TWI473915B - 用於拉伸具有直徑保持不變之區段之矽單晶的方法 - Google Patents

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Description

用於拉伸具有直徑保持不變之區段之矽單晶的方法
本發明關於一種用於拉伸具有直徑保持不變之區段之矽單晶的方法。該單晶係於以一特定拉伸速率vp 自坩堝中所含的熔體提升該單晶體種晶的同時生長。該方法之目的在於獲得一盡可能長之具有預定期望直徑之圓柱體區段的矽單晶，其適於進一步加工成半導體晶圓。熔體內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，則該單晶的直徑會變化。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。
藉由調節拉伸速率vp 和/或利用圍繞在坩堝安置的加熱源將熱量提供給該熔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熔體之間的相介面處的結晶速率v與軸向溫度梯度G的商數v/G必須保持在一個窄的範圍內，則明顯地更難以滿足該要求。通常這是被要求的，因為v/G對於不論是該單晶中作為本徵點缺陷之空缺(“vacancies”)還是矽原子間隙(“interstitials”)有其決定性。在過飽和時，空缺或矽原子間隙聚集成為更大的單元，並形成缺陷，如流動圖案缺陷(flow pattern defects，FPDs)或大蝕刻坑(large 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期間，v/G保持在盡可能窄的界限內時才能實現。因為一方面拉伸速率vp 對於由熔體中之溫度波動引起之變化的結晶速率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保持在窄界限內的要求係相矛盾。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。
EP 1 541 721 A1描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。
本發明之目的在於提供一改進方法，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，如FPDs或Lpits。
該目的係藉由一用於拉伸具有直徑保持不變之區段的矽單晶的方法來實現，包含：以一單位為[毫米/分鐘]之預定的期望拉伸速率vp 拉伸該單晶；及以用一不長於(2×18毫米)/vp 的週期T校正直徑波動的方式，藉由調節一第一加熱源的加熱功率，來調節該直徑保持不變之區段內之單晶直徑至一預定的期望直徑，該第一加熱源係提供熱量給該單晶及熔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，本發明方法省略了以拉伸速率vp 作為調節圓柱體區段之直徑的操縱變數。此方式避免了由於調節直徑而造成拉伸速率vp 與結晶速率v之間的偏差。反而，藉由第一加熱源的加熱功率來調節該直徑，其中該第一加熱源係提供熱量給單晶及熔體與該單晶鄰接的區域，且係設置在該熔體上方。
EP 0 866 150 A1揭示了此類加熱源的使用具有沿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熔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 A1，該加熱源的使用也會造成軸向溫度梯度G的改變，從而也會造成用於確定缺陷特性之商數v/G的改變。
但如本發明人所發現，若用一以不長於(2×18毫米)/vp 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。若遵守該條件，則能藉由擴散和相互驟冷而減少該徵點缺陷的濃度差。若該週期更長，則具過量空缺的區域所達到的長度使得矽原子間隙之擴散長度(約為18毫米)不再足以相互驟冷。
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。其包含一設置在熔體2上方且圍繞生長中之單晶1之第一加熱源4、一為單晶1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、一用於在熔體2上產生以及施加一磁場且較佳為CUSP場的裝置7以及一圍繞坩堝3安置的第二加熱源8。第一加熱源4的底表面與熔體2的表面之間的距離D較佳為30至70毫米。單晶1的側表面與第一加熱源4的內表面之間的距離d較佳為10至50毫米。
未說明之調節系統包含一具有用於光學測量直徑之照相機和圖像加工的單元、一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一加熱源4之加熱功率相對於預定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vp 、安置在熔體上方之第一加熱源的加熱功率LstR以及圍繞坩堝安置之第二加熱源的加熱功率LstF的典型預定曲線。選擇該預定曲線以使商數v/G在無擾動的進程中拉伸單晶的圓柱體區段時盡可能保持恆定，且其較佳為不會造成本徵點缺陷積累之數值。借助於商用模擬程序可以為預定之爐構造確定軸向溫度梯度G隨時間的發展情況。同樣地可藉由試驗地拉伸之單晶之縱截面內之缺陷分佈情況的評估。
熔體內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，通常係因對流所造成，該溫度波動為會改變結晶速率v之熱擾動，且在不進行校正性干預的情況下還會造成單晶直徑的改變。為期望直徑所進行之直徑調節亦會進而校正由該熱擾動造成之結晶速率v相對於預定結晶速率的偏差。根據本發明，當此類擾動產生時，係藉由調節第一加熱源之加熱功率作為用於調節直徑之調節器的操縱變數以實現校正性干預，具體而言，係以不長於(2×18毫米)/vp 的週期T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。第一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，條件係對於無擾動的情況選擇拉伸速率vp 的預定曲線、第一加熱源的加熱功率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v/G對應於一個臨界值，在該臨界值時不會過量形成空缺和矽原子間隙。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的波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圖中由雙箭頭所示之點缺陷擴散可以充分地藉由相互消除而減少過量情況，一個晶體區域的長度應當不大於擴散長度或18毫米。為了確保這一點，必須以一個時間常數藉由調節第一加熱源的加熱功率而調節直徑，該時間常數足夠短，從而對於預定的拉伸速率vp 獲得一個持續時間，在此持續時間中晶體區域不會達到超過18毫米的長度。其條件係週期T不長於(2×18毫米)/vp [分鐘]。根據本發明實施的直徑調節對軸向溫度梯度G的影響在短時間內係小的，尤其是對在該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，所以在單晶邊緣附近的軸向溫度梯度的改變有利於形成一種本徵點缺陷，且不會產生不利影響。
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內的單晶長度上的波動。該結晶速率v圍繞在與所預直徑成比例的預定結晶速率以特定的振幅和頻率波動，在該預定結晶速率下不會出現本徵點缺陷過量的情況。向著更高結晶速率的偏差產生以空缺為主的晶體區域V，而向著更低結晶速率的偏差產生以矽原子間隙為主的晶體區域I。根據本發明調節該直徑以及由此調節該結晶速率v，從而使週期T不長於(2×18毫米)/vp [分鐘]。因此，以一個時間常數進行調節，該時間常數足夠短，進而無法生長其中一種本徵點缺陷占主要地位並且長度超過18毫米的晶體區域。
藉由調節圍繞坩堝安置之第二加熱源的加熱功率LstF從而調節在直徑保持不變之區段內的單晶直徑，並不適合作為一種替代方案。由該坩堝和熔體形成的熱質量避免對於熱擾動作出足夠迅速的反應。但將第二加熱源的加熱功率LstF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，尤其在更長的時段內持續存在偏差的情況下。然後其亦顯示為商數v/G在單晶中心的擾動。雖然本徵點缺陷徑向擴散，但無法消除該擾動。例如在第一加熱源的加熱功率相對於預定曲線的偏差平均存在長於(2×18毫米)/vp [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LstR的預定曲線及第二加熱源的加熱功率LstF的預定曲線，進而在無擾動的過程中不發生FPDs或Lpits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毫米的矽單晶。第一加熱源4的底表面與熔體2的表面之間的距離D為50毫米，而單晶1的側表面與第一加熱源4的內表面之間的距離d為30毫米(第1圖)。在對應直徑保持不變之區段之特定生長長度L的晶體生長期間的不同時間點，藉由在長度150毫米及400毫米處將第二加熱源的加熱功率LstF跳躍性降低1千瓦(擾動1和2)以及在長度650毫米及900毫米處跳躍性升高1千瓦(擾動3和4)(第5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1和3的情況下在長度150毫米和650毫米處調節拉伸速率vp 及在擾動2和4的情況下在長度400毫米和900毫米處調節第一加熱源的加熱功率LstR，其中在藉由LstR進行調節時以小於(2×18毫米)/vp 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。
1‧‧‧單晶
2‧‧‧熔體
3‧‧‧坩堝
4‧‧‧第一加熱源
5‧‧‧隔熱板
6‧‧‧冷卻單晶1的裝置
7‧‧‧產生及施加一磁場之裝置
8‧‧‧第二加熱源
D‧‧‧第一加熱源4之底面與熔體2之表面間的距離
d‧‧‧單晶1的側表面與第一加熱源4的內表面之間的距離
L‧‧‧長度
v‧‧‧結晶速率
V、I‧‧‧晶體區域
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；
第2圖所示為拉伸速率vp 、安置在熔體上方之第一加熱源的加熱功率LstR以及圍繞坩堝安置之第二加熱源的加熱功率LstF的典型預定曲線；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內的單晶長度上的波動；以及第5圖所示為在調節各參數之情況下，FPDs和Lpits形式之本徵點缺陷的積聚情形。

Claims (1)

  1. 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：提供一第一加熱源，該第一加熱源係提供熱量給該單晶及熔體與該單晶鄰接的區域，且係安置在該熔體上方；提供一第二加熱源，該第二加熱源係圍繞一坩堝安置；以一單位為[毫米/分鐘]之預定的期望拉伸速率vp 拉伸該單晶，其中為了無擾動的情況，係選擇vp 的預定曲線、該第一加熱源的加熱功率的預定曲線以及該第二加熱源的加熱功率的預定曲線，從而使得在生長的單晶與該熔體之間的相介面處的結晶速率v與軸向溫度梯度G的商數v/G對應於一個臨界值，在該臨界值時不會過量形成空缺和矽原子間隙；以及以用一不長於(2×18毫米)/vp 的週期T校正直徑波動的方式，藉由調節該第一加熱源的加熱功率，來調節該直徑保持不變之區段內之單晶的直徑至一預定的期望直徑，其中若偏差在一長時段內持續存在，則使用該第二加熱源的加熱功率作為用於後期的操縱變數，以修正該第一加熱源的加熱功率相對於預定曲線的偏差。
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