TW201814092A - 從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法 - Google Patents

從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法，其包括在單晶的初始錐體生長的階段抽拉單晶，直到抽拉單晶的圓柱形部分開始的階段。該方法包括： 測量單晶的初始錐體的直徑Dcr，並計算直徑的變化dDcr/dt； 從時間點t1到時間點t2，以抽拉速率vp(t)從熔體抽拉單晶的初始錐體，從時間點t2起始，開始單晶的圓柱形部分的抽拉，目標直徑為Dcrs，其中藉由反覆運算計算方法，預先確定在抽拉初始錐體期間從時間點t1到時間點t2的抽拉速率vp(t)的曲線。

Description

從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法
本發明係關於一種從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法，其包括在單晶的初始錐體生長的階段（phase）抽拉單晶直至抽拉單晶的圓柱形部分開始的階段。
現有技術／問題
根據柴可斯基（Czochralski）方法而生產由半導體材料構成的單晶的目的通常是得到可以獲得最大數量的半導體晶圓的單晶。單晶的形狀包括較短的錐形部分或初始錐體以及較長的圓柱形部分。半導體晶圓是從圓柱形部分獲得。因此，抽拉單晶包括其中初始錐體生長的階段和圓柱形部分生長的階段。 抽拉從初始錐體至圓柱形部分的轉變（transition）係稱為放肩（shouldering）。
在放肩階段，將單晶直徑閉環（closed-loop）控制為目標直徑並不推薦，這是因為單晶直徑的必要測量係受到干擾。生長中單晶（growing single crystal）的直徑僅可以在最初直接測量，只要亮環（bright ring）在彎液面（meniscus）處並不可見。術語彎液面表示從熔體表面上升到生長中單晶的下緣的熔體部分，其由於表面張力和介面張力效應而形成。單晶較近的周圍的發光熱部分（glowing hot part），例如坩堝壁，係被反射於彎液面中。坩堝壁的反射被認為是來自生長中單晶和熔體之間的相界區域之相機記錄（camera recording）上的亮環。亮環的外觀係將亮／暗轉變向外移動，因此不可能直接測量單晶的直徑和基於其的直徑的閉環控制。
WO 01/29292 A1描述了一種方法，其包括預測開始放肩時達到的直徑，具體而言，當達到預測直徑時，抽拉速率係從第一個設定點的抽拉速率增加到第二個設定點的抽拉速率。
該方法並不特別靈活，這是因為放肩不能以任意直徑開始，而是僅在預測直徑處開始。
本發明的目的是提供一種不具有該限制的方法。
本發明的目的藉由一種從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法而實現，該方法包括在單晶的初始錐體出現的階段抽拉單晶直到抽拉單晶的圓柱形部分的開始階段，包括測量單晶的初始錐體的直徑Dcr並計算直徑的變化dDcr/dt； 從時間點t1到時間點t2，以抽拉速率vp(t)從熔體中抽拉單晶的初始錐體，從時間點t2起始，開始單晶的圓柱形部分的抽拉，目標直徑為Dcrs，其中藉由反覆運算計算方法，預先確定在抽拉初始錐體期間從時間點t1到時間點t2的抽拉速率vp(t)的曲線（profile）。
該方法使其能夠在時間t1內的任意時刻開始放肩，並藉由抽拉速率的開環（open-loop）控制而達到目標直徑。所述目標直徑是意欲具有的單晶圓柱形部分的直徑。
依據本發明的一個較佳配置，對生長中單晶進行供熱還包括藉由環形加熱裝置將熱量供至單晶邊緣與熔體之間的相界。將環形加熱裝置設置於熔體上方。熱量的供應係至少在時間點t1到時間點t2的時間段內進行，較佳也至少在抽拉單晶的圓柱形部分的期間進行。在從時間點t1到時間點t2的期間，預先確定了環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)的曲線，這是基於單晶的生長速率vcr(t2)在時間點t2達到了假定值vcrs。
具體而言，已經知道單晶中的點缺陷的濃度和點缺陷的主要種類的類型係非常重要地取決於商vcr/G的值，其中G為在單晶與熔體之間的相界處的軸向溫度梯度。軸向溫度梯度G實質上係由熱區（hot zone）決定，熱區是指生長中單晶的較近的周圍，其對單晶和熔體中的溫度場（temperature field）具有影響。對於特定的熱區，軸向溫度梯度G可以藉由模擬計算而大概測定。
因此，在時間點t2處的單晶的生長速率vcr(t2)係較佳假定一個值，該值會導致商vcr(t2)/G具有一期望設定點值。依據該方法的一個特別佳的配置，所述商的期望設定點值係位於一個範圍內，其結果為僅在較低的濃度下單晶中會形成點缺陷，並且不會形成點缺陷的附聚物（agglomerate）或僅形成直徑不大於5奈米的附聚物。再者，特別佳的是，商的設定應使空位（vacancy）或者間隙（interstitial）在單晶的整個半徑上是主要的點缺陷種類。
藉由確保商vcr(t2)/G已經在時間點t2處具有設定點值，在該點處開始單晶的圓柱形部分的拉伸，避免了產量損失，若僅在達到單晶圓柱形部分的目標直徑之後，商的值必須適應於設定點值，則會引起產量損失。所述環形加熱裝置可以例如體現為US 2013/0014695 A1中描述的加熱裝置，並且可以例如依US 2008/0153261 A1所示而佈置。
本發明提供了如下所述的順序。半導體材料，較佳為矽，係在坩堝中熔化。單晶種晶（seed crystal）的尖端係浸入該熔體中，並將種晶從熔體中抽拉出來，其中附著於種晶上的熔體材料係結晶。首先，抽拉頸狀部分（頸部（neck））以消除位錯（dislocation）。
然後，生長中單晶的直徑係延長，這是由於初始錐體出現。在該階段直到開始放肩的時間點t1，較佳以包括閉環控制的方式抽拉單晶。閉環控制可以是關於單晶直徑而進行的閉環控制。較佳係使用關於晶體角度的閉環控制，即其中預定參考變數為期望形成在相界區中的初始錐體之間的晶體角度的閉環控制，其中所述相界相對於熔體和垂直方向。該閉環控制例如描述於WO 00/60145 A1中。
與閉環控制的類型無關，同時測量初始錐體的直徑Dcr。只要沒有形成亮環，則可以藉由評估顯示相界區的相機圖像而直接測量直徑。若亮環已經可見，則測量亮環的直徑，並基於此計算初始錐體的直徑Dcr。該程序例如描述於EP 0745830 A2中。直徑Dcr和亮環直徑Dbr之間的關係係由等式（1）表示，其中Dbr(MenH(t))表示亮環的寬度，所述寬度係取決於彎液面高度MenH，其又是時間t的函數：（1） 所測量的直徑信號係在進一步處理之前進行有利濾波，以便抑制雜訊。藉由形成直徑的時間導數（time derivative）而獲得初始錐體的直徑變化dDcr/dt。初始錐體的直徑變化dDcr/dt係形成輸出變數，用於隨後確定相界處彎液面的高度MenH和高度變化dMenH / dt。
首先，等式（2）建立了與晶體角度βcr 的關係，其中應用等式（2）的先決條件是所得晶體角度βcr 至少在較近的時間內實質上保持不變：βcr （2） 若對於抽拉初始錐體的閉環控制，係使用關於晶體角度的閉環控制並且提供恆定的晶體角度作為參考變數，則這個先決條件則通常被實現。
晶體角度βcr 係小於彎液面角度β，其中通常將11°假定為對於矽的差。
有多種將彎液面的高度與彎液面角度β相關聯的手段，例如WO 01/29292 A1中胡爾樂（Hurle）提到的解決方案或拉普拉斯-陽氏（Laplace-Young）等式的解決方案（A. 薩巴恩斯基斯（Sabanskis）等，用於暫態CZ矽晶體生長的晶體形狀二維建模（Crystal shape 2D modeling for transient CZ silicon crystal growth）， 晶體生長期刊（Journal of Crystal Growth） 377 (2013) 9-16）。使用這樣的關係，可以保持將彎液面高度MenH分配給彎液面角度β的分配表（assignment table）（查閱資料表（look-up table））。因此，藉由分配表可以確定彎液面的當前高度MenH及其相對於時間的變化dMenH / dt。
根據等式（3），抽拉速率vp係對應於單晶的生長速率vcr，條件是彎液面的高度沒有變化：（3） 若彎液面高度變化，則該變化必須從抽拉速率vp中減去，以得到生長速率vcr。在上述晶體角度βcr 至少在一定時間內保持不變的前提條件下，在該時間段內，彎液面高度MenH也沒有變化，並且單晶的當前生長速率vcr係對應於抽拉速率vp。
然後可以用此方式定義時間t1中任意時間點的初始錐體的關於其直徑、彎液面高度和生長速率的狀態：直徑為Dcr(t1)，彎液面高度為MenH(t1)且生長速率為vcr(t1)。
藉由彎液面高度MenH的資訊，也可以獲得差異DMenH = MenHs – MenH的大小（magnitude）的資訊，其中彎液面高度MenHs是指抽拉單晶的圓柱形部分所需的彎液面高度。當達到彎液面高度MenHs = 7毫米時，如果半導體材料是矽的話，則彎液面角度β = β0 = 11°。
為了達到彎液面高度MenHs，在時間點t1處提高抽拉速率。生長速率vcr係隨著彎液面高度而變化，其中該變化可以藉由等式（4）以一般形式描述，其中f(MenH(t))是彎液面高度MenH的函數，其又取決於時間t：
用常數factor可以大概假定依據等式（5）的線性關係，其可以藉由實驗或模擬而確定：（5）
在時間點t2處的生長速率vcr(t2)可以用簡單的方式由初始條件而得出，例如根據等式（6）或者根據等式（7）之更通常的形式，其中f是可自由選擇的將彎液面高度關聯到生長速率的函數：（6）（7）
在本文中所考慮的生長速率vcr是單晶的生長速率的分量，其方向與拉伸速率vp的方向相反。根據本發明，藉由等式（8）和（9）的反覆運算數值評估而對間隔Dt = t2 – t1的抽拉速率vp(t)的大概曲線進行了預先確定：
此時，利用所得到的差異DMenH的資訊：若在時間點t2達到彎液面高度MenHs並因此達到直徑Dcrs，則DMenH 係對應於間隔Dt = t2 – t1內抽拉速率vp(t)的曲線下面的面積減去同一間隔內生長速率vcr(t)的曲線下面的面積。
首先，預先決定了抽拉速率的計畫曲線，原則上該曲線可以是任意的。例如，在其中vp(t) – vcr(t)相對於時間t而繪製的圖中，在間隔Dt 處，曲線具有矩形、三角形或梯形的形狀。在簡單的情況下，該形狀為矩形。在抽拉速率vp(t)相對於時間t而繪製的圖中，所述區域的矩形形狀變為平行四邊形。對於抽拉速率vp(t)的曲線，平行四邊形的面積係對應於彎液面高度的所需變化DMenH，以達到彎液面高度MenHs，先決條件是間隔Dt 的長度是正確的，此長度僅在最初進行假定。通常而言，情況並非如此。進行反覆運算計算方法以確定所述間隔的正確長度。藉由解出等式（9），進行檢查以確定所假定的間隔Dt的長度是否正確。若在時間點t2達到目標直徑Dcrs，就是此種情況。若在時間點t2未達到目標直徑Dcrs，則假設更長的間隔Dt，並且相應地擴大抽拉速率vp(t)曲線的形狀，並且重複反覆運算計算方法直到發現間隔Dt 的正確長度。若在時間點t2處超過目標直徑Dcrs，則假設更短的間隔Dt ，並且相應地壓縮抽拉速率vp(t)曲線的形狀，並且重複反覆運算直到發現間隔Dt 的正確長度。當間隔Dt 的假定長度得到目標直徑Dcrs或者直徑與目標直徑的偏差被認為仍可接受的時候，所述反覆運算計算方法結束。在該等情況下，間隔Dt 的假定長度係對應於正確的長度。
然後，在時間點t2處初始錐體相對於其直徑、彎液面高度和生長速率的狀態可以用此方式而指定：直徑為Dcrs，彎液面高度為MenHs，生長速率為vcr(t2)。
上述程序可以在任意時間點t1處開始放肩，並且能夠在達到目標直徑Dcrs的間隔Dt 中完成該過程，隨後能夠藉由抽拉單晶的圓柱形部分而繼續抽拉單晶。較佳地，使用閉環控制來抽拉單晶的圓柱形部分。
在時間點t2達到目標直徑Dcrs時，生長速率vcr(t2)不必等於假定的生長速率vcrs。依據本發明方法的較佳實施態樣，在時間點t2的單晶生長速率vcr(t2)假設為導致具有期望設定點值的商vcr(t2)/G的值，或者換句話說，在時間點t2的商具有值vcrs/G。
為了實現這一點，在間隔Dt期間，生長速率vcr(t)係按藉由以下事實的計劃方式而改變：藉由對環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)進行開環控制而使熱量供至單晶邊緣和熔體之間的相界，其中環形加熱裝置佈置於熔體的上方。在從時間點t1到時間點t2的時間段，預先確定環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)的曲線，效果是，由於將熱量供至相界，在時間點t2處的單晶生長速率vcr(t2)具有假定值vcrs。環形加熱裝置較佳係相對於熔體上方的初始錐體而同軸排列。
為了在間隔Dt 中發現加熱功率LstR(t)的合適曲線，假設與間隔Dt內的生長速率vcr(t) 曲線的關係，該關係可以是線性或非線性的，且可以藉由實驗或模擬而發現。為了簡單起見，例如假設由等式（10）表示的線性關係。
常數const例如可以藉由實驗或模擬而確定。為了將間隔Dt 內的在時間點t1處的生長速率vcr(t1)改變為在時間點t2處的生長速率vcrs，因此需要加熱功率的變化，其與假定的生長速率的變化Dvcr = vcrs – vcr(t1) 成正比，並且可以基於Dvcr的資訊而得到。
如所述，預先確定間隔Dt 內抽拉速率vp(t) 的曲線，區別在於反覆運算計算方法係將生長速率vcr(t)曲線作為基礎，在間隔Dt內，在時間點t2處的生長速率為生長速率vcrs。 在反覆運算計算方法結束時，對於間隔Dt ，抽拉速率vp(t)的曲線和生長速率vcr(t)的曲線以及由於上述關係而亦有的加熱功率LstR(t)的曲線係得以固定，並且在開環控制下，抽拉速率vp(t)和加熱功率LstR(t)係以與時間點t1之後的相應曲線對應的方式而改變。
然後，在時間點t2處初始錐體關於其直徑、彎液面高度和生長速率的狀態可以用此方式而指定：直徑為Dcrs，彎液面高度為MenHs，生長速率為vcrs。
預先確定間隔Dt 內的抽拉速率vp(t)的曲線，或者預先確定間隔Dt內的抽拉速率vp(t)的曲線和間隔Dt 內加熱功率LstR(t)的曲線，係較佳在抽拉設備（pulling installation）的PLC單元（可程式設計的邏輯控制器（programmable logic controller））中進行，從而確保反覆運算計算方法足夠快地進行並且在時間點t1或稍後結束。
如下參考圖式對本發明進行更詳細的說明。.
第1圖示意性地顯示在生長中單晶的邊緣和熔體之間的相界的環境。該圖顯示了在固相、液相和氣相（s、l、g）之間的相界TRP（三相點（triple point）），其中固相s係由初始錐體形成，且液相l係由熔體形成。朝向單晶的邊緣，使熔體升高以形成從熔體表面ML上升到彎液面高度MenH上方的彎液面。
第2圖為抽拉速率vp和生長速率vcr的差（vp-vcr）相對於時間間隔Dt內的時間t的圖。基於三個實施例，可以看出如何選擇間隔Dt 內的vp的計畫曲線，即圖中的曲線應分別是矩形、三角形和梯形。
第3圖為差Dvcr相對於彎液面高度MenH的圖。實線描述了可以大約假定的線性關係；虛線描述了一個非線性關係，其看作特別是如果差值Dvcr較大時的替代方案。
第4圖是生長中單晶的直徑Dcr相對於時間t的圖。在反覆運算計算方法中，進行檢查，以確定在假定間隔Dt內的拉伸速率vp和生長速率vcr的假定曲線的情況下，單晶直徑是否在間隔結束時達到目標直徑Dcrs。通常而言，所述檢查首先產生對應於大於或小於目標直徑Dcrs的虛線的最終直徑。在保持拉伸速率vp和生長速率vcr的假定曲線的形狀的同時，間隔的長度會相應變化，並且使反覆運算計算方法繼續，直到檢查產生對應於實線的直徑，因此得到間隔Dt結束時的目標直徑Dcrs。
第5圖是抽拉速率vp和生長速率vcr相對於時間t的圖。在每種情況下圖示三個不同的曲線對，二個為由虛線表示的抽拉速率vp的曲線，以及一個其中實線表示抽拉速率vp的曲線的曲線對。各個曲線對之間的區域具有相同的大小，並且對於從時間點t1起必須按順序克服的彎液面高度，代表相同的差值DMenH，以獲得抽拉單晶圓柱形部分所需的彎液面高度MenHs。從具有抽拉速率vp的虛線曲線的曲線對進行，反覆運算計算方法的結果是，若實現了其中實線表示抽拉速率vp的曲線的該曲線對，則達到了目標直徑Dcrs。只有在該曲線對的情況下，間隔Dt才具有正確長度。
第6圖是抽拉速率vp和生長速率vcr相對於時間t的圖。該圖顯示了在間隔Dt = t2 – t1 內的抽拉速率vp和生長速率vcr的典型曲線，以及在間隔Dt = t2* - t1內的抽拉速率vp*和生長速率vcr*的典型曲線，其具有如下效果：在間隔結束時，單晶的直徑達到目標直徑Dcrs。vp、vcr和Dt = t2 – t1的曲線是反覆運算計算方法的結果，其不藉由開環控制環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)而提供生長速率朝向假定的生長速率vcrs的預計變化。vp*、vcr*和Dt = t2* – t1的曲線是反覆運算計算方法的結果，其藉由開環控制環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)而提供生長速率朝向假定的生長速率vcrs的預計變化。
TRP‧‧‧單晶邊緣和熔體之間的相界
ML‧‧‧熔體表面
MenH‧‧‧彎液面高度
MenHs‧‧‧圓柱形部分生長期間的彎液面高度
s‧‧‧固相，初始錐體
l‧‧‧液相
g‧‧‧氣相
β0‧‧‧β和 βcr之間的差
β‧‧‧初始錐體生長期間的彎液面角度
βcr‧‧‧晶體角度
vp、vp*‧‧‧抽拉速率
vcr、vcr*‧‧‧生長速率
vcrs‧‧‧假定的生長速率
Dcr‧‧‧單晶的直徑
Dcrs‧‧‧目標直徑
t1、t2、t2*‧‧‧時間點
Dt‧‧‧間隔
Dvcr‧‧‧差
第1圖示意性地顯示在生長中單晶的邊緣和熔體之間的相界的環境。 第2圖為差（vp-vcr）相對於時間t的圖。 第3圖為差Dvcr相對於彎液面高度MenH的圖。 第4圖是生長中單晶的直徑Dcr相對於時間t的圖。 第5圖和第6圖是抽拉速率vp和生長速率vcr分別相對於時間t的圖。

Claims (2)

  1. 一種從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法，其包括： 在單晶的初始錐體生長的階段（phase）抽拉單晶，直到抽拉單晶的圓柱形部分開始的階段，包括： 測量單晶的初始錐體的直徑Dcr，並計算直徑的變化dDcr/dt； 從時間點t1到時間點t2，以抽拉速率vp(t)從熔體抽拉單晶的初始錐體，從時間點t2起始，開始單晶的圓柱形部分的抽拉，目標直徑為Dcrs，其中藉由反覆運算計算方法（iterative computation process），預先確定在抽拉初始錐體期間從時間點t1到時間點t2的抽拉速率vp(t)的曲線（profile）。
  2. 如請求項1所述的方法，其包括： 藉由開環控制佈置於熔體上方的環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)，將熱量供入單晶邊緣和熔體之間的相界，以及 藉由反覆運算計算方法，預先確定從時間點t1到時間點t2的環形加熱裝置的加熱功率LstR(t)的曲線。
TW106134337A 2016-10-10 2017-10-05 從坩堝中所含的熔體抽拉由半導體材料構成的單晶的方法 TWI659132B (zh)

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