[发明专利]生长处理中控制硅晶体直径的方法与装置

说明书

技术领域

本发明总体涉及控制用于制作电子元件用的单晶半导体生长处理的改进，详细地涉及一种按照预定的速度分布精确控制从半导体源熔体中拉升的单晶硅棒的直径的方法与装置。

背景技术

单晶硅是大多数制作半导体电子元件处理中的初始材料。拉晶机使用切氏(Czochralski)晶体生长处理生产大多数单晶硅。简言之，切氏处理包括熔解装在位于专门设计的炉内的石英坩埚中的高纯度多晶硅。在加热坩埚熔解装载的硅之后，晶体拉升机构降下一个籽晶使同熔解的硅接触。然后拉晶机构抽起籽晶从熔解的硅中拉升生长的晶体。典型的晶体拉升机构在缆索的一端悬挂籽晶，缆索的另一端缠绕在一个鼓上。当鼓转动时，取决于鼓的转动方向，籽晶向上或向下运动。

在形成晶体颈部后，生长处理通过减慢拉升速率与/或降低熔体温度增大生长晶体的直径直至达到要求的直径。通过控制拉升速率与熔体温度同时补偿熔体液面的降低，使得生长的晶体主体有一个大致恒定的直径(即通常它是圆柱形的)。当接近生长处理的终点但坩埚内熔解的硅被抽空之前，逐渐减小晶体直径以形成一个端部锥体。典型地，端部锥体通过提高拉升速率与增加供给坩埚的热而形成。当直径变为足够小时，使晶体脱离熔体。在生长处理期间，坩埚以某一方向转动熔体而晶体提升机构以相反的方向转动它的拉升缆索或轴以及籽晶与晶体。

虽然当前可利用的切氏生长处理已令人满意地用于生长在多种应用中有用的单晶硅，但仍要求作进一步的改进。例如，在晶体生长室内随着晶捧凝固后的冷却形成单晶硅中的许多缺陷。这些缺陷的出现，部分地是由于存在过量(即密度超过溶解度极限)的称为空位与自填隙的固有的点缺陷。有人认为硅中这些点缺陷的类型与初始密度能影响最后产品中堆积缺陷的类型与存在。如果这些密度达到系统中的临界过饱和水平且点缺陷的迁移率足够高，将很可能发生一个反应或一个堆积事件。硅中的堆积固有点缺陷能严重影响复杂集成电路生产中材料的屈服势能。

按照晶体“处方”中规定的预定速度分布或目标速率从熔体中精确拉升单晶硅棒帮助使处理满足控制缺陷形成的要求。例如，这种控制方法(这里称为“锁定的籽晶提升”处理)减小晶棒中固有点缺陷的数量与密度。此外，锁定的籽晶提升处理帮助控制空位与自填隙的密度以防止随着晶棒从凝固温度冷却晶棒内固有点缺陷的堆积。然而，常规的切氏硅生长处理通过改变拉升速率或籽晶提升速率以控制生长晶体的直径。本领域内的技术人员都知道提高拉升速率导致晶体直径的减小而降低拉升速率导致晶体直径的增大。同样熟知升高硅源熔体温度导致晶体直径的减小而降低熔体温度导致晶体直径的增大。监于这些理由，按照目标分布控制拉升速率可能导致直径误差，除非在生长期间精确调节熔体的温度。

可惜的是，在常规的生长处理中通常优选使用拉升速率来控制晶棒直径，因为实现熔体温度改变中的延迟常常是不能接受的。换句话说，选择拉升速率而非温度来控制直径是根据响应时间的差别，温度改变的响应时间大大长于拉升速率改变的响应时间。例如，拉升速率的一个阶跃改变典型地在几秒内得到直径响应，而加热器功率或熔体温度的一个阶跃改变导致一个缓慢的响应，得化费几十分钟才能得到一个相等的结果。

鉴于这些理由，要求一种只使用加热器功率而取消为控制直径所要求的拉升速率改变以控制硅晶体直径的从熔体拉升单晶硅的精确与可靠的装置与方法。

发明内容

本发明通过提供一种在锁定的籽晶提升处理下调节功率以保持适当控制晶体直径的方法与装置以满足上述要求并克服现有技术的不足。在本发明若干目的中可指出的有：提供一种提供精确直径的方法与装置；提供通过改变熔体温度以调节晶体直径这样一种方法与装置；提供能提供较快的熔体温度改变的这样一种方法与装置；提供使能模拟熔体温度响应的这样一种方法与装置；提供使能以加热器功率的函数形式改变晶体直径的这样一种方法与装置；提供可结合现有的晶体拉升装置的这样一种方法与装置；及提供经济上行得通与商业上实际可行的这样一种方法与装置。