラーを積分することを含む請求項２１に記載の単結晶シリコンインゴットの成長方法。
23. ＣＺ法を用いたシリコン融液からの単結晶シリコンインゴット成長用装置であって、該装置は、
    メニスカスのテーパ目標値とメニスカスのテーパ測定値との間のエラーを規定するよう設定されたエラー検出器と、
    前記シリコンインゴットの直径をその長さに沿って均一にするための、前記シリコンインゴットの引き上げ速度へのフィードバック調整を得るために、長さ領域において、前記エラーを積分するよう設定される積分器と
    を具え、
    テーパを、インゴットの単位長さ当たりのインゴットの直径の変化として定義することを特徴とする単結晶シリコンインゴット成長用装置。
24. 前記積分器が、前記成長したシリコンインゴットの長さにわたって前記エラーを積分する請求項２３に記載の単結晶シリコンインゴット成長用装置。