专利名称：通过控制熔－固界面形状生长硅晶体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及制造半导体级单晶硅，该单晶硅可用在电子元件等的制造中。更具体地，本发明涉及通过控制在选定的热环境中的熔-固(熔体-固体)界面形状来制造硅锭的工艺。
背景技术：
一般通过所谓的直拉(Czochralski，“Cz”)法来制备作为用于制造半导体电子元件的大多数工艺的原材料的单晶硅。在这种方法中，将多晶体硅(“多晶硅”)装载于坩埚并将其熔化，使籽晶与熔化的硅接触并通过缓慢抽出使单晶生长。从熔体生长的硅晶体可能具有过剩的一种类型或其它类型的本征点缺陷，或为晶格空位(“V”)，或为硅自间隙(自填隙原子)(“I”)，并且可能具有两种缺陷都存在或都不存在的区域。已经有人提出，主要点缺陷类型在接近凝固时被确定，并且，如果在系统中主要点缺陷浓度达到临界过饱和的水平且点缺陷的迁移率足够高，那么就很可能发生反应或附聚现象。在复杂的和高度集成的电路的制造中，硅中的附聚本征点缺陷严重地影响材料的产量潜力。
本领域技术人员熟知，晶体的拉晶速度v与轴向热梯度G的比率表明了生长的晶体中可能发生的本征点缺陷的类型。例如，当拉晶速度高时，晶格空位为主要点缺陷。或者，当拉晶速度低时，硅自间隙是主要点缺陷。因此，在动态生长工艺期间(即，其中v/G随晶体的半径和/或轴向长度而变化)，在生长的硅晶体内的点缺陷可从空位占主导改变为间隙占主导，或反之亦然。而且，存在与这种改变相联系的可识别的空位/自间隙(V/I)转换(过渡)。
发明内容
根据本发明，已经发现，可通过精密地控制熔化硅/硅晶体(熔体/晶体或熔-固)界面的形状来制造基本无缺陷的单晶硅。尤其，通过根据随轴向长度而变化的目标熔-固(界面)形状分布图来控制熔-固界面形状，可以制造出基本无附聚缺陷的区域。而且，通过选择利用V/I转换拉晶速度值所确定的平滑的籽晶提升分布图，可在基本整个晶体主体长度上制造完美的硅材料。对于晶体热区设计和沿锭坯轴向长度的位置，目标界面形状是唯一的。
根据本发明的一个方面，提供一种与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯的方法。晶体生长装置包括容纳锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅。锭坯在从熔体拉出的籽晶上生长。该方法包括确定在拉晶期间随锭坯长度而变化的晶体生长装置的操作参数的设定值(设定点)。通过预先限定熔-固界面形状分布图来确定该设定值，该熔-固界面形状分布图表示在拉晶期间随着锭坯长度和影响熔体的操作条件而变化的、在熔体和锭坯之间的所希望的熔-固界面形状。该方法还包括，当从熔体拉制锭坯时，根据所确定的操作参数设定值来调整晶体生长装置的操作条件，从而控制熔-固界面的形状。
根据本发明的另一方面，提供一种用于限定熔-固界面形状分布图的方法。该分布图与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯。晶体生长装置包括容纳锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅。锭坯在从该熔体拉出的籽晶上生长。熔-固界面形状分布图表示在拉晶期间随锭坯长度而变化的、在熔体和锭坯之间的所希望的熔-固界面形状。该方法包括沿着模型(样板)锭坯长度选择多个轴向位置，并为每个所识别的轴向位置限定多个熔-固界面形状。该方法还包括为每个轴向位置和每个熔-固界面形状确定晶体生长装置的热区的热模型。该方法还包括限定表示倾斜变化的(ramped)拉晶速度的速度分布图。该方法还包括确定表示在模型锭坯的区域中产生的一种或多种点缺陷的点缺陷模型。该点缺陷模型响应该速度分布图和该热模型，以便为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置的多个被限定的熔-固界面形状中的每一个界面形状识别V/I转换。该方法还包括为多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置识别对应于基本平直的(flat)V/I转换的目标熔-固界面形状。
根据本发明的再一方面，提供一种与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯的系统。该晶体生长装置包括容纳锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅。锭坯在从熔体拉出的籽晶上生长。该系统包括存储预先限定的熔-固界面分布图的存储器。熔-固界面分布图表示在拉晶期间随锭坯长度和影响熔体的操作条件而变化的、在熔体和锭坯之间的所希望的熔-固界面形状。在拉晶期间，处理器响应预先限定的熔-固界面(形状)分布图以确定随锭坯长度而变化的晶体生长装置的操作参数的设定值。在锭坯从熔体拉出时，控制器响应于所确定的操作参数设定值以根据所确定的操作参数设定值来调整晶体生长装置的操作条件，从而控制熔-固界面的形状。
可选地，本发明可包括各种其它方法和装置。
其它特征部分将是显而易见的，部分将在下文中指出。
图1是晶体生长装置和根据本发明的实施例的用于控制晶体生长装置的装置的视图。
图2示出具有相对于晶体凹入的熔-固界面形状的示例性的正在生长的单晶硅31。
图3A示出根据本发明的实施例的用于产生预期的V/I转换的V/I模拟器的建模组件(modeling component)。
图3B示出由图3的V/I模拟器进行分析的各种示例性的熔化硅/硅晶体界面形状。
图3C示出对应于一系列数据点中的一个数据点的垂直分量和水平分量，该一系列数据点限定一示例性的假设的熔化硅/硅晶体界面形状。
图3D示出在模拟生长过程期间，用于拉制单晶硅锭31以促使V/I转换的示例性的速度分布图。
图3E示出由V/I模拟器响应假设的熔-固界面形状所产生的示例性V/I转换图。
图4A示出对应于用于生长单晶硅锭的示例性熔-固界面形状分布图的各种熔-固界面形状。
图4B示出进行淀析热循环以用于测量不同轴向位置处的熔体界面形状的锭坯的切开的垂直剖面。
图5A示出根据本发明一个优选实施例的用于控制晶体的熔-固界面形状的控制系统的部件。
图5B是示出作为坩锅表面温度变化的函数的熔-固界面形状变化的示例性图表，其中坩锅表面温度变化由底部加热器或者由下部绝缘体的变化来提供。
图5C是示出作为由磁体施加的磁场变化的函数的熔-固界面形状变化的示例性图表。
图5D是示出作为坩锅和晶体之间的转速差的函数的熔-固界面形状的变化的示例性图表。
图5E是示出在同种旋转(iso-rotation)过程期间界面形状可被控制的增加的范围的示例性图表。
图6是示出根据本发明的一个实施例，当根据直拉工艺生长单晶锭坯时，与晶体生长装置结合使用的用于限定熔-固界面形状分布图的方法的示例性流程图。
图7是示出测得的晶体界面形状和由点缺陷模拟器产生的随着测得的界面形状而变化的点缺陷浓度区的示例性图表。
相应的参考标号在附图的多个视图中均表示相应的部件。
具体实施例方式
一般通过所谓的直拉(“Cz”)法制备单晶硅，该单晶硅是用于制造半导体电子元件的大多数工艺的原材料。在该方法中，将多晶体硅(“多晶硅”)装载于坩锅并将其熔化，使籽晶与熔化的硅接触并通过缓慢抽出而生长单晶。本发明提出一种用于生产适于用在器件制造中的硅晶锭的方法和系统。在一些实施例中，可使用本发明的方法和系统来制造其主要部分或其全部基本没有附聚本征点缺陷的硅晶锭。即，其主要部分或全部具有小于大约1×104缺陷/cm3、小于大约5×103缺陷/cm3、小于大约1×103缺陷/cm3的缺陷密度或者甚至没有可检测到的附聚本征点缺陷的硅锭。(在其它的实施例中，本发明可制造基本没有直径大于大约60nm的附聚缺陷的硅锭)。更具体地，在晶体生长期间，本发明可控制熔化硅和晶体(熔-固)界面的形状以限制和/或抑制附聚本征点缺陷的形成。熔-固界面形状相对于晶体在形状上可以是凹入的、凸出的，且甚至相对于晶体在形状上可以既有凹入又有凸出(如“海鸥翼”形状)。已经发现，在晶体生长期间，熔-固界面形状是用于控制缺陷的重要参数。
通过熔体对流可显著地影响熔-固界面的形状。对流是指在液体中通过液体自身运动的热传递过程。一般而言，有两种类型的对流自然对流和强制对流。自然对流只是例如由于存在引起密度梯度的加热器而产生的熔体的运动。强制对流是由于诸如坩锅中的磁场、或锭坯和/或坩锅的旋转速度和/或方向的外部因素所产生的熔体的运动。因此，可通过控制至少四(4)个操作参数中的一个或多个来控制熔-固界面的形状，该操作参数可单独或组合使用，以获得希望形状的熔-固界面形状。这些参数包括(1)热流量，其确定通过下部加热器功率的变化或通过下部绝缘体等级(level)或效率的变化(如，调整底部加热器输出)而产生的熔体边界温度场；(2)磁场强度；(3)坩锅的旋转；和(4)硅晶体的旋转。
例如，由于磁场可影响导电流体如硅熔体中的流型，因此磁体(如尖顶式、立式和卧式)可用于影响熔体对流，并从而改变熔体中的温度分布，这进而可影响熔-固界面形状。类似地，坩锅和晶体的旋转影响熔体中的流型，且因此影响熔体中的温度分布，这进而影响熔-固界面形状。通常，当生长单晶硅时，坩锅和晶体以相反的方向旋转。在这里，该过程被称为相对旋转(counter rotation)。尽管可以利用在相对旋转过程中控制坩锅旋转速度和晶体旋转速度之间的差来影响熔-固界面的形状，但是发明人已经发现，所谓同种旋转过程对熔-固界面形状提供了更大的控制。在同种旋转过程中，坩锅和晶体(即，籽晶)以相同方向旋转，且坩锅的旋转速度和晶体的旋转速度之间的差可用于影响熔-固界面的形状。
从熔体生长的硅晶体可生长为具有过剩的一种或其它类型的本征点缺陷，或为晶格空位(“V”)，或为硅自间隙(“I”)，并且可具有两种缺陷都存在或都不存在的区域。根据本发明的一个或多个实施例，在生长晶体期间，可控制晶体/熔体界面形状以控制在凝固锋面(front)处的初始点缺陷分布和距熔-固界面几度或几十度处的点缺陷扩散路径。已经提出，主要点缺陷类型在接近凝固时被确定，并且，如果在系统中主要点缺陷浓度达到临界过饱和的水平且点缺陷的迁移率足够高的话，将很可能发生反应或附聚现象。在复杂且高度集成的电路的制造中，硅中的附聚本征点缺陷可严重地影响材料的产量潜力。通过控制熔-固界面的形状，可大大减小和甚至完全避免附聚反应，从而制造出基本上没有附聚本征点缺陷的硅。
本领域技术人员熟知，晶体的拉晶速度v与轴向热梯度G的比率表明了可能在生长的晶体中产生的本征点缺陷的类型。例如，当拉晶速度高时，晶格空位为主要点缺陷。或者，当拉晶速度低时，硅自间隙是主要点缺陷。因此，在动态生长过程期间(即，其中v/G可随着晶体的半径和/或轴向长度而变化)，在生长的硅晶体内的点缺陷可从空位占主导改变为间隙占主导，或反之亦然。而且，存在与这种变化相联系的可识别的空位/自间隙(V/I)转换。已经发现，在附聚空位缺陷和附聚间隙类型缺陷之间存在无缺陷区域。重要的是，在该无缺陷区域内产生V/I转换。即，该无缺陷区域对应于从过剩空位占主导的区域向过剩间隙占主导的区域的转换区域。无缺陷区域可以是空位占主导的和/或间隙占主导的材料。无缺陷区域不包含形成任何缺陷的临界过剩点缺陷并且通常包括V/I转换。
而且，已经发现，当被识别的V/I转换具有优选的形状或分布图时，晶体在该转换处基本上没有附聚缺陷。例如，垂直于在动态生长模拟下的拉晶轴线的基本平直的V/I转换对应于晶体的基本上没有附聚缺陷的一个部分。
根据本发明，为沿着晶体长度的各位置处的特定热区确定目标界面形状，以确定该特定热区的目标界面形状分布图。通过抑制或者控制产生附聚缺陷的附聚反应，而不是简单地限制这种缺陷形成的速度，或试图在某些缺陷已经形成之后使其湮灭，则用于抑制或控制附聚反应的方法可生产出一种基本上没有不希望的数量或尺寸的附聚本征点缺陷的硅衬底。这样的方法还提供在每个晶片获得的集成电路的数目方面具有类似(epi-like)产量潜力的单晶硅晶片，而不具有与外延工艺有关的高成本。
根据本发明的一个实施例，将熔-固界面形状控制在高度偏差系数(HDR)的一定范围或百分比内。例如，对于200mm的晶体，控制熔化硅以使在晶体中心和边缘之间的高度偏差系数(HDR)大约为正或负11％，优选大约为正或负9％，更优选大约为正或负7％，且最优选大约为正或负5％。其中该高度偏差系数由下面的等式确定HDR＝[Hc-He]/半径×100，(1)；其中Hc是晶体中心距熔体表面的高度，He是晶体边缘距熔体表面的高度。对于直径不是200mm的晶体，最大高度偏差系数根据晶体半径以-0.06的斜率逐渐减小。
在另一个实施例中，如附录A中所述确定可接受的范围或操作窗口。
现在参考图1，其示出与总体上由13表示的直拉晶体生长装置一起使用的总体上由11表示的系统。通常，晶体生长装置13包括封装坩锅19的真空室15。加热装置如电阻加热器21围绕坩锅19。在一个实施例中，绝缘体23布设在真空室15的内壁上，并且供有水的室冷却夹套(未示出)围绕该真空室。当向该真空室15内供给氩气惰性气氛时，真空泵(未示出)通常从真空室15内移除气体。根据直拉单晶生长工艺，将一些多晶体硅或多晶硅装到坩锅19中。加热器电源27提供通过电阻加热器21的电流以熔化装料，从而形成自其拉制单晶体31的硅熔体29。通常，温度传感器33如光电池或高温计被用以提供熔体表面温度的测量。单晶体31始于附着在拉晶轴或缆线(cable)37上的籽晶35。如在图1中所示，单晶体31和坩锅19一般具有共同对称轴线39。缆线37的一端通过带轮(未示出)连接至鼓轮(未示出)，而另一端连接至保持籽晶35和自籽晶生长出的晶体31的卡盘(未示出)。
在加热和拉制晶体期间，坩锅驱动单元(即，马达)45使坩锅19旋转(如，以顺时针方向)。在生长过程期间，坩锅驱动单元45也可按需要提升和/或降低坩锅19。例如，当熔体29被消耗时，坩锅驱动单元45提升坩锅19以保持其由参考标号47表示的液面处于所需的高度。类似地，晶体驱动单元49以与坩锅驱动单元45使坩锅19旋转的方向相反的方向(如，以逆时针的方向)或与坩锅的驱动相同的方向(如，同种旋转)使缆线37旋转。在使用同种旋转的实施例中，晶体驱动单元49可以与坩锅驱动单元45使坩锅19旋转的方向(例如，以顺时针的方向)相同的方向使缆线37旋转。另外，在生长过程期间，晶体驱动单元49相对于熔体液面47按需要提升和降低晶体31。
在一个实施例中，晶体生长装置13通过降低籽晶35到几乎接触容纳在坩锅19中的熔化的硅熔体29来预加热籽晶。在预加热之后，晶体驱动单元49通过缆线37继续降低籽晶35，直至在熔体液面47处与熔体29接触。随着籽晶35熔化，晶体驱动单元49将籽晶从熔体29缓慢地抽出或拉出。当籽晶35被抽出时，它从熔体29拉出硅以产生单晶硅31的生长。当晶体驱动单元49从熔体29拉出晶体31时，它使晶体31以一个基准速度旋转。类似地，坩锅驱动单元45相对于晶体31以相反方向(相对旋转)或以相同方向(即，同种旋转)使坩锅19以另一基准速度旋转。开始时，图1的控制单元51控制抽出速度和电源27供给加热器21的功率，以产生晶体31的颈状收缩。通常，当自熔体29抽出籽晶35时，晶体生长装置13以基本不变的直径生长晶体颈部。例如，控制单元51保持大约为所需的主体直径的百分之五的基本不变的颈部直径。在颈部达到所需的长度之后，控制单元51调整旋转、拉晶速度、和/或加热参数以使晶体31的直径以圆锥状的形式增加，直到达到希望的晶体主体直径。例如，控制单元51降低拉晶速度以产生通常被称为晶体锥部的向外张开的区域。一旦达到希望的晶体直径，控制单元51就控制生长参数以保持由装置11测得的相对恒定的直径，直到过程接近结束。此时，通常增加拉晶速度和供热以减小直径，以便在单晶体31的端部形成锥部。控制单元51还设置成用以控制影响熔-固界面形状的工艺参数，以获得随晶体长度而变化的目标熔-固形状分布图。通过根据随轴向长度而变化的目标熔-固形状分布图来控制熔-固界面形状，可在晶体中形成基本上没有不希望的数量或尺寸的附聚缺陷的区域。而且，通过选择使用V/I转换拉晶速度值所确定的平滑的籽晶提升分布图，可以在基本整个晶体主体长度上制造出完美硅材料。
现在参考图2，其示出半径为R的生长的单晶硅31、相对于晶体31凹入的熔-固界面202，以及熔化的硅熔体204。生长的晶体31在中心距离熔体表面的高度为Hc，从边缘距离熔体表面的高度为He。由于当晶体生长且从熔体表面被拉出时，晶体31实际上被拉升而稍微离开实际的熔体表面，这导致生长的晶体31的边缘稍微高于熔体中的熔化硅的液面，所以He一般不为零。尽管所示出的熔化硅/硅晶体界面202具有凹入的形状，但在主体生长期间该界面202的形状可变化，例如从凹入到凸出、或从凸出到凹入、或从凹入到平面再到凸出等。还应该指出，术语凸出和凹入是指在晶体轴线处的熔-固界面相对于在晶体边缘处的熔-固界面的位置。在这一方面，熔-固界面形状可以在半径的一部分上相对于晶体凸出且在半径的另一部分上相对于晶体凹入，从而形成前述的“海鸥翼”形状。在这种情况下，当在晶体轴线处的熔-固界面高于在晶体边缘处的熔-固界面时“海鸥翼”形状被说成相对于晶体凹入，而当在晶体的轴线处的熔-固界面低于在晶体边缘处的熔-固界面时被说成相对于晶体凸出。
现在参考图3A，其示出V/I模拟器300的建模组件。该V/I模拟器用于生成在生长的晶体中的特定位置产生的、随着与该特定位置有关的给定的熔-固界面形状而变化的预期V/I转换。根据本发明的一个实施例，假设出各种熔化硅/硅晶体界面形状302(参见图3B)，并通过V/I模拟器300分析每个假设的形状302，以便当已选择生长参数以模拟锭坯从空位占主导向间隙占主导的转换时，识别出产生基本平直的V/I转换的目标熔-固界面形状。如上所述，已经发现，基本平直的V/I转换对应于基本没有不希望的数量或尺寸的附聚缺陷的晶体区域。例如，通过一系列各自具有水平分量x和垂直分量y的数据点，来描述每个熔化硅/硅晶体(界面)形状。简要参考图3C，水平分量x代表由参考标号303表示的同样的点P1和公共对称轴线39之间的水平距离。垂直分量y代表由参考标号305表示的在假设的熔化硅/硅晶体界面形状302上的点P1和垂直于公共对称轴线39的径向轴线304之间的垂直距离，该径向轴线304在沿晶体301长度的对应于周向边缘处的界面的一个轴向位置处(如，100mm，200mm，300mm等)。与特定的假设的界面形状302相关的系列数据点连同通过热模型308计算的表面温度一起被输入缺陷模型或缺陷模拟器中以产生相应的温度梯度G(温度场)，其中已经选择出生长参数以便模拟锭坯自空位占主导向间隙占主导的转换。热模型308例如为基于有限元的商业软件，如MSC.MARCTM，其可从位于Santa Ana，California的MSC SoftwareCorporation获得，且在Vertsi公布的方法中修改为包括辐射热传递。
在一个实施例中，缺陷模型是与热模型308相关联的动态缺陷模型310，并且根据预定拉晶速度分布图320为从硅31的熔体中拉出的锭坯产生点缺陷分布图。缺陷模型310可以是点缺陷建模器(modeler)或附聚点缺陷建模器。一种商业上可获得的点缺陷模型包含在可从位于Erlangen，Germany的Fraunhofer Institute for Integrated Circuits获得的软件包CrysVUn中。在这种情况下，预定拉晶速度表示促使锭坯从空位占主导向间隙占主导转换的倾斜变化的拉晶速度，且因此生成V/I转换分布图(即，点缺陷分布图)。
简要地参考图3D，其示出用于在模拟生长期间引起V/I转换的示例性速度分布图320。可以看到，晶体的拉晶速度上下倾斜，以显示在生长的晶体中的与间隙有关的缺陷和与空位有关的缺陷两者。简要地参考图3E，其示出由V/I模拟器300响应一假设的熔-固界面形状302而产生的示例性V/I转换图322。V/I转换图322示出在沿晶体的各个轴向位置处的由参考标号324表示的预期的V/I转换分布图。如上所述，基本平直的V/I转换分布图表示能够在拉晶机中和在被模拟的轴向位置处制造基本没有较大的或不希望的附聚缺陷的硅的目标熔-固界面形状和目标拉晶速度。反之，基本非平直的V/I转换表示更可能在选定的轴向位置处在部分或全部锭坯中导致形成附聚本征微缺陷(例如，点缺陷)的熔-固界面形状。因此，通过使用V/I模拟器300以识别为多个轴向位置中的每一个生成基本平直的V/I转换的目标熔-固界面形状和目标拉晶速度，就可限定目标熔-固界面形状分布图和目标拉晶速度分布图，然后可估算并在存储器中存储工艺参数。在一个实施例中，可对至少2个轴向位置确定目标熔-固界面形状分布图和目标拉晶速度分布图。在其它实施例中，在不偏离本发明的范围的情况下，可对至少4个轴向位置、对至少8个轴向位置并且甚至可对至少12个轴向位置或更多轴向位置确定目标熔-固界面形状分布图和目标拉晶速度分布图，而不会偏离本发明的范围。
在另一实施例中，缺陷模型为静态附聚缺陷建模器，例如在Massachusetts Institute of Technology Cambridge，Massachusetts开发并在T.Mori，Ph.D.Thesis的“Modeling the Linkages betweenHeat Transfer and Microdefect Formation in Crystal GrowthExamples of Czochralski Growth of Silicon and VerticalBridgman Growth of Bismuth Germanate”(MassachusettsInstitute of Technology，2000)中所说明的建模器。
在(使用)静态附聚缺陷模型的情况下，可通过V/I模拟器分析拉晶速度和熔-固界面形状两者以识别在多个轴向位置中的每一个处的目标熔-固界面形状和目标拉晶速度。
而且，通过根据所限定的分布图生长晶体31，以及将模拟的V/I转换与在实际的生长过程328中生长的晶体31中的实际V/I转换相对比以确定调整系数330，能够精调V/I模拟器300。例如，通过记录在实际的生长过程期间的实际操作参数，并估测在长成的晶体中的实际V/I转换，可精调模型以提高预测的V/I转换的精确性。在一个实施例中，使用铜装饰和secco蚀刻工艺以显露实际的V/I转换晶体。而且，通过轴向切出整幅宽度的薄样品，使这些样品中的氧完全沉淀、进行蚀刻以去除空乏区(denudedzone)、并装饰蚀刻以显示出这样生长的固-液界面处的沉淀变化，就可以利用测试晶体进行实际界面形状测量。根据利用微缺陷的金属热沉淀和随后的装饰蚀刻方法在长成的晶体中识别的实际转换籽晶提升值，可以限定平滑的籽晶提升分布图，以便在大部分晶体主体长度上得到完美的硅产品。
现在参考图4A，其示出对应于用于生长基本上没有例如不希望的大附聚缺陷的单晶硅锭31的示例性熔-固界面形状分布图的各熔-固界面形状。该分布图对于沿晶体31的长度的多个轴向位置中的每一个轴向位置限定一特定的目标熔-固界面形状。在这种情况下，熔-固界面形状分布图沿着晶体长度以200mm为间距(即，200mm，400mm，600mm等)限定晶体的目标熔-固界面形状。例如，通过线402表示在位于距籽晶端部800mm的轴向位置处的目标熔化硅/硅晶体界面形状，并且通过线404表示对应的熔体液位。尤其是，如以上参考图3B所述，分布图中的每个形状均由一系列数据点表示。实际的熔-固界面在晶体生长之后确定。例如，切出锭坯的一垂直剖面406，并对其进行淀析热循环(见图4B)。然后使用寿命图(lifetime map)为剖面406作图像。如图4B中所示的参考标号408所指示的，该图像装饰了界面形状。此后，测量该界面并与基线分布图(即，熔-固界面形状分布图)相比较。
接下来参考图5A，其示出根据本发明一个优选实施例的用于控制晶体熔-固界面形状的系统11的组件。具有中央处理器(CPU)71和存储器73的可编程逻辑控制器(PLC)69连接到输出装置，如坩锅驱动单元45、底部加热器电源82、晶体驱动单元49和磁体电源85，以控制熔-固界面形状。在此实施例中，存储器73存储为获得由熔-固界面形状分布图302限定的在特定轴向位置处的目标熔-固界面形状所需的目标操作参数。例如，存储器包含目标拉晶速度，目标熔体温度，目标磁场，目标锭坯旋转速度，目标锭坯旋转方向，目标坩锅旋转速度；和/或坩锅旋转方向。CPU71和PLC69响应所存储的目标参数以调整晶体生长装置13的操作条件如热流量，以便建立所需的熔体中的温度场、坩锅内部的磁场、锭坯旋转速度、锭坯旋转方向、坩锅旋转速度；和/或坩锅旋转方向。通过调整提供给一个或多个输出装置的功率来调整这些操作条件，以便在沿晶体长度的各轴向位置处获得目标形状。例如，CPU71从例如晶体生长装置的位置传感器(未示出)确定锭坯当前长度，从而确定当前轴向位置。CPU71计算将建立对应于沿晶体的一个当前位置(如，100mm)的第一目标形状(如，高度系数)的工艺参数和将建立对应于沿晶体的下一位置(如200mm)的第二目标形状的第二组工艺参数之间的差别，以确定一组操作参数设定值。操作参数设定值可包括例如加热器电源82的加热器功率设定值，磁体电源85的磁体功率设定值，坩锅驱动单元45的坩锅旋转速度设定值，和晶体驱动单元49的晶体旋转速度设定值。PLC69响应操作参数设定值以产生控制信号，从而调整影响晶体生长装置的一个或多个操作条件的一个或多个输出装置。
在一个实施例中，CPU71通过存储所需的加热器功率设定值或分布图来响应所希望的熔-固界面形状分布图302和所确定的长度。PLC69响应加热器功率设定值以产生提供给加热器电源82的加热器控制信号90。加热器电源82响应加热器控制信号90以控制提供给围绕坩锅19的底部加热器56(如，电阻加热器21)的电流，从而控制熔体的温度。更具体地，加热器控制信号90控制提供给底部加热器56的功率以控制熔体的温度和沿坩锅壁的温度分布图，从而控制熔-固界面形状。已经发现，界面的高度随着来自底部加热器56的热流量而增加。结果，可通过使提供给底部加热器56的功率增加可产生所希望的高度变化的量，来获得由502表示的所希望的界面高度的中心高度的变化。例如，使底部加热器增加10千瓦的功率，在选定的热区结构中在28”坩锅内界面形状的高度增加了大约6mm。(见图5B)。换句话说，较高的底部加热器温度导致界面形状高度的增加。通过对所希望的界面形状和其它品质参数例如氧浓度提出要求，来控制操作范围。界面高度相对于加热器功率变化的估测增益(gain)为GBH＝0.6mm/kW。尤其是，改变在热区内的下部或侧面绝缘体也可获得所希望的温度条件，从而影响熔-固界面形状。在一个实施例中，晶体生长装置包括主加热器和次加热器。主加热器例如是侧面加热器(未示出)，并提供直径控制调整。次加热器例如是底部加热器56并提供熔体梯度和界面形状控制。即，根据加热器功率设定值调整次加热器以改变熔体的温度梯度，从而控制熔-固界面的形状。
在另一实施例中，CPU71通过存储确定的磁体功率设定值来响应所希望的熔-固界面形状分布图302和所确定的长度。PLC69响应磁体功率设定值以产生提供给磁体电源85的磁体控制信号92。磁体电源85响应磁体控制信号92以控制提供给围绕坩锅19的磁体57的线圈的电流，从而控制提供给熔体29的磁场。具体地，施加磁场提供了一种控制熔-固界面形状以及氧浓度的手段。已经发现，通过降低磁场强度可以增加熔-固界面高度。结果，通过使提供给磁体的功率增加或降低可产生所希望的磁场变化的量，就可以实现所希望的界面中心高度502的变化。例如，通过减小提供给磁体的电流，因而减小功率以使磁场降低百分之十五(15％)，使得界面形状的中心高度502增加了大约2.5mm。(见图5C)。因此，界面高度相对于场强变化的估测增益为GB＝-0.167mm/％。该磁体强度定义为用于特定热区工艺的场强的相对单位。在这种情况下，100％尖点(cusp)磁场的值对应于在200mm深的熔体底部中心处的1000G的轴向场，在熔体的顶部中心处具有零轴向场。每个线圈的最大电流是750Amps。
在一个实施例中，CPU通过存储确定的坩锅旋转速度设定值和晶体旋转速度设定值来响应所希望的熔-固界面形状分布图302和所确定的长度。PLC69响应根据在选定的晶体长度处的目标值而线性地计算出的中间坩锅旋转速度设定值和晶体旋转速度设定值，以产生分别提供给坩锅驱动单元45和晶体驱动单元49的坩锅旋转控制信号92和晶体旋转控制信号94。结果，控制坩锅19和晶体31之间的相对旋转速度或旋转差值(deltarotation)以控制界面形状。其中相对旋转速度是指绝对晶体旋转速度和绝对坩锅旋转速度之间的绝对差(即，||籽晶旋转-|坩锅旋转|)。已经发现，旋转差值的增加会增加界面高度；而旋转差值的减小则会降低界面高度502。结果，可通过控制晶体和坩锅之间的旋转速度差来实现所希望的界面高度的中心高度的变化。例如，通过使旋转速度差增加两(2)转/分钟，可以使界面形状的中心高度502增加大约4.5mm(见图5D)。该变化的幅度是晶体和坩锅的绝对旋转速度的函数。界面高度相对于旋转差值的变化的估测增益为GRot＝2.25mm/rpm。在这种情况下，坩锅19和晶体31都沿相同的方向旋转；同种旋转。
在另一实施例中，坩锅19沿一个方向旋转，且晶体31沿相同方向旋转，以提高熔-固界面形状可以被控制的范围。图5E说明在分别由双箭头510、512所示的相反旋转和同种旋转过程期间熔-固界面形状可以被控制的示例性范围。如上所述，用于控制熔-固界面形状的重要参数是坩锅19内的熔化的硅熔体29的对流路径。该对流路径是由坩锅和晶体的旋转产生的强制对流驱动的。而且，与各种工艺条件相结合的同种旋转效应已经表明可以增加熔-固界面操作范围。换句话说，界面形状可以被控制的范围显著增加。界面形状和高度的绝对变化是热区、工艺参数和晶体轴向位置的函数。界面高度被定义为晶体边缘和晶体中心之间的垂直距离。对于该实验性热区，界面高度可以被控制的范围增加356％，从5.5mm到25.25mm。因此，变成同种旋转提供了改进的动态范围以增加或降低界面处的轴向梯度。
尽管以上对本发明的说明涉及单独控制各个参数，但本发明包括控制两个或更多参数以获得希望的熔-固界面形状。
如以上参考图3A所述的，可通过根据所限定的分布图生长晶体31并将模拟V/I转换与生长晶体31中的实际V/I转换相比较来精调V/I模拟器300。换句话说，将V/I模拟器和系统11的控制部件(即，PLC69，CPU71，存储器73)结合使用以提供开环回路控制系统。
现在参考图6，一个示例性流程图示出，根据本发明一个实施例，当按照直拉工艺生长单晶锭坯时与晶体生长装置结合使用的用于限定熔-固界面形状分布图的方法。在602，V/I模拟器300从识别沿模型锭坯长度的多个轴向位置的操作器接收希望进行形状控制的轴向位置数据。然后在604，V/I模拟器300从为每个所识别的轴向位置限定多个熔-固界面形状的操作器接收形状数据。在606，V/I模拟器300响应假设的晶体生长装置的工艺参数(例如，拉晶速度，熔体温度等)、所识别的轴向位置和相应被限定的熔-固界面形状，以限定在界面处的熔体温度的变化。例如，V/I模拟器300计算对应于每个所限定的熔-固界面形状的穿过界面的温度梯度G或晶体生长装置中的温度场。在608，V/I模拟器300响应计算出的温度梯度G以计算限定的速度vp和该计算出的温度梯度G之间的比率。在这种情况下，所限定的速度vp对应于在存储器中所存储的速度分布图并且限定倾斜变化的拉晶速度。如上所述，在动态生长过程期间(即，v/G变化)，在生长的硅晶体内部的点缺陷可从空位占主导向间隙占主导改变，或反之亦然，并且存在与这种变化有关的可识别的V/I转换。通过使用倾斜变化的拉晶速度，强制该模拟锭坯从空位占主导向间隙占主导转换，在610，V/I模拟器300生成对应于每个所识别的轴向位置的每个被限定的熔-固界面形状的V/I转换。在612，V/I模拟器300为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置识别对应于基本平直的V/I转换的目标形状。V/I模拟器300存储每个所识别的目标形状和相应的轴向位置以作为在存储器中的熔-固界面分布图。
在操作中，用于与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯的系统具有存储器，该存储器存储预先计算出的一组获得或基本获得所希望的熔-固界面分布图的在不同晶体长度处的工艺参数设定值。该熔-固界面分布图表示在拉晶期间随锭坯长度而变化的、在熔体和锭坯之间的所希望的熔-固界面形状。在拉晶期间，通过一组工艺增益可以估算随锭坯长度而变化的晶体生长装置的操作参数。而且，当锭坯从熔体中拉出时，一控制器响应确定的操作参数设定值以便根据确定的操作参数设定值调整晶体生长装置的操作条件，从而控制熔-固界面的形状。
在限定熔-固界面形状分布图时，可根据用于生长晶体的实际振荡的籽晶提升来选择工艺参数。在这种情况下，可通过淀析、体蚀刻、和装饰蚀刻或寿命测量的方法来确定实际的界面形状。本发明的这一实施例使得可以在随后的晶体上调整界面形状，以便在不同晶体长度处很好地获得所希望的界面形状。根据存在低或零微缺陷密度处(即，在V/I转换边界处)的通过实验确定的籽晶提升值，可以将籽晶提升分布图从振荡分布图改变成平滑分布图。当使用小的籽晶提升偏差或分布图调整以便尤其在无间隙环或大空位簇(由D缺陷或其它测量所识别)发生处保持低或零微缺陷水平时，可制造出基本上径向完美或径向低缺陷的硅。
附录A限定操作窗口的方法通过1150℃和1000℃之间的温度的冷却速度确定了工艺的最大可能容许的操作窗口。根据拉晶速度限定操作窗口。假定在一个位置处晶体的平均拉晶速度是x mm/min，则y mm/min的最大操作窗口意味着可在x+y/2mm/min和x-y/2mm/min之间的拉晶速度范围内在所选择位置处制造出基本无微缺陷的晶体。这根据以下进行确定。
如图7中所示，在具有已知的通过1150℃和1000℃之间的温度范围的冷却速度的热区中，用变化的拉晶速度分布图700生长晶体。则该晶体的特征在于识别出由线702限定的在中心的基本无微缺陷区域。可使用如FPD测量的各种特征化技术。测量在基本无微缺陷区域附近的由704表示的晶体实际界面形状。该界面形状被用于利用点缺陷模拟器来模拟点缺陷的分布。点缺陷模拟器提供由参考标号706表示的过剩的点缺陷浓度场Cv-Ci，其中Cv是空位浓度，Ci是间隙浓度。正的Cv-Ci表示富含空位的区域；负的Cv-Ci表示富含间隙的区域。而且，区域中Cv-Ci越高，所形成的空位型微缺陷就越大；区域中Cv-Ci越低(但是正的)，所形成的空位型微缺陷就越小。如果Cv-Ci是负的，但是数量值较大，则会形成较大的间隙型微缺陷。因此，对于在1150℃和1000℃之间的给定的冷却速度，存在由正的Cv-Ci和负的Cv-Ci限定的基本上无微缺陷的区域。这种基本无微缺陷可包含小于30nm的微缺陷。该最大操作窗口通过比较由实验确定的基本无微缺陷区域和由点缺陷模拟器预测的Cv-Ci场来确定。这限定了对于给定冷却速度的最大操作窗口。
在任何轴向位置处从所示圆柱锭坯上切下的任何圆片仍不是完全基本上无微缺陷。由于由锭坯制造的晶片是圆片，所以真实的操作窗口由沿径向位置，即从中心到边缘每处都基本无微缺陷的锭坯的宽度来限定。这称为真实的操作窗口。对于给定的冷却速度，改变界面形状可以改变该真实的操作窗口。首先通过点缺陷模拟器、然后通过实际的晶体生长，可以确定给出至少0.005mm/min、优选0.01mm/min、最优选0.02mm/min或更高的合格操作窗口的合格界面形状。任何使得可以制造出基本无微缺陷的圆片的界面都被定义为合格。
权利要求
1.一种与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯的方法，所述晶体生长装置具有容纳将锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅，所述锭坯在从该熔体拉出的籽晶上生长，所述方法包括以下步骤确定在拉晶期间随锭坯长度而变化的晶体生长装置的操作参数的设定值，所述设定值由预先限定的熔-固界面形状分布图规定，所述熔-固界面形状分布图表示在拉晶期间随锭坯的长度和影响熔体的操作条件而变化的、在熔体和锭坯之间所希望的熔-固界面形状；以及在从熔体拉出锭坯时，根据所确定的操作参数设定值调整晶体生长装置的操作条件以控制熔-固界面形状。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该操作条件是以下中的一个或多个熔体的温度；坩锅内部的磁场；锭坯的旋转速度；锭坯的旋转方向；坩锅的旋转速度；以及坩锅的旋转方向。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，该操作参数设定值是以下中的一个或多个晶体生长装置的加热器电源的加热器功率设定值；晶体生长装置的磁体电源的磁体功率设定值；晶体生长装置的坩锅驱动单元的坩锅旋转速度设定值；以及晶体生长装置的晶体驱动单元的晶体旋转速度设定值。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，根据所确定的操作参数设定值调整操作条件包括根据加热器功率设定值调整提供给晶体生长装置的加热器的功率，以改变熔体的温度梯度，从而控制熔-固界面形状。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，根据所确定的操作参数设定值调整操作条件包括根据磁体功率设定值调整提供给晶体生长装置的磁体的功率，以改变熔体的对流，从而控制熔-固界面形状。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于，根据所确定的操作参数设定值调整操作条件包括根据坩锅旋转速度设定值调整提供给晶体生长装置的坩锅驱动单元的功率以及根据晶体旋转速度设定值调整提供给晶体生长装置的晶体驱动单元的功率，以改变熔体的对流，从而控制熔-固界面形状。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，坩锅和锭坯沿相反方向旋转以控制熔-固界面形状。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，坩锅和锭坯沿相同方向旋转以控制熔-固界面形状。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，为具有预先计算出的晶体热边界条件的晶体生长装置的选定的热区确定操作参数的设定值。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括限定熔-固界面形状分布图。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，限定熔-固界面形状分布图包括沿模型锭坯长度选择多个轴向位置；为每个所识别的轴向位置限定多个熔-固界面形状；为每个该轴向位置和每个该熔-固界面形状确定晶体生长装置的热区的热模型；限定表示倾斜变化的拉晶速度的速度分布图；确定表示在模型锭坯的区域中产生的一个或多个点缺陷的点缺陷模型；所述点缺陷模型响应该速度分布图和该热模型，以便为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置的该多个所限定的熔-固界面形状中的每一个界面形状识别V/I转换；以及为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置识别对应于基本平直的V/I转换的目标熔-固界面形状。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，该方法还包括在熔-固界面分布图中存储每个所识别的目标形状和相应的轴向位置。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，限定热模型包括限定表示热区热特性的变化的界面形状响应模型。
14.一种限定熔-固界面形状分布图的方法，所述分布图与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯，所述晶体生长装置具有容纳锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅，所述锭坯在从熔体拉出的籽晶上生长，其中，所述熔-固界面形状分布图表示在拉晶期间随锭坯长度而变化的、在熔体和锭坯之间所希望的熔-固界面形状，该方法包括沿模型锭坯的长度选择多个轴向位置；为每个所识别的轴向位置限定多个熔-固界面形状；为每个该轴向位置和每个该熔-固界面形状确定晶体生长装置的热区的热模型；限定表示倾斜变化的拉晶速度的速度分布图；确定表示在模型锭坯的区域中产生的一个或多个点缺陷的点缺陷模型；所述点缺陷模型响应该速度分布图和该热模型，以便为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置的该多个所限定的熔-固界面形状中的每一个界面形状识别V/I转换；以及为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置识别对应于基本平直的V/I转换的目标熔-固界面形状。
15.一种与晶体生长装置结合使用以根据直拉工艺生长单晶锭坯的系统，所述晶体生长装置具有容纳锭坯从中拉出的半导体熔体的加热的坩锅，所述锭坯在从熔体拉出的籽晶上进行生长，所述系统包括存储预先限定的熔-固界面分布图的存储器，所述熔-固界面分布图表示在拉晶期间随锭坯长度和影响熔体的操作条件而变化的、在熔体和锭坯之间所希望的熔-固界面形状；处理器，该处理器响应该预先限定的熔-固界面分布图以确定在拉晶期间随锭坯长度而变化的晶体生长装置的操作参数的设定值；以及控制器，该控制器响应所确定的操作参数设定值以根据所确定的操作参数设定值调整晶体生长装置的操作条件，从而控制熔-固界面形状。
16.根据权利要求15的系统，其特征在于，该操作条件是以下中的一个或多个熔体的温度；坩锅内部的磁场；锭坯的旋转速度；锭坯的旋转方向；坩锅的旋转速度；以及坩锅的旋转方向。
17.根据权利要求15的系统，其特征在于，所确定的操作参数设定值是以下中的一个或多个晶体生长装置的加热器电源的加热器功率设定值；晶体生长装置的磁体电源的磁体功率设定值；晶体生长装置的坩锅驱动单元的坩锅旋转速度设定值；以及晶体生长装置的晶体驱动单元的锭坯旋转速度设定值。
18.根据权利要求17的系统，其特征在于，该控制器调整以下中的一个或多个，以控制熔-固界面形状根据加热器功率设定值而提供给晶体生长装置的加热器的功率，以改变熔体的温度梯度，从而控制熔-固界面形状；以及根据磁体功率设定值而提供给晶体生长装置的磁体的功率，以改变熔体的对流，从而控制熔-固界面形状。
19.根据权利要求15的系统，其特征在于，该控制器根据坩锅旋转速度设定值调整提供给晶体生长装置的坩锅驱动单元的功率，并根据晶体旋转速度设定值调整提供给晶体生长装置的晶体驱动单元的功率，以改变熔体的对流，从而控制熔-固界面形状。
20.根据权利要求15的系统，其特征在于，该系统还包括用于预先限定熔-固界面形状分布图的V/I模拟器，其中，该V/I模拟器包括为沿晶体长度的多个轴向位置中的每一个轴向位置的多个熔-固界面形状中的每一个界面形状生成温度梯度的温度模型；存储在存储器中并限定倾斜变化的拉晶速度的速度分布图；点缺陷模型响应该速度分布图和该温度模型，以便为该多个所限定的熔-固界面形状中的每一个生成表示从过剩的空位占主导的区域向过剩的间隙占主导的区域转换的预期V/I转换，其中，操作器检验所生成的V/I转换，以便为该多个所识别的轴向位置中的每一个轴向位置识别对应于基本平直的V/I转换的目标形状，以作为熔-固界面分布图存储在存储器中。
全文摘要
本发明提供一种用于制造基本没有不希望的数量或尺寸的附聚缺陷的半导体级单晶的方法和系统。空位/间隙(V/I)边界模拟器分析各种熔－固界面形状以预测各种熔－固界面形状中的每一种所对应的V/I转换曲线。为沿晶体长度的多个轴向位置中的每一个识别对应于基本平直的V/I曲线的目标熔－固界面形状。将实现每种所识别的熔－固界面形状的目标操作参数存储在熔－固界面形状分布图中。控制系统响应所存储的分布图以产生一个或多个控制信号，从而控制一个或多个输出装置，以便在晶体生长期间熔－固界面形状基本符合由分布图所限定的目标形状。
文档编号C30B15/22GK1737216SQ20051008783
公开日2006年2月22日 申请日期2005年6月7日 优先权日2004年6月7日
发明者M·库尔卡尼, V·尼蒂亚纳坦, L·W·费里, J·刘, J·于, S·L·金贝尔, C·金, J·C·霍尔泽, R·G·施伦克, K·李 申请人:Memc电子材料有限公司