特許 7506749 半導体単結晶成長用の温度制御システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-18

(45)【発行日】2024-06-26

(54)【発明の名称】半導体単結晶成長用の温度制御システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20240619BHJP

   C30B 15/20 20060101ALI20240619BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502E

C30B15/20

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022539373

(86)(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-10

(86)【国際出願番号】 CN2020137853

(87)【国際公開番号】W WO2021129546

(87)【国際公開日】2021-07-01

【審査請求日】2022-06-24

(31)【優先権主張番号】201911346042.X

(32)【優先日】2019-12-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】523194961

【氏名又は名称】ジョンフアン アドヴァンスド セミコンダクター テクノロジー カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｚｈｏｎｇｈｕａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ホアン，モー

(72)【発明者】

【氏名】リウ，リンヤン

(72)【発明者】

【氏名】ガオ，ハイタン

(72)【発明者】

【氏名】リウ，チー

(72)【発明者】

【氏名】チェン，イー

(72)【発明者】

【氏名】ワン，シュアンリー

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０９２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６１８４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／０６

Ｃ３０Ｂ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固液界面で成長する結晶棒の稜線の画像を撮像することで、前記界面での前記稜線の幅を決定する画像収集装置と、
坩堝を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置の加熱電力を制御する温度制御装置と、を備える半導体単結晶成長用の温度制御システムであって、
前記温度制御装置は、前記稜線の幅に基づき、前記加熱装置に対する電力制御を行い、
前記半導体単結晶成長用の温度制御システムは、段階型先行隙間加熱法を利用して、前記加熱装置の加熱電力を増加又は減少させる、ことを特徴とするシステム。

【請求項2】

結晶棒の成長方向は、１００方向、１１０方向、又は１１１方向である、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記加熱装置は、坩堝の側壁及び底部にそれぞれ設けられる複数の加熱部材を備え、側壁での加熱部材は側壁から坩堝を加熱し、底部での加熱部材は底部から坩堝を加熱する、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記稜線の幅が所定範囲よりも小さい場合、側壁での加熱部材の加熱電力を増加させるとともに、底部での加熱部材の加熱電力を減少させることで、固液界面での軸方向温度勾配を減少させ、
前記稜線の幅が所定範囲よりも大きい場合、側壁での加熱部材の加熱電力を減少させるとともに、底部での加熱部材の加熱電力を増加させることで、固液界面での軸方向温度勾配を増加させる、ことを特徴とする請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記段階型先行隙間加熱法は、加熱電力の増加速度に基づき、増加―減少―増加という交互型加熱電力の漸増を採用するか、又は、加熱電力の減少速度に基づき、減少―増加―減少という交互型加熱電力の漸減を採用する、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記画像収集装置は、観測窓でのデュアルラインスキャンカメラ又はシングルラインスキャンカメラである、ことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載のシステム。

【請求項7】

画像から稜線の幅を決定することは、界面エッジ曲線の抽出ステップ、曲率算出ステップ、及び曲率変化と閾値との比較ステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

画像収集装置が固液界面で成長する結晶棒の稜線の画像を撮像するステップと、
撮像された画像に基づき、前記稜線の幅を決定するステップと、を含む半導体単結晶成長用の温度制御方法であって、
前記稜線の幅に基づき、坩堝を加熱し、
前記稜線の幅が所定範囲よりも小さい場合、坩堝の側壁での加熱電力を増加させるとともに、坩堝底部での加熱電力を減少させることで、固液界面での軸方向温度勾配を減少させ、
前記稜線の幅が所定範囲よりも大きい場合、坩堝の側壁での加熱電力を減少させるとともに、坩堝底部での加熱電力を増加させることで、固液界面での軸方向温度勾配を増加させ、
段階型先行隙間加熱法を利用して、前記加熱電力を増加又は減少させる、ことを特徴とする方法。

【請求項9】

前記段階型先行隙間加熱法は、加熱電力の増加速度に基づき、増加―減少―増加という交互型加熱電力の漸増を採用するか、又は、加熱電力の減少速度に基づき、減少―増加―減少という交互型加熱電力の漸減を採用する、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

【請求項10】

画像から稜線の幅を決定するステップは、界面エッジ曲線の抽出ステップ、曲率算出ステップ、及び曲率変化と閾値との比較ステップを有する、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

【請求項11】

結晶棒の成長方向は、１００方向、１１０方向、又は１１１方向である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、半導体単結晶の成長技術、特に半導体単結晶成長用の温度制御システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

チョクラルスキー法は、半導体単結晶成長の主な方法である。図１は典型的なチョクラルスキー単結晶炉の模式図であり、主に坩堝、加熱ユニット、リフティングロープ、観測窓、及び結晶体融液などを含む。単結晶シリコンを例として、単結晶シリコン棒の成長過程は、図１のチョクラルスキー単結晶炉において、まず、不均一結晶核として、シリコン融液を収容している坩堝に種結晶を導入してから、加熱ユニットによって熱電界を制御し、リフティングロープを利用して、種結晶を回転させるとともに、ゆっくりと引き上げることで、結晶方向が種結晶と一致する半導体単結晶棒を成長させる。ここで、結晶方向は一般的に、＜１００＞、＜１１０＞、＜１１１＞方向であり、半導体単結晶の成長にとって、熱電界の制御は非常に重要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

半導体デバイスがますます小さくなっているに連れて、半導体ウェハの品質に対する要求もますます高くなり、特に、ウェハの表面欠陥、平坦度、及び表面金属不純物に対する要求は継続的に高くなっている。従って、固液界面での軸方向温度勾配を適切な範囲に制御することは、ますます重要になり、その理由は、成長する結晶棒の品質と密接につながっているからである。近年、研究したところ、チョクラルスキー法による半導体単結晶の成長過程で、固液界面での軸方向温度勾配は、成長する結晶棒の稜線の幅に関することが発見された。

【0004】

例示として、図２は、＜１００＞結晶方向の結晶棒の断面図を示す。図２から分かるように、４本の稜線は結晶体の＜１１０＞方向にあり、stockmeierなどの研究者は、＜１００＞結晶方向に成長する結晶棒の稜線の幅と、固液界面での軸方向温度勾配との間の関係「１」(L.Stockmeier et al. J.Cryst.Growth 515 26(2019))を与える。また、他の結晶方向に成長する結晶棒の稜線について、成長する結晶棒の稜線は異なる位置及び配向にあるが、稜線の幅と、固液界面での軸方向温度勾配との間にも対応する関係が存在する。ところが、いままで、固液界面での軸方向温度勾配を正確に決定し、効果的に制御できない。

【0005】

本発明は、上記課題を解決するために、半導体単結晶成長用の温度制御システム及び方法を提供する。そのため、本発明は以下の技術案を採用する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体単結晶成長用の温度制御システムであって、前記システムは、固液界面で成長する結晶棒の稜線の画像を撮像することで、前記界面での前記稜線の幅を決定する画像収集装置と、坩堝を加熱する加熱装置と、前記加熱装置の加熱電力を制御する温度制御装置と、を備え、前記温度制御装置は、前記稜線の幅に基づき、前記加熱装置を制御する。

【0007】

半導体単結晶成長用の温度制御方法であって、画像収集装置が固液界面で成長する結晶棒の稜線の画像を撮像するステップと、撮像された画像に基づき、前記稜線の幅を決定するステップと、を含み、前記稜線の幅に基づき、坩堝を加熱する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】典型的なチョクラルスキー単結晶炉の模式図である。

【図2】＜１００＞結晶方向の結晶棒の断面図を示す。

【図3(a)】成長中の半導体単結晶の２Ｄ画像である。

【図3(b)】図３（ａ）の画像から抽出された固液界面の２Ｄ画像である。

【図4】本発明の実施例による、固液界面の２Ｄ画像を処理することで、稜線の対応位置と幅とを予測する原理図を示す。

【図5】本発明の実施例による、＜１００＞結晶方向の稜線の幅と、界面での軸方向温度勾配との間の関係の曲線図を示す。

【図6】本発明の実施例による、固液界面での軸方向温度勾配を制御する加熱装置の模式図を示す。

【図7】本発明の実施例による、段階型先行隙間加熱法用加熱部材に付与された段階型加熱電力の図示である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を具体的に説明し、図面及び実施例は限定用のものではなく、単に説明するためのものである。

【0010】

本発明の実施例によれば、成長中の結晶体の稜線の幅を決定するために、まず、撮影を行う。カメラによる画像取得は、外部でトリガされるように設定される。輝度の明るすぎ、又は外部光源の干渉を避けるために、カメラレンズの外部にＩＲバンドパスフィルタを追加する。図３（ａ）は、カメラが撮影した、成長中の半導体単結晶の２Ｄ画像である。好ましくは、前記カメラは観測窓に配置されて、成長する結晶棒を撮影する。

【0011】

１つの実施例において、カメラはデュアルラインスキャンカメラ、又は他の任意の高解像度カメラを採用してもよい。別の実施例において、成長する結晶棒の直径を取得できる場合、シングルラインスキャンカメラを採用してもよく、その理由は、この時、成長する結晶棒の直径と結晶棒のリアルタイムの回転速度とを利用して、稜線の幅を決定できるからである。図３（ａ）から分かるように、種結晶を継続的に回転させ、引き上げるとともに、融体の表面から半導体結晶棒を生成し、矢印が示す位置は、稜線の対応位置である。

【0012】

図３（ｂ）は、図３（ａ）の画像から抽出された固液界面での対応する２Ｄ画像である。図３（ｂ）に示すように、底部の白い部分は固液界面の画像であり、撮影の視野角のため、略弧状をなし、また、図面から分かるように、稜線位置での固液界面の曲率は異なる。また、処理及び算出を簡略化するために、図３（ｂ）に示すように、固液界面の２Ｄ画像は、さらに短くトリミングされてもよいが、少なくとも稜線位置及びその付近領域を含むべきである。

【0013】

固液界面の２Ｄ画像を取得した後、以下のように画像を処理することで、稜線の位置及び幅を決定する。具体的に、画像から稜線の位置及び幅を決定することは、界面エッジ曲線の抽出ステップ、曲率算出ステップ、及び曲率変化と閾値との比較ステップを含む。図４は、本発明の実施例による、固液界面の２Ｄ画像を処理することで、稜線の対応位置と幅とを予測する原理図を示す。

【0014】

説明の便宜上、図４の上部は、図３（ｂ）の固液界面の２Ｄ画像を示す。当該２Ｄ画像に対して、複数の検索方法を利用して、界面エッジ曲線を探し出し、探し出した界面エッジ曲線に対して、曲率を算出する。図４に示すように、初期エッジ曲線を多項式でフィッティングし、フィッティングされた曲線に対して一次導関数を求めることで、エッジ曲線の曲率を取得し、多項式でフィッティングされた曲線は、初期曲線とよく一致するため、図面において、基本的に、同一線として重なっているが、これは例示として、限定的なものではない。

【0015】

また、図４から分かるように、当該エッジ曲線の曲率は、非稜線の位置での値が小さくて、稜線の対応位置での値が大きく、それは、稜線での曲率が大きいからである。そして、曲率の変化を決定し、図４に示すように、エッジ曲線に対して二次導関数を求めることで、エッジ曲線の曲率変化曲線を取得する。その後、エッジ曲線の曲率変化に基づき、閾値線を定義し、曲率変化曲線のピーク位置、及び前記閾値線との交差点位置を決定し、曲率変化曲線のピーク位置は、決定された稜線位置であり、それと前記閾値線の２つの交差点位置との間の距離は、決定された稜線の幅ｗである。

【0016】

稜線の幅は変わらないわけではなく、結晶棒の成長するに連れて、放熱領域はますます大きくなり、固液界面での温度勾配はますます高くなり、結果として、稜線の幅はますます小さくなる。従って、以上によれば、稜線の幅を決定した後、稜線の幅を適切な範囲に維持するために、所定の稜線の幅に基づき、理論的に確立した関係を利用して、固液界面での軸方向温度勾配を制御する。例示として、図５は＜１００＞結晶方向の稜線の幅と、界面での軸方向温度勾配との間の関係の曲線図を示す。図５から分かるように、稜線の幅を２mm～６mmの範囲に安定に維持するために、固液界面での温度勾配を６０～９０K/cmに維持する必要がある。以下、本発明の実施例による温度制御装置及び方法を説明する。

【0017】

従来の加熱装置はメイン加熱部材及び底部加熱部材を備え、前記メイン加熱部材は坩堝の側壁に設けられることで、側壁から坩堝を加熱し、液面の凝結を防止するために、固液界面に跨って加熱する。従来の加熱装置は、メイン加熱部材と底部加熱部材との加熱を単独に制御しない。本発明は、メイン加熱部材は固液界面に跨って界面の両側を同時に加熱し、界面での軸方向温度勾配に対する変更は著しくなくて、底部加熱部材は界面から遠いため、界面での軸方向温度勾配に対する変更はより著しい状況を考える。

【0018】

図６は、本発明の１つの実施例による、固液界面での温度勾配を制御する加熱装置の模式図を示し、固液界面での軸方向温度勾配を効果的に制御するために、必要に応じて、メイン加熱部材及び底部加熱部材に対して、単独に異なる制御を行う。好ましくは、抵抗加熱によって熱を発生させ、放射の方式で、坩堝に放射し、さらに、坩堝から溶融物に伝導して、溶融物を加熱する。底部加熱部材は液面から遠いため、その電力を比較的に高くして、好ましくは、溶融物の電力の２０～２５％にし、メイン加熱部材は液面から近いため、電力は高すぎ又は低すぎると、液面に対する影響が大きいから、その電力を３～１０％に制御する。

【0019】

図６において、側壁での加熱部材は熱を矢印Ａの方向で伝達することで、側壁から坩堝内の溶融物を加熱し、底部での加熱部材は熱を矢印Ｂの方向で伝達することで、底部から坩堝内の溶融物を加熱する。そして、一部の熱は溶融物の対流及び拡散によって、溶融物の表面に伝達され、表面のアルゴンガスによって奪われて（Ｃ）、一部の熱は固液界面による相変化吸収を経て、結晶体に伝達されてから（Ｄ）、結晶体の表面からアルゴンガスに放射される（Ｅ）。底部での加熱部材は、固液界面の融体側に位置するため、固液界面での温度勾配をより効果的に変更できる。

【0020】

例えば、稜線の幅が大きくなった場合、固液界面での軸方向温度勾配が小さくなったことを意味し、この際、底部での加熱装置の電力を増加させるとともに、側壁での加熱装置の電力を減少させることで、溶融物において坩堝の最高温度を下に移動させ、浮力渦流の経路を長くして、固液界面での軸方向温度勾配が大きくなる。逆に、稜線の幅が小さくなった場合、固液界面での軸方向温度勾配が大きくなり、つまり、放熱がよくなったことを意味し、この際、底部での加熱装置の電力を減少させるとともに、側壁での加熱装置の電力を増加させることで、溶融物において坩堝壁の最高温度を上に移動させ、浮力渦の経路を短くして、固液界面での軸方向温度勾配は小さくなる。

【0021】

また、一般的に、従来の加熱装置には、一般的には、一定的に変化する電力が付与され、熱を固液界面に伝達するのに、長い時間を必要とする。熱平衡速度を速くして、単結晶構成を失わないように、本発明は、従来の加熱方法とは異なる段階型先行隙間加熱法を利用して、より迅速に熱平衡にする。前記段階型先行隙間加熱法は、加熱電力の増加速度に基づき、増加―減少―増加という交互型加熱電力の漸増を採用するか、又は加熱電力の減少速度に基づき、減少―増加―減少という交互型加熱電力の漸減を採用する。

【0022】

以下、図７を参照しながら、本発明による段階型先行隙間加熱法を具体的に説明する。図７は、段階型先行隙間加熱法を使用する場合の、加熱電力の段階型上昇及び加熱電力の段階型下降を示す。以下では、図７の段階型降温を例として説明する。加熱装置の電力を８４KWから７２KWに減少させた場合、まず、電力変化速度及びステップ数を決定し、電力の変化が速すぎたり、遅すぎたりすると、結晶体の成長が不順になり、ステップ数も適切に選択すべきである。

【0023】

例示として、図７において、電力変化速度を１KW/MINに決定し、加熱電力の段階型下降を２４個のステップに分ける。ここで、図７は。横座標がステップ数であり、縦座標が加熱電力である。そして、電力変化速度の斜線を基準線として、例えば、第１０のステップの電力値を推定し、当該値を第１～第３のステップの固定値とする。その後、第６のステップの基準線の値を第４～第６のステップの固定値に決定する。

【0024】

次に、第７～第９のステップの固定値として、基準線を利用して、第１６のステップの値を推定する。このように、後続の各ステップの値を決定することで、合計２４個のステップの加熱電力の段階型下降を取得する。加熱電力の段階型上昇について、各ステップの電力値の決定は段階型下降に類似するため、ここでは説明を省略する。

【0025】

以上のように、本発明は主に、成長する半導体単結晶の稜線の幅をリアルタイムに観測することで、固液界面での軸方向温度勾配を決定し、さらに制御し、これにより、無欠陥の半導体単結晶を製造する目的を達成する。本発明のシステム及び方法によって製造される半導体単結晶は、結晶欠陥がなく、半導体チップ工場がデバイスの製造過程で、シリコンウェハ表面の結晶欠陥による影響によって、良品率の損失を招くことはない。また、本発明のシステム及び方法は、さらに製造効率を向上させ、製造コストを減少させることができる。

【0026】

上記の実施例は、単に本発明の好適な実施として、本発明の技術案に対する限定ではなく、進歩性に値する労働を必要とせず、上記実施例に基づき実現できる技術案であれば、何れも本発明特許の請求項の範囲内に含まれるとみなすべきである。

【図1】

【図2】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】