KR101424834B1 - 결정 성장 프론트에서 열 구배들의 인-시츄 결정을 위한 절차 - Google Patents

결정 성장 프론트에서 열 구배들의 인-시츄 결정을 위한 절차 Download PDF

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섬코 피닉스 코포레이션
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Abstract

반도체 결정을 성장하는 방법 및 장치는 소정의 인상 스피드에서 용융물 (melt) 로부터 반도체 결정을 인상하는 것과 주기적인 인상 스피드를 평균 스피드와 결합하여 인상 스피드를 조정하는 것을 포함한다. 인상 스피드의 조정은 결정 형성 동안 용융물 및 결정의 특성 온도 구배의 인-시츄 결정을 허용한다. 온도 구배는 예를 들어, 성장 동안 결정의 온도 구배를 결정하는 결정의 목표 인상 스피드 또는 용융물 갭과 같이 완성된 결정의 형태상의 안정성 (morphological stability) 또는 고유 재료 특성에 영향을 미치는 관련 프로세스 파라미터들을 제어하도록 이용될 수도 있다.
Figure R1020090070448
반도체 결정 성장 방법, 특성 온도 구배, 결정 성장 프론트, 직경 제어 시스템

Description

결정 성장 프론트에서 열 구배들의 인-시츄 결정을 위한 절차{PROCEDURE FOR IN-SITU DETERMINATION OF THERMAL GRADIENTS AT THE CRYSTAL GROWTH FRONT}
본 발명은 일반적으로 반도체 결정의 성장에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 결정의 결정 성장 프론트 (crystal growth front) 에서 열 구배 (thermal gradient) 들의 인-시츄 결정을 위한 절차에 관한 것이다.
반도체 전자 부품들을 제조하는 대부분의 프로세스들은 단결정 실리콘에 기초한다. 통상적으로, 쵸크랄스키 (Czochralski) 프로세스는 단결정 실리콘의 잉곳을 생산하는 결정 인상 머신에 의해 구현된다. 쵸크랄스키 또는 CZ 프로세스는 열 차폐 (heat shield) 에 의하여 부분적으로 포함되는 특별히 설계된 노 (furnace) 내에 위치된 도가니 내에서 고순도 실리콘 또는 다결정 실리콘을 용융시키는 것을 수반한다. 도가니는 전형적으로 석영 또는 다른 적절한 재료로 이루어진다. 도가니 내의 실리콘이 용융된 후, 결정 리프팅 메커니즘은 실리콘 용융물 (silicon melt) 과 접촉하게 시드 결정을 하강시킨다. 결정 리프팅 메커니즘은 그 후 시드를 후퇴시켜 실리콘 용융물로부터 성장하는 결정을 인상시킨다. 결정은 실질적으로 결함이 없고, 이로써 집적 회로와 같은 현대의 반도체 디바 이스를 제조하는데 적합하다. 실리콘이 본 논의에서 예시적 재료이지만, 갈륨 아세나이드, 인듐 포스파이드 등과 같은 다른 반도체들은 각 재료의 특징이 허용하는 한 유사한 방식으로 처리될 수도 있다.
하나의 주요한 제조 파라미터는 용융물로부터 인상되는 잉곳의 직경이다. 결정 목 (neck) 또는 좁은-직경부의 형성 후에, 통상의 CZ 프로세스는 성장하는 결정의 직경을 확대시킨다. 이것은 요구된 직경을 유지하기 위하여 인상 속도 또는 용융물의 온도를 감소시키는 것에 의해 자동 프로세스 제어 하에서 행해진다. 도가니의 위치는 결정에 대해서 용융물 레벨을 일정하게 유지시키도록 조절된다. 인상 속도, 용융물의 온도 및 감소하는 용융물 레벨을 제어함으로써, 결정 잉곳의 본체는 거의 일정한 직경으로 성장된다. 성장 프로세스 동안, 도가니는 일 방향으로 용융물을 회전시키고, 결정 리프팅 메커니즘은 시드 및 결정과 함게 자신의 인상 케이블 또는 샤프트를 반대방향으로 회전시킨다.
통상적으로, 쵸크랄스키 프로세스는 인상 동안 결정의 직경과 도가니 내의 용융된 실리콘의 레벨의 함수로서 부분적으로 제어된다. 프로세스 목표는 결정 직경을 실질적으로 균일하게 하고 결정 결함을 최소화하는 것이다. 결정 직경은 용융물의 온도 및 인상 스피드를 제어함으로써 제어되었다.
결정 성장 프론트 (즉, 결정-용융물 계면) 에서의 온도 구배는 또한 프로세스 성능의 유익한 척도임이 발견되었다. 온도 구배들은 결정 직경 제어, 대량으로 도핑된 결정 성장 시의 결정 형태상의 안정성 (morphological stability) 및 벌크 결정 마이크로-결함에 영향을 미치는 중요한 결정 성장 프로세스 파라미터들이다. 통상적으로, 공칭 온도 구배들은 핫-존 (hot-zone) 설계에 의해 미리-결정되며, 이것은 CAD (computer assisted design) 소프트웨어의 도움으로 행해진다. 이하의 실시예에서, 정말로 정밀한 값을 알 필요 없이, 실제의 구배들은 그 후 예를 들어, 격자간 (interstitial) 및 공간 (vacancy) 결함의 분포를 분석함으로써 사후 인상 재료 분석에 따라 (예를 들어, 용융물-열-차폐-갭에 대한 작은 변경을 행하여) 조절된다. 이러한 조절은 실행 마다의 기반으로 행해지고, 다루기 어려운 재료 특성 사항을 갖는 다수의 고품질 CZ-재료들은 영구적 모니터링과 조절을 요구한다. 열 구배들을 결정하는 핫-존 부분들의 재료 특성은 반복된 사용에 의해 시간 경과에 따라 변화하기 때문에 영구적 모니터링이 필요하다. 그러나, 이러한 실행 마다의 분석은 실행 동안 발생하는 점진적 변화를 미세-조정하는 것이 어렵고, 더 심하게는, 때때로 인간의 실수에 의해 발생하는 잘못된 용융물-열-반사기 갭과 같은 실행전의 설정 에러에 의한 구배 편차를 실행 중에 잡아내고 보정하는 것이 불가능하다. 결정 성장 동안 결정 성장 프론트에서 열 구배들을 결정하고, 이 정보를 이용하여 결정 성장 프로세스를 제어하기 위한 신뢰성 있는 방법 및 장치가 요구되고 있다.
서론으로서, 본 실시형태들은 인상 스피드에서 용융물로부터 반도체 결정을 인상하는 것과 주기적인 인상 스피드와 평균 스피드를 결합함으로써 인상 스피드를 조정하는 것을 포함하는 반도체 결정을 성장하는 방법 및 장치를 제공한다. 인상 스피드의 조정은 결정 형성 동안 용융물 및 결정의 온도 구배들의 실시간 결정을 허용한다. 그 구배들은 구배 의존 고유 결정 특성에 영향을 미치는 관련 프로세스 파라미터들에 인-시츄 보정을 행하는 조절을 하도록 이용될 수 있다.
일 실시형태에서, 직경 제어 시스템으로부터 나오는 보정항을 더한 목표 인상 스피드를 포함하는 정상의 결정 인상 스피드는 소정의 진폭 및 주파수의 주기성 항에 의해 중첩된다. 이것은 다른 경우 정상 직경의 작은 주기적인 조정을 유도할 것이다. 작은 중첩된 신호에 의해 영향을 받지 않고 작동하기 위하여, 직경 제어 시스템은 조정 주파수를 포함하지 않는 필터링된 신호를 수신한다. 그러나, 새로운 온도 구배 추정은 중첩된 직경 조정의 진폭 및 위상 시프트를 필터링하는 주파수 선택 알고리즘을 이용한다. 소정의 인상-스피드 조정 진폭과 함께 이 정보는 이후 온도 구배들을 산출하는 알고리즘에 의해 이용된다. 이 계산의 결과들은 이들 값을 목표 값들과 비교하고, 결정이 성장되면서 구배-의존 고유 특성에 영향을 미치는 관련 시스템 파라미터에 대한 조절을 행하는데 더 이용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 용융물 갭에 대한 조절은 요구된 결정 온도 구 배를 달성하기 위해 행해진다.
바람직한 실시형태의 앞선 논의는 오직 서론으로서 제공되었다. 본 섹션의 어떤 것도 본 발명의 범위를 규정하는 다음의 청구범위에 대한 한정으로서 다뤄지지 말아야 한다.
본 발명은 인상 스피드에서 용융물로부터 반도체 결정을 인상하는 것과 주기적인 인상 스피드와 평균 스피드를 결합함으로써 인상 스피드를 조정하는 것을 포함하는 반도체 결정을 성장하는 방법 및 장치를 제공하여, 결정 형성 동안 용융물 및 결정의 온도 구배들의 실시간 결정을 허용하고, 구배 의존 고유 결정 특성에 영향을 미치는 관련 프로세스 파라미터들에 인-시츄 보정을 행하는 조절을 하도록 이용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하면, 도 1 은 예시적인 반도체 결정 성장 장치 (100) 의 블록도이다. 장치 (100) 는 제어부 (102), 히터 전원 (104) 및 결정 성장 챔버 (106) 를 포함한다. 장치 (100) 는 결정 인상부 (108), 결정 샤프트 (110), 도가니 구동부 (112) 및 도가니 구동 샤프트 (114) 를 더 포함한다.
용융물 (118) 을 포함한 도가니 (116) 및 히터 (120) 는 챔버 (106) 내부에 포함된다. 도 1 의 설명에서, 반도체 결정 (122) 은 용융물 (118) 로부터 형성된다. 제어부 (102) 는 히터 전원 (104) 을 제어하도록 히터 전원 (104) 에 연결된다. 히터 전원 (104) 을 제어함으로써, 용융물 (118) 의 온도는 반도체 결 정 (122) 의 제어된 성장을 허용하도록 제어된다.
결정 인상부 (108) 는 중심축 (124) 을 따라 결정 샤프트 (110) 를 인상하도록 동작한다. 또한, 결정 인상부 (108) 는 중심축 (124) 에 대해서 결정 샤프트 (110) 를 회전하도록 동작한다. 도 1 에서는, 반시계방향 회전이 도시되나, 시계방향 회전으로 치환될 수도 있고, 결정 인상부 (108) 의 적절한 제어에 의해 양 방향이 이용가능할 수도 있다. 결정 인상 샤프트 (110) 의 회전 또는 이동은 결정 (122) 의 동일한 회전 또는 이동을 야기한다. 결정 인상부 (108) 는 결정 샤프트 (110) 를 인상 및 회전시키기 위한 하나 이상의 전기 모터들 또는 다른 디바이스들을 포함한다. 결정 인상부 (108) 는 제어부 (102) 로부터 제어선 (126) 을 통해 입증된 신호들에 의해 제어된다.
유사하게, 도가니 구동부 (112) 는 중심축 (124) 을 따라 도가니 구동 샤프트 (114) 를 이동시키고 중심축 (124) 에 대해서 도가니 구동 샤프트 (114) 를 회전하도록 동작한다. 도 1 에서는, 시계방향 회전이 도시되나, 반시계방향 회전으로 치환될 수도 있고, 도가니 구동부 (112) 의 적절한 제어에 의해 양 방향이 이용가능할 수도 있다. 도가니 구동 샤프트 (114) 의 회전 또는 이동은 도가니 (116) 의 동일한 회전 또는 이동을 야기한다. 도가니 구동부 (112) 는 도가니 구동 샤프트 (114) 를 인상 및 회전시키기 위한 하나 이상의 전기 모터들 또는 다른 디바이스들을 포함한다. 도가니 구동부 (112) 는 제어부 (102) 로부터 제어선 (128) 을 통해 입증된 신호들에 의해 제어된다.
결정 (122) 은 도가니 (116) 내의 용융물 (118) 로부터 형성된다. 표면 장력 때문에, 도가니 (116) 내의 고체 및 액체 반도체 재료 사이의 상 계면인 결정화 프론트 (crystallization front) 는 용융물 레벨의 약간 위로 상승된다. 액체 반도체는 결정을 완전히 적시지 않는다. 사실, 이것은 소정각 Θ0 에서 고체 결정과 접촉한다. 이것은 접촉-, 젖음-, 또는 메니스커스-평형각으로서 불린다.
용융물 레벨 위로 상승되는 결정 아래의 용융물 영역이 메니스커스라 불린다. 용융물 위로 상승된 결정화 프론트의 위치는 성장 프로세스의 특성들에게 중요하다. 결정화 프론트의 위치가 매우 높이 용융물 위로 상승되는 경우, 결정의 반경은 감소되나; 그렇지 않으면 증가한다.
결정 성장 프로세스를 모니터링하는 경우, 챔버 (106) 는 하나 이상의 센서들을 포함한다. 도 1 의 서술된 실시형태에 있어서, 이들 센서들은 카메라 (130) 및 온도 센서 (132) 를 포함한다. 카메라 (130) 는 챔버의 관찰 포트 (viewing port) 근처에 탑재되고, 용융물 (118) 의 표면을 관찰하도록 향하게 된다. 카메라 (130) 는 제어선 (136) 상에 카메라 이미지를 나타내는 신호를 생성하고, 제어부 (102) 로 그 신호를 제공한다. 통상의 기술은 결정 직경의 측정을 제공한다. 이들은 결정 (122) 과 용융물 (118) 사이의 고체-액체 계면에서 형성되는 메니스커스의 도가니 벽의 반사의 특성인 밝은 링 (bright ring) 의 폭을 측정하는 방법을 포함한다. 통상의 밝은 링 및 메니스커스 센서들은 광고온계 (optical pyrometer), 광전지, 광전지를 갖는 회전 거울, 광전지를 갖는 광 원, 라인-스캔 카메라 및 2 차원 어레이 카메라와 같은 디바이스들을 채용한다. 다른 광 측정 디바이스들은 대신하거나 추가하여 이용될 수도 있다. 온도 센서 (132) 는 챔버 (106) 내의 온도를 검출하고, 제어선 (138) 으로 온도를 나타내는 데이터를 제어부 (102) 에 제공한다. 또한, 장치 (100) 는 결정 (122) 의 직경을 측정하도록 구성된 결정 직경 센서를 포함할 수도 있다. 결정 직경 센서는 통상의 임의의 유형일 수도 있다.
서술된 실시형태의 제어부 (102) 는 일반적으로 중앙 처리부 (CPU) (140), 메모리 (142) 및 사용자 인터페이스 (144) 를 포함한다. CPU (140) 는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 디지털 로직 기능 또는 컴퓨터와 같은 임의의 적절한 처리 디바이스일 수도 있다. CPU (140) 는 메모리 (142) 내에 저장된 데이터 및 명령들에 따라 동작한다. 게다가, CPU (140) 는 제어선들 (126, 128, 136, 138) 에 의해서와 같이 센서로부터 수신된 데이터 및 다른 정보를 이용하여 동작한다. 여전히 또한, CPU (140) 는 제어 신호들을 발생시켜 히터 전원 (104), 결정 인상부 (108) 및 도가니 구동부 (112) 와 같은 반도체 결정 성장 장치 (100) 의 부분들을 제어하도록 동작한다.
메모리 (142) 는 반도체 메모리, 자기 또는 광 디스크 또는 이들이나 다른 기억 장치의 임의의 조합과 같은 임의의 유형의 동적 또는 지속성 메모리일 수도 있다. 몇몇 애플리케이션들에서, 본 발명은 CPU (140) 로 하여금 반도체 결정 성장 장치 (100) 의 다른 구성요소들과 함께 소정의 특화된 기능을 수행하게 하는 데이터를 포함한 컴퓨터 판독가능한 저장 매체로서 구체화될 수도 있다.
사용자 인터페이스 (144) 는 반도체 결정 성장 장치 (100) 의 사용자 제어 및 모니터링을 허용한다. 사용자 인터페이스 (144) 는 사용자에게 동작 정보를 제공하기 위한 임의의 적합한 디스플레이를 포함하고, 반도체 결정 성장 장치 (100) 의 사용자 제어 및 구동을 허용하는 임의의 유형의 키보드 또는 스위치들을 포함할 수도 있다.
반도체 결정 성장 장치 (100) 는 쵸크랄스키 (Czochralski) 프로세스에 따라 단결정 반도체 잉곳의 성장을 가능하게 한다. 본 프로세스에 따라, 실리콘과 같은 반도체 재료는 도가니 (116) 내에 놓인다. 히터 전원 (104) 은 실리콘을 가열하고 그 실리콘을 녹게 하는 히터 (120) 를 구동한다. 히터 (120) 는 실리콘 용융물 (118) 을 액체 상태로 유지시킨다. 통상의 프로세스에 따르면, 시드 결정 (146) 은 결정 인상 샤프트 (110) 에 부착된다. 시드 결정 (146) 은 결정 인상부 (108) 에 의해 용융물 (118) 로 하강된다. 게다가, 결정 인상부 (108) 는 결정 인상 샤프트 (110) 및 시드 결정 (146) 이 반시계방향과 같은 제 1 방향으로 회전하게 하나, 도가니 구동부 (112) 는 도가니 구동 샤프트 (114) 및 도가니 (116) 가 시계방향과 같은 반대 방향으로 회전하게 한다. 도가니 구동부 (112) 는 또한 결정 성장 프로세스 동안 요구되는 것에 따라 도가니 (116) 를 상승 또는 하강시킬 수도 있다. 예를 들어, 결정이 성장됨에 따라 용융물 (118) 이 고갈되므로 용융물 레벨이 실질적으로 일정하게 보상 및 유지하도록 도가니 구동부가 상승된다. 본 프로세스 동안, 히터 전원 (104), 결정 인상부 (108) 및 도가니 구동부 (112) 모두는 제어부 (102) 의 제어 하에서 동작한다.
제어부 (102) 는 결정 (122) 의 성장 동안 반도체 결정 성장 장치 (100) 를 제어하도록 더 동작한다. 이것은 결정 인상부 (108) 의 인상 스피드 및 도가니 구동부 (112) 의 제어 하에서의 도가니 (116) 의 이동의 스피드를 제어하는 것을 포함한다. 본 실시형태들에 따르면, 결정 인상부 (108) 는 평균 인상 스피드에 중첩되는 주기적인 인상 스피드 변화를 더한 평균 인상 스피드에서 결정 (122) 을 인상한다.
평균 인상 스피드는 자체가 직경 제어 시스템에 의해 발생되는 보정항 Δv 를 더한 목표 인상 스피드
Figure 112009047083948-pat00001
로 구성되는 변수 v0 로 표시된다. 평균 결정 성장 속도는 변수 vg 로 표시된다. 단순화하기 위해, 다음의 논의에서는 용융물 (118) 의 레벨이 실질적으로 일정한 레벨에서 유지되어 평균 인상 스피드 v 가 평균 성장 속도 vg 와 동일하다고 가정된다. 메니스커스의 높이에서 과도기적 변화 때문에 v 및 vg 사이의 오직 일시적인 편차가 고려될 것이다.
주목되는 바와 같이, 결정이 용융물에서 인상되는 평균 스피드는 의도적으로 다음의 형태로 주기적인 변화와 중첩된다.
Figure 112009047083948-pat00002
여기서 v0 는 직경 제어 시스템으로부터 나오는 보정항을 더한 목표 인상 스피드로 이루어지는 정상의 인상 스피드이고,
Figure 112009047083948-pat00003
는 인상 스피드의 조정의 진폭이며, ω 는 각 주파수이다. 결정의 직경은 인상 스피드와 관계가 있다. 결 정 직경이 변화 중인 조정 유도된 속도 (modulation induced rate) 는 다음에 의해 구해진다.
Figure 112009047083948-pat00004
여기서 ΘS 는 결정 반경이 변화하지 않는 메니스커스 젖음각 Θ0 으로부터의 오프셋 각으로 규정되며 vc 는 결정화 속도이다. 이것은 반경 변화 vr 및 반경 r 의 주기적인 변화를 부과할 것이다.
Figure 112009047083948-pat00005
여기서
Figure 112009047083948-pat00006
는 인상 스피드 변화를 추종하는데 있어서 vg 의 지체에 의해 야기될 수도 있는 위상 시프트를 나타낸다.
결정 성장 동안
Figure 112009047083948-pat00007
이 측정되기 때문에, 또한 식 2.0 의 전체 도함수에 대한 νg 와 연결되는
Figure 112009047083948-pat00008
을 결정할 수 있다.
Figure 112009047083948-pat00009
평균 성장 속도 vg 가 평균 인상 스피드 v 와 동일해야 하기 때문에, 이후 vg = v 인 경우 Θs 는 식 2.0 에 의해 결정된다. ω 가 너무 크지 않으면,
Figure 112009047083948-pat00010
이라고 가정할 수 있어 측정된
Figure 112009047083948-pat00011
에 대해서
Figure 112009047083948-pat00012
는 식 4.0 에 의해 획득될 수 있다.
결정 성장 프론트 (결정-용융물 계면) 에서의 열 전달 평형은 다음과 같이 일차원 근사에 의해 기술된다.
Figure 112009047083948-pat00013
여기서
Figure 112009047083948-pat00014
및
Figure 112009047083948-pat00015
은 열전도도들이고, GS 및 GL 은 각각 고체 및 액체의 온도 구배들이다. L 은 결정의 단위 체적 당 잠열이고, vg 는 결정 성장 속도이다.
GL 에 대한 단순화된 표현은 다음으로 구해질 수 있다.
Figure 112009047083948-pat00016
여기서 h 는 메니스커스 높이이고, ΔTB 는 메니스커스 베이스와 결정 용융물 계면 사이의 온도차이다. GL 에 대한 다른 표현은 특정 결정 성장 조건에 대해서 전개될 수 있다. 식 5.1 로 치환하면, 식 5.0 은 다음과 같이 된다.
Figure 112009047083948-pat00017
연장된 시간 기간에 대한 성장 속도 vc 의 변화는 h, ΔTB 및 GS 에 대한 영향을 미칠 것이다. 그러나, 인상 스피드 조정 (식 1.0) 에 의해 부과되는 바와 같이 성장 속도 vg 의 작은 주기적인 변화는 주로 h 에 영향을 미치고, ΔTB 및 GS 에 변화가 없을 것이다. 식 6.0 의 미분은 이후 다음과 같이 된다.
Figure 112009047083948-pat00018
식 7.1 은 성장 속도 변화
Figure 112009047083948-pat00019
와 메니스커스 높이의 상대적 변화
Figure 112009047083948-pat00020
사이의 링크를 제공한다. 그러나 메니스커스 높이의 변화는 젖음각의 변화에 연결된다.
Figure 112009047083948-pat00021
의 표현에 의해 식 7.1 의
Figure 112009047083948-pat00022
의 치환은 특성 GL 을 결정하는 방식을 제공하며, 식 6.0 의 경우 GS 를 결정하는 방식을 제공한다. 그렇게 하기 위하여 현재까지 단순한 모델이 전개된다.
도 2 는 젖음각 ΘS 및 메니스커스 높이 h 의 변화와 관련한 모델을 나타낸다. 도 2 에서는, 결정 (122) 과 용융물 (118) 사이의 결정화 프론트 (204) 에서 형성된 메니스커스 (202) 가 도시된다. 메니스커스 높이의 작은 변화
Figure 112009047083948-pat00023
는 메니스커스-결정 접촉과 용융물 베이스를 연결하는 메니스커스 탄젠트 (meniscus tangent) 의 길이를 변화가 없도록 하는 것으로 추정된다. 이것은 다음 식을 이끈다.
Figure 112009047083948-pat00024
Figure 112009047083948-pat00025
의 치환 후에, 식 7.1 은 알려지고/알려지거나 측정된 값들에 의해 GL 에 대한 표현으로 재배열될 수 있고;
Figure 112009047083948-pat00026
그리고, 이 경우, GS 는 식 5.0 으로부터 획득될 수 있다. 이로써, 중요한 결정 성장 조건들인 온도 구배들은 결정 직경 변화 및/또는 메니스커스 높이의 인상 스피드 조정-관련된 응답을 측정함으로써 측정될 수 있다. 즉, 시간에 의한 결정 인상 스피드의 조정이 변화하는 경우, 주기적인 신호는 결정 직경의 변화의 형태로 응답을 야기할 것이다. 또한, 이것은 메니스커스 높이의 변화를 야기할 것이다. 결정 직경 및 메니스커스 높이, 이들 값들 양자 모두는 카메라 (도 1) 와 같은 통상의 장비를 이용하여 측정될 수 있다. 이들 변화를 모니터링함으로써, 용융물 및 결정에서 성장 프론트 열 구배들에 대한 특성 (단지 결정 표면에서가 아니라 전체 성장 프론트에 대한 특성) 값들이 산출될 수 있다. 이 정보는 이후 용융물 갭 또는 목표 인상 스피드 등과 같은 고유 결정 특성에 영향을 미치는 관련 프로세스 파라미터들을 제어하도록 이용될 수 있다.
도 3 은 결정 성장 시스템 (300) 의 일 실시형태를 나타낸다. 시스템 (300) 은 도가니 (306) 으로부터 인상되는 결정 (304) 을 포함한 인상 챔버 (302) 를 포함한다. 용융물 (308) 은 도가니 (306) 내에 담겨 있다. 시스템 (300) 은 열 반사기 콘 (310), 시드 리프트 모터 (312) 및 도가니 리프트 모터 (314) 를 더 포함한다. 시스템 (300) 은 결정 직경 측정 디바이스 (316) 및 연관된 직경 측정 시스템 (322) 을 더 포함한다.
시스템 (300) 은 제어 시스템을 형성하는 몇몇 요소들을 더 포함한다. 이들 요소들은 목표 인상 스피드 출력 (318), 도가니 용융물 레벨 저하 보상 메커니즘 (320), 직경 제어 메커니즘 (324), 정상의 인상 스피드 v0 을 소정 주파수 ω 및 진폭
Figure 112009047083948-pat00027
의 주기적인 신호와 중첩시키기 위한 디바이스 (326) 를 포함한다. 제어 시스템은 필터 (328), 필터 함수 (330), 온도 구배 추정 시스템 (332) 및 온도 구배 제어 시스템 (334) 을 더 포함한다.
제어 시스템은 임의의 적절한 방식으로 형성될 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 시스템은 프로세서 및 메모리를 포함한다. 메모리는 프로세서를 제어하기 위한 데이터와 명령을 저장한다. 프로세서는 데이터 및 명령에 응답하여 목표 인상 스피드 출력 (318), 도가니 용융물 레벨 저하 보상 메커니즘 (320), 직경 제어 메커니즘 (324) 및 디바이스 (326) 와 같은 함수 및 시스템을 구현한다. 또한, 프로세서는 명령 및 데이터를 이용하고, 필터 (328), 필터 함수 (330), 온도 구배 추정 시스템 (332) 및 온도 구배 제어 시스템 (334) 을 구현한다. 본 명세서에서 기술되거나 제안된 임의의 로직 또는 신호 처리 함수는 프로그램된 프로세서, 다른 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어 조합 중 어느 하나에 의해 동등하게 수행될 수 있다.
목표 인상 스피드 출력 (318) 은 시드 리프트 모터 (312) 를 위한 공칭 인상 스피드 신호를 제공한다. 이 신호에 응답하여, 모터 (312) 는 결정 (304) 을 리프팅하는 인상 (pull-up) 스피드를 설정하거나 변화시킨다. 공칭 인상 스피드 신호
Figure 112009047083948-pat00028
는 결합기 (336) 에 제공된다. 도가니 용융물 레벨 저하 보상 메커니즘 (320) 은 도가니 리프트 모터 (314) 를 위한 신호를 발생시켜 도가니 (306) 의 위치를 변화시킨다. 일반적으로, 모터 (314) 는 용융물 레벨 저하 보상 메커니즘 (320) 에 응답하여 도가니 리프트를 발생시켜 결정 (304) 이 형성되고 도가니 (306) 로부터 인상됨에 따라 도가니 (306) 내의 용융물 (308) 의 레벨의 저하를 보상한다.
직경 측정 디바이스 (316) 는 결정 (304) 의 직경을 측정하고 결정 (304) 의 직경을 결정하는 직경 측정 시스템 (322) 에 측정 신호를 제공한다. 직경 측정 시스템 (322) 은 직경 제어 시스템 (324) 에 직경 신호를 제공한다. 직경 제어 시스템 (324) 은 다음으로 결합기 (336) 에 연결되고 결합기 (336) 에 인상 스피드 보정 신호를 제공한다.
정상의 인상 스피드 v0 을 소정의 주파수 ω 와 진폭
Figure 112009047083948-pat00029
의 주기적인 신호와 중첩시키는 디바이스 (326) 는 신호
Figure 112009047083948-pat00030
를 생성하고 결합기 (338) 에 이 신호를 제공한다. 결합기의 출력은 시드 리프트 모터 (312) 에 제공되는 스피드 제어 신호
Figure 112009047083948-pat00031
이다. 시드 리프트 모터 (312) 는 이 신호에 응답하여 결정 (304) 에 대한 인상 스피드를 설정하거나 변화시킨다.
필터 (328) 는 직경 측정 시스템 (322) 및 직경 제어 시스템 (324) 사이에 배치된다. 직경 측정 시스템 (322) 은 출력 신호
Figure 112009047083948-pat00032
를 생성한다. 필터 (328) 는 주파수 ω 를 차단한다. 즉, 필터 (328) 는 일 실시형태에 있어서 노치-필터를 형성한다. 이 필터 (328) 의 출력은 직경 제어 시스템 (324) 에 대한 입력을 제공한다.
필터 (330) 는 직경 측정 시스템 (322) 과 온도 구배 추정 시스템 (332) 사이에 배치된다. 일 실시형태에서, 필터 (330) 는 직경 신호
Figure 112009047083948-pat00033
에서 진폭
Figure 112009047083948-pat00034
및 시간 시프트
Figure 112009047083948-pat00035
를 추출하여 퓨리에-분석 기반 필터 알고리즘과 같은 주파수 선택 필터 알고리즘을 실시한다.
시스템 (300) 은 히터 (340) 및 히터 제어 (342) 를 더 포함한다. 일 실시형태에서, 히터 제어는 시스템 (300) 의 동작을 제어하는 제어부의 일부이다. 히터 (340) 는 히터 제어 (342) 에 응답하여 도가니에 열을 인가하여 소정의 온도에서 용융물을 유지시키도록 동작한다. 히터 제어 (342) 는 직경 제어 시스템 (324) 의 출력에 연결된 입력을 가져 직경 제어 시스템에 의해 생성된 신호를 검출한다. 히터 제어 (342) 는 이로써 직경 제어 시스템 (324) 으로부터의 평균 출력이 0 이도록 히터 (340) 의 전력을 제어하는 피드-백 제어를 형성한다. 바꿔 말해, 평균 인상-스피드는 공칭 인상-스피드와 동일하다.
온도 구배 추정 시스템 (332) 은 값 ω,
Figure 112009047083948-pat00036
,
Figure 112009047083948-pat00037
및
Figure 112009047083948-pat00038
에 기초하여 온도 구배들 GS 및 GL 을 추정하는 알고리즘을 실시한다. 그 결과는 온도 구배들 GS 및 GL 이다. 이 출력 정보는 온도 구배 제어 시스템 (334) 에 제공된다. 일 실시형태에서, 본 시스템은 온도 구배 제어 알고리즘을 실시한다. 알고리즘의 목표는 도가니 리프트 모터 (314) 를 제어하는 신호에 보정항을 가산하여 용융물 (308) 의 표면 및 열 반사기 콘 (310) 사이의 갭을 조절함으로써 결정 온도 구배들 GS 및 GL 을 보정하는 것이다. 이것은 오직 예시적 실시형태이다. 다른 애플리케이션들은 동일한 인상-스피드 조정 기술을 이용하는 것이 가능하다.
결정 (304) 이 용융물 (308) 밖으로 인상됨에 따라, 도가니 (306) 내의 용융물 레벨이 저하된다. 동시에, 도가니 (306) 는 저하하는 도가니 용융물 레벨을 보상하기 위하여 도가니 리프트 모터 (314) 에 의해 상승되고 있다. 보상은 용융물의 위치 및 용융물 표면과 열 반사기 콘 (310) 사이의 갭이 일정하게 유지되도록 행해진다. 이상적으로, 결정 (304) 의 열 구배 GS 는 마찬가지로 일정하게 유지된다.
결정 (304) 이 용융물 (308) 의 밖으로 인상되는 스피드는 진폭
Figure 112009047083948-pat00039
및 주파수 ω 의 주기성 항을 더한 직경 제어 시스템 (324) 으로부터 나오는 보정항 Δν 를 더한 목표 인상 스피드
Figure 112009047083948-pat00040
에 의해 결정된다. 직경 측정 시스템 (322) 은 직경을 관찰하고 작은 조정을 포함하는 신호
Figure 112009047083948-pat00041
를 생성한다.
직경 신호에 포함되는 작은 직경 조정 정보
Figure 112009047083948-pat00042
및
Figure 112009047083948-pat00043
는 필터 (330) 내의 주파수 선택 알고리즘에 의해 추출된다. 직경 조정 정보 및 소정값
Figure 112009047083948-pat00044
에 기초 하여, 용융물 및 결정의 근사 온도 구배들 GS 및 GL 이 산출된다. 본 필터링 동작의 결과들은 이후 목표로부터의 편차를 보상하기 위하여 이들 값들을 목표 값들과 비교하고 관련한 시스템 파라미터들에 대한 조절을 행하도록 이용된다.
이 모든 것들 동안, 직경 제어 시스템 (324) 은 주파수 ω 차단하는 필터 (328) 를 통해 자신의 입력을 수신하기 때문에 작은 직경 조정에 의한 영향을 받지 않는다.
지금까지는 단지 결정 표면 근처가 아닌 전체 성장 프론트의 특징을 나타내는 인-시츄 성장 프론트 온도 구배 추정을 위한 공지된 방법이 없다. 그러나, 이러한 정보는 결함 분산 등과 같은 고유 결정 특성을 결정하기 때문에 다수의 CZ 생성물을 위해 강력히 요구된다.
통상의 시스템에 있어서, 고유 결정 특성은 결정이 성장된 후에 분석되고 이러한 정보에 기초하여 온도 구배에 영향을 미치는 파라미터를 처리하는 보정이 행해진다. 복잡하고 그에 수반하여 많은 시간이 소비되는 분석이기 때문에, 이러한 조절은 다음 배치 (batch) 이전에 이용되지 않고 때로는 심지어 그 이후에 이용가능하다.
특정 프로세스 파라미터의 이러한 배치마다의 조절은 어떤 핫 존 재료에 대한 에이징 효과 (aging effect) 를 보상하기 위해 필요하다. 예를 들어, 그 핫 존의 열 반사 차폐의 열 반사도는 시간에 따라 변한다. 핫-존 설계의 중요한 것은, 열 반사가 결정 및 용융물의 특정 온도 구배를 달성하도록 설계되는 것이다. 자신의 관련 재료 특성이 변함에 따라, 결정 및 용융물의 온도 구배들도 변하며, 이것은 예를 들어, 용융물과 열 반사 차폐 사이의 갭을 조절함으로써 보상될 수 있다.
점진적 변화에 더하여, 목표된 구배들로부터의 실제 구배들의 편차를 야기할 수 있는 예상치 못한 인자들이 또한 존재한다. 대부분 이들 인자들은 배치 프로세스에도 불구하고 핫 존이 만들어질 때 허용오차 및 인간 에러와 함께 다뤄져야 한다. 통상의 시스템에서, 이들 인자들은 결정 성장 동안 이미 필요한 정보를 제공할 수 있는 공지된 방법이 존재하지 않기 때문에 전부 보상될 수 없다.
현재 개시된 방법 및 장치는 전체 성장 프론트의 특성을 나타내는 용융물 및 결정의 온도 구배의 인-시츄 결정을 대비한다. 이 방법 및 장치의 결과는 요구된 조건으로부터의 편차를 검출하고, 예를 들어, 도가니 리프트 모터 (314) 를 조정하여 용융물 표면과 열 반사 사이의 갭을 변경함으로써 결정 성장 동안 조절을 행하도록 이용될 수 있다.
상기로부터, 본 발명은 실질적으로 실시간 결정 성장 프론트 (결정-용융물 계면) 에서 온도 구배값의 계산을 허용한다고 이해될 수 있다. 온도 구배들은 결정 직경 제어, 대량으로 도핑된 결정이 성장되는 동안 결정 형태상의 안정성, 및 벌크 결정 마이크로-결함과 같은 고유 재료 특성에 영향을 미치는 중요한 결정 성장 프로세스 파라미터들이다. 개시된 실시형태들은 온도 구배들 GS 및 GL 에 대한 특성 및 평균값의 인-시츄 관찰 및 계산을 위한 일 방식을 제공한다. 획득 된 값은 전체 성장 프론트의 특성을 나타낸다. 실시형태들은 추가적 하드웨어를 요구하지 않고, 이미 현존하는 제어 및 검출기를 이용한다.
또한, 이들 실시형태들은 문제의 성장 조건을 식별하고 결정 성장 프로그램의 성능을 개선하도록 돕는 것을 용이하게 만든다. 개시된 기술에 기초하여, 제어부 내에서 동작하는 성장 제어 소프트웨어는 적극적으로 원하지 않는 성장 조건들로부터 시스템을 멀리하게 하여 변위 응집 (dislocation nucleation), 형태상의 불안정성, 원하지 않은 마이크로-결함 또는 다른 종류의 주요 수율 손실을 방지한다.
이로써, 상기 상세한 설명은 한정적이기 보다 설명적으로서 간주되는 것으로서, 또한 본 발명의 사상 및 범위를 정의하도록 의도되는, 모든 균등물을 포함한 다음의 청구범위가 이해되는 것으로서 의도된다.
도 1 은 예시적인 반도체 결정 성장 장치의 블록도.
도 2 는 도 1 의 장치에서 제조된 반도체 결정의 젖음각 (wetting angle) 및 메니스커스 높이의 변화를 설명하는 분석적 모델을 나타낸 도면.
도 3 은 반도체 결정을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도.
부호의 설명
100: 반도체 결정 성장 장치
102: 제어부
104: 히터 전원
106: 결정 성장 챔버
108: 결정 인상부
110: 결정 샤프트
112: 도가니 구동부
114: 도가니 구동 샤프트
116: 도가니
118: 용융물
120: 히터
122: 반도체 결정
124: 중심축
126, 128, 136, 138: 제어선
130: 카메라
132: 온도 센서
140: 중앙 처리부 (CPU)
142: 메모리
144: 사용자 인터페이스
146: 시드 결정
202: 메니스커스
204: 결정화 프론트
300: 결정 성장 시스템
302: 인상 챔버
304: 결정
306: 도가니
308: 용융물
310: 열 반사기 콘
312: 시드 리프트 모터
314: 도가니 리프트 모터
316: 결정 직경 측정 디바이스
318: 목표 인상 스피드 출력
320: 도가니 용융물 레벨 저하 보상 메커니즘
322: 직경 측정 시스템
324: 직경 제어 시스템
326: 디바이스
328: 필터
330: 필터 함수
332: 온도 구배 추정 시스템
334: 온도 구배 제어 시스템
336, 338: 결합기
340: 히터
342: 히터 제어

Claims (17)

  1. 반도체 결정을 성장시키는 방법으로서,
    용융물 (melt) 로부터 소정의 인상 스피드로 상기 반도체 결정을 인상하는 단계;
    주기적인 인상 스피드를 평균 스피드에 중첩시킴으로써 상기 인상 스피드를 조정하는 단계로서, 상기 평균 스피드는 보정 스피드를 더한 목표 인상 스피드를 포함하는, 상기 조정하는 단계; 및
    상기 중첩된 주기적인 인상 스피드에 대한 응답에 부분적으로 기초하여 상기 반도체 결정 및 상기 용융물의 온도 구배 (temperature gradient) 들을 추정하는 단계를 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 결정의 직경에서의 조정으로서 상기 주기적인 인상 스피드에 대한 응답을 검출하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  3. 반도체 결정을 성장시키는 방법으로서,
    용융물 (melt) 로부터 소정의 인상 스피드로 상기 반도체 결정을 인상하는 단계;
    주기적인 인상 스피드를 평균 스피드에 중첩시킴으로써 상기 인상 스피드를 조정하는 단계로서, 상기 평균 스피드는 보정 스피드를 더한 목표 인상 스피드를 포함하는, 상기 조정하는 단계;
    상기 중첩된 주기적인 인상 스피드에 대한 응답에 부분적으로 기초하여 상기 반도체 결정 및 상기 용융물의 온도 구배 (temperature gradient) 들을 추정하는 단계;
    상기 반도체 결정의 직경에서의 조정으로서 상기 주기적인 인상 스피드에 대한 응답을 검출하는 단계; 및
    상기 반도체 결정의 직경의 변화에 기초하여, 상기 용융물 및 상기 반도체 결정의 결정 성장 프론트 (growth front) 에 대한 열 구배 (thermal gradient) 들을 결정하는 단계를 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정된 열 구배들에 기초하여, 목표 인상 스피드 또는 용융물 갭을 포함하는 관련 프로세스 파라미터들을 조절하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    검출된 직경 조정으로부터 추론된 상기 용융물의 메니스커스 높이의 변화로서 상기 주기적인 인상 스피드의 조정에 대한 응답을 검출하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  6. 반도체 결정을 성장시키는 방법으로서,
    용융물 (melt) 로부터 소정의 인상 스피드로 상기 반도체 결정을 인상하는 단계;
    주기적인 인상 스피드를 평균 스피드에 중첩시킴으로써 상기 인상 스피드를 조정하는 단계로서, 상기 평균 스피드는 보정 스피드를 더한 목표 인상 스피드를 포함하는, 상기 조정하는 단계;
    상기 중첩된 주기적인 인상 스피드에 대한 응답에 부분적으로 기초하여 상기 반도체 결정 및 상기 용융물의 온도 구배 (temperature gradient) 들을 추정하는 단계;
    검출된 직경 조정으로부터 추론된 상기 용융물의 메니스커스 높이의 변화로서 상기 주기적인 인상 스피드의 조정에 대한 응답을 검출하는 단계; 및
    상기 메니스커스 높이의 변화에 기초하여, 상기 용융물 및 상기 반도체 결정의 결정 성장 프론트에 대한 열 구배들을 결정하는 단계를 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 결정된 열 구배들에 기초하여, 목표 인상 스피드 또는 용융물 갭을 포함하는 관련 프로세스 파라미터들을 조절하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  8. 반도체 결정 성장 장치로서,
    용융물 (melt) 을 수용하는 도가니;
    상기 도가니로부터 소정의 인상 스피드로 결정을 인상하도록 배치된 결정 인상부; 및
    상기 결정 인상부에 제어 신호를 제공하여 상기 인상 스피드가 주기적인 인상 스피드를 평균 인상 스피드에 중첩시킴으로써 조정되어 상기 인상 스피드를 제어하도록 상기 결정 인상부와 연결된 제어부로서, 상기 평균 인상 스피드는 보정 스피드를 더한 목표 인상 스피드를 포함하는, 상기 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 중첩된 주기적인 인상 스피드에 대한 응답에 부분적으로 기초하여 상기 반도체 결정 및 상기 용융물의 온도 구배 (temperature gradient) 들을 추정하도록 구성된, 반도체 결정 성장 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부와 연결되고 상기 결정의 직경을 측정하도록 구성되어 상기 결정의 직경에서의 변화로서 상기 인상 스피드의 조정에 대한 응답을 검출하는 것을 포함하는 결정 직경 센서를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 결정의 직경에서의 변화에 기초하여 상기 용융물 및 상기 결정의 결정 성장 프론트에 대한 열 구배들을 결정하도록 구성되는, 반도체 결정 성장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 결정된 열 구배들에 기초하여 상기 인상 스피드를 조절하도록 더 구성되는, 반도체 결정 성장 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    데이터 및 명령들을 저장하는 메모리; 및
    상기 저장된 데이터 및 명령들에 응답하여 상기 인상 스피드 및 상기 인상 스피드의 조정을 결정하고 상기 결정 인상부를 위한 상기 제어 신호를 생성하도록 동작하는 처리부를 포함하는, 반도체 결정 성장 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    인상 스피드 조정 응답을 검출하고 상기 인상 스피드 조정 응답을 나타내는 데이터를 상기 제어부에 제공하기 위해 상기 제어부와 데이터 통신하는 하나 이상의 센서들을 더 포함하는, 반도체 결정 성장 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    목표 인상-스피드 또는 용융물 갭을 포함하는 관련 시스템 파라미터에 대한 보정을 결정하기 위해 상기 인상 스피드 조정 응답을 나타내는 상기 데이터에 응답하는 명령들을 포함하며, 상기 메모리에 저장되는 애플리케이션을 더 포함하는, 반도체 결정 성장 장치.
  15. 공칭 인상 스피드 신호를 발생시키는 단계;
    상기 공칭 인상 스피드 신호에 응답하여, 도가니 내의 용융물 (melt) 로부터 공칭 인상 스피드로 결정을 인상하는 단계;
    상기 결정의 직경을 측정하는 단계;
    상기 측정된 직경에 기초하여, 인상 스피드 보정 신호를 발생시키고 상기 인상 스피드 보정 신호와 상기 공칭 인상 스피드 신호를 결합시키는 단계;
    상기 공칭 인상 스피드를 소정의 주파수의 주기적인 신호와 중첩시키는 단계;
    상기 중첩된 주기적인 신호에 대한 응답에 부분적으로 기초하여 상기 결정 및 상기 용융물의 온도 구배 (temperature gradient) 들을 추정하는 단계; 및
    도가니 리프트 신호를 조절함으로써 상기 결정의 상기 온도 구배를 보정하는 단계를 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정된 직경에 기초하여, 상기 주기적인 신호에 기초한 주기적 성분을 갖는 직경 측정 신호를 생성하는 단계;
    상기 직경 측정 신호로부터 상기 주기적인 신호의 소정의 주파수를 필터링하여 직경 제어 입력 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 직경 제어 입력 신호에 기초하여 상기 인상 스피드 보정 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 직경 측정 신호에 기초하여 신호 진폭 및 시간 시프트를 추정하는 단 계;
    상기 주기적인 신호의 소정의 주파수 및 진폭과 상기 추정된 신호 진폭 및 시간 시프트에 기초하여 상기 온도 구배들을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 온도 구배들에 기초하여 도가니 리프트 신호에 대한 보정을 생성하는 단계를 더 포함하는, 반도체 결정 성장 방법.
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