TW201120258A - Method for pulling a single crystal composed of silicon with a section having a diameter that remains constant - Google Patents

Description

201120258 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於-種用於拉伸具有直徑保持不變之區段之石夕單晶的 方法。該單晶係於以-特定拉伸速率Vp㈣财所㈣㈣提升 該單晶體種晶的同時生長。該方法之目的在於獲得—盡可能長之 具有狀期望直徑之圓柱體區段㈣單晶，其適於進—步加工成 半導體晶圓。溶體内之溫度波動會影響該單晶生長之結晶速率V。 若其拉伸速率Vp與結晶速率V不相符，_單晶的直徑會變化。 # 因此需要藉由調節直徑使自熔體中的溫度波動所引起之相對於期 望直徑的直徑偏差最小化。 【先前技術】 藉由調節拉伸速率Vp和/或·圍繞麵堝安置的加熱源將奴 量提供給娜體而修正相對於期望直徑的偏差，進而在獨立思考 情況下圓滿地使直徑保持不變之區段之直徑相對於期望直徑的偏 差滿足盡可能小的要求。若同時要求在生長的單晶與炼體之間的 力介面處的結晶速率讀軸向溫度梯度G的商數*必須保持在 攀-個窄的範_，則明顯地更難以滿足該要求^常這是被要求 的，因為v/G肖於不論是該單晶中料本徵點缺陷之空缺 (“vacancies”）還是矽原子間隙（“imemitiais”）有其決定性。 在過餘和時’线切原子_㈣成為更大的單元，並形成缺 陷，如流動圖案缺陷（fl。w pattern defects，FPDs )或大㈣坑（一 etch pits ’ Lpits)。通常必須避免這些缺陷形成，但這僅在拉伸直 徑保持不變之區段V/G㈣在盡可能f的界限内時才能實 現。因為-方面拉伸速率％對於由㈣中之溫度波動弓丨起之變化 201120258 的結晶速率V的適應容易造成離開V/G之窄界限結果，另一方面 藉由圍繞坩堝安置之加熱源改變對該熔體的熱量供給來校正改變 的結晶速率V’會造成相對於期望直徑的偏差，所以直徑保持不變 之區段之直徑符合所欲直徑的要求與使V/G保持在窄界限内的要 求係相矛盾。因此，難以在必忽略V/G的調節之情形下將直徑調 節至期望直徑，反之亦然β 1 EP 1 541 721 AU苗述了用於調節直徑的措施和用於調節v/g的 措施’但無法解決上述矛盾。 0 【發明内容】 本發明之目的在於提供—改進方法，包含有效地調節直徑，並 同時可靠地避免必須接受非所欲之缺陷的形成，#Fpmpits。 該0的係藉由一用於拉伸具有直徑保持不變之區段的石夕單晶的 方法來實現，包含： 以一單位為[毫米7分鐘]之預定的期望拉伸速率vP拉伸該單晶’· 以用

^ — (2M8毫米）/vP的週期T校正直徑波動的方式， 藉由調即-第—加熱源的加熱功率’來調節該直徑保持不變之區 段内t單晶直徑至—狀的期望直徑，該第—加熱源係提供熱量 -該單晶及炫體與單晶鄰接的區域，且係設置在該熔體上方。 不同於EP 1 541 721 A1中所述之方法，轉明方法省略了以拉 伸速率Μ“調㈣柱麵段之直㈣操縱變數4方式避免了 ^於調節直徑而造成拉伸速率％與結晶速率ν之間的偏差。反而， 3由第-加熱源的加熱功率來調節該直徑，其中該第一加熱源係 201120258 提供熱量給單晶及㈣與該單晶鄰接的區域，且係設置在該炫體 上方。 EP 0 866 150則示了此類加熱源的使用具有力著相介面之軸 向溫度梯度G為均勻的效果。 EP 0 926 270 A1揭示了此類加熱源的使用適於減小直徑波動和 拉伸速率之波動。 若同時考慮這兩篇文獻，則有理由證明，不可能藉由將調節拉 伸速率vP而調節直徑的方式替代為與此不同之將安置在炼體上方 之加熱源的加熱功率作為操縱變數的調節方式，來解決前述矛 盾因為根據EP 0 866 150 A卜該加熱源的使用也會造成轴向溫 度梯度G的改變’㈣也會造成祕確定缺陷特性之商數的 改變。 但如本發明人所發現，若用—以不長於（2χΐ8毫米）〜的週期 T校正直徑波動，則對於商數V/G的影響不會造成不利的後果。 若遵？ 4條件’則此藉由擴散和相互驟冷而減少該徵點缺陷的濃 度差》^朗期更長，則具過量线的區域所朗的長度使得石夕 原子間隙之擴散長度（約為18毫米）不再足以相互驟冷。 【實施方式】 以下藉由附圖更詳細地闡述本發明。 第1圖所示為自坩堝3中所含之熔體2拉伸矽單晶1之直徑保 持不變之區段（圓柱體區段）時的狀況。所示之爐構造（“熱區”） 特別適用於進行本發明。其包含-設置在炼體2上方且圍繞生長 中之早晶1之第一加熱源4、一為單晶丨遮蔽熱輻射且以圍繞單晶 1及第一加熱源4之方式安置之隔熱板5、一以在第一加熱源4上 201120258 方且圍繞單晶1之方式安置之用於冷卻該單晶1的裝置6'-用於 在溶體2上產生以及施加—磁場且較佳為場的裝置7以及 1繞_ 3安置的第二加熱源8。第-加熱源4的底表面與炼體 2的表面之間的距離〇較佳為3〇 权料30至7G毫米。單晶丨的側表面與 第一加熱源4的内表面之間的距離d較佳為10至50毫米。、 未說明之調節系統包含—具有用於光學測量直徑之照相機和圖 ^加工的單元、—在測得相對於期望直徑之直徑偏差時用於調節

第一加熱源4之加熱功率的piD調節器以及一在測得第—加執源 4之加熱功率相對於財曲線之偏差時用於調節第二加熱源8之 加熱功率的PID調節器。 第2圖所示為拉伸速率 #_ 女置在熔體上方之第一加熱源的加 …“ LstR以及圍繞㈣安置之第二加熱源的加熱功率[仙的血 型預定曲線。選擇該預定曲線以使商數v/G在無擾動的進程化 伸早晶的圓柱體區段時盡可能保持值定，且其較佳為不會造成本 2點缺陷積累之數值。借助於商用模_序可以為預定之爐構造 ^轴向溫度梯度G隨時間的發展情況。同樣地可藉由試驗地拉 伸之單晶之喊面内之缺时佈情況的評估。 溶體内的溫度波動尤其係在拉伸單晶之直徑保持不變之區段開 始時產生’通常係因對朗造成，㈣纽動為纽變結晶速率v =擾動，且在不進行校正性干預的情況下還會造成單晶直徑的 •菱。為期望直徑所進行之直徑調節亦會進而校

成之結晶㈣V相對於狀結晶 ，，H 圮丰的偏差。根據本發明，當此 Γ動產生時’係藉由調節第一加熱源之加熱功率作為用於調節 直之調鞋的操縱變數以實現校正性干預，具體而言，係以不 7 201120258 長於（2x18毫米）/Vp的週期τ校正直徑波動。寬度平均為±1千 瓦的功率帶通常足以調節直徑。第—加熱源較佳具可以輸出最高 25千瓦之峰值功率之熱的規模。 第3圖所不為由熱擾動引起的結晶速率ν的改變以及作為對此 作出的反應藉由調節第—加熱源的加熱功率進行的校正如何影響 本徵點缺的H條件係對於無擾動的情況選擇拉伸速率％的 預定曲線、第-加熱源的加熱功率LstR的預定曲線以及第二加熱 源的加熱功率LstF的預定曲線，從而使得商數—㈣於一個臨 界值，在該臨界值時不會過量形成线㈣原子_。該調節過 程因此造成結晶速率v及商數V/G的週期性波動。結晶速率v的 ，動造成交替地形成空缺過量的晶體區域V和矽原子間隙過量的 晶體區域I。在單晶生長方向上的晶體區域的長度大約對應於在波 動的半週期期間生長的晶體長度。因此，藉由在第3圖中由雙箭 頭所τι、之職陷擴散可以充分地藉由相互消除而減少過量情況， 個曰a體區域的長度應當不大於擴散長度或18毫米。為了確保這 :點二須以一個時間常數藉由調節第一加熱源的加熱功率而調 郎直控’該時間常數足夠短，從而對於預定的拉伸迷率Vp獲得一 個持續時間，在此持續時射晶體區域不會達_過18毫米的長 L其條件係週期T不長於（2X18毫米）/Vp[分鐘]。根據树明 ^的直㈣節對軸向溫度梯度G的影響在短時間内係小的尤 二到在5亥生長單晶的中心的軸向溫度梯度G的影響。因為藉由 向著該單晶邊緣的徑向擴散而減少本徵點缺陷的過量情況^以 在單晶邊緣附近的軸向溫度梯度的改變有利於形成—種本微: 陷，且不會產生不利影響。 ·‘、 201120258 J 4圖所示為由於調節第一加熱源之加熱 反應而造成之_v在直徑保持不變的區=

定結晶。该結晶速率V圍繞在與所預直徑成比例的預 °曰3、以、疋的振幅和頻率波動，在該預定結晶速率下不會 二見本徵點缺陷過量的情況。向著更高結晶速率的偏差產生心 的晶體區域V’㈣著更低結晶速率的偏差產生以砂原子 ==主的晶體區域】。根據本發明調節該直徑以及由此調節該結 曰二“，，而使週期T不長於㈤8毫米）/Vp[分鐘]。因此， 以固時f曰U數進行調節，該時間常數足夠短，進而無法生長其 中=本㈣缺陷占主要地位並且長度超過18毫米的晶體區域。 :調即圍繞㈣女置之第二加熱源的加熱功率㈣從而調節 保持不變之區段㈣單晶直徑，並不適合作為-種替代方 案。由該㈣和㈣形成的熱質量避免對於熱擾動作以夠迅速 的反應。但將第二加熱源的加熱功率_作為用於後期調節第一 加熱源的加熱功率LstR相對於預定曲線的偏差的操縱變數，係有 利地且較佳地，尤其在更長的時段_續存在偏差的情況下。然 後其亦顯示為商數V/G在單晶$心的擾動。雖然本徵點缺陷徑向 擴散’但無法消除該擾動。例如在第—加熱源的加熱功率相對於 預定曲線的偏差平均存在長於（2xl8毫米）& [分鐘]的情況下， 藉由改變第二加熱源的加熱功率而修正該偏差，進而影響該後期 調節。 實施例： 選擇拉伸速率Vp的預定曲線、第一加熱源的加熱功率㈣的預 201120258

定曲線及第二加熱源的加熱功率LstF的預定曲線，進而在血擾動 的過程中不發生FPDdLpits形式的本徵點缺陷的積聚，利用這 些預定曲線拉伸期望直徑為305毫米的石夕單晶。第一加熱源4的 底表面與㈣2的表面之間的距離D為5G毫米，而單晶i的側表 面與第一加熱源4的内表面之間的距離0為3〇毫米（第】圖）。 在對應直徑保持不變之區段之狀生長長度L的晶體生長期間的 不同時間點，藉由在長度15G毫米及彻毫米處將第二加熱源的 加熱功率LstF跳躍性降低i千瓦（擾動1和2)以及在長度㈣ 毫米及_毫米處跳躍性升高1千瓦（擾動3和4)(第$圖》進 而在熔體中引發熱擾動。 對於造成直徑改變的這些熱擾動作出的反應涉及在擾動i和3 的情況下在長度150毫米和65〇毫米處調節拉伸速率％及在擾動 2和4的情況下在長度彻毫米和毫米處調節第—加熱源的加 熱功率LstR’其中在藉由LstR進行調節時以小於（2χΐ8毫米 的週期T校正直徑波動。 在第5圖所示的結果中，在藉由調節拉伸速率vP而調節直徑時， 僅在對於擾動1和3作出反應的情況下FPDs和Lpits形式的本徵 點缺陷才發生非所欲的積聚。 【圖式簡單說明】 第1圖所示為自坩堝3中所含之熔體2拉伸矽單晶1之直徑保 持不變之區段（圓柱體區段）時的狀況； 二 第2圖所示為拉伸速率％、安置在熔體上方之第一加熱源的加 熱功率LstR以及圍繞㈣安置之第二加熱源的加熱功率㈣的典 型預定曲線； ^ 201120258 第3圖所示為由熱擾動引起的結晶速率v的改變以及作為對此 作出的反應藉由調節第一加熱源的加熱功率進行的校正如何影響 本徵點缺陷的形成； 第4圖所示為由於調節第一加熱源之加熱功率作為對於所實施 的熱擾動的反應而造成之結晶速率v在直徑保持不變的區段内的 單晶長度上的波動；以及 第5圖所示為在调郎各參數之情況下，fpds和[pits形式之本 徵點缺陷的積聚情形。

【主要元件符號說明】 單晶 2 :熔體 坩堝 第一加熱源 隔熱板 6 7 冷卻單晶1的裝置 產生及施加—磁場之裝置 8:第二加熱源 dD:f:;熱源4之底面與熔體2之表面間的距離 L:2的側表面與第一加熱源4的内表面之間的距離

LstR:第一加熱源4的加熱功率 LStF :第二加熱源8的加熱功率 v :結晶速率 V、I ·晶體區域 201120258

Vp :拉伸速率 FPDs :流動圖案缺陷 Lpits :大钱刻坑

Claims (1)

1. 201120258 七、申請專利範圍： i. 一種用於拉伸具有直徑保持不變之區段之由矽構成之單晶的 方法，包含： VP拉伸該 以一單位為[毫米/分鐘】之預定的期望拉伸速率 車晶，以及 ㈣I川8¾米）、的_丁校正直徑波動的 方式，藉由調節-第-加熱源的加熱功率，來調節該直 不變之區段内之單晶的直徑至一預定的期望直徑，該第-加教 源絲供熱置給該單晶及溶體與該單晶鄰接的區域，且係安置 在該溶體上方。 2.如請求項1之方法，包含： 藉由一第二加熱源的加熱功 熱功率，盆中兮笛μ⑽原的加 传以圍繞％: 〇、源係提供熱量給該單晶及該熔體，且 係以圍繞-裝有該熔體之_的方式設置。

   13