一种拉晶系统和拉晶方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种拉晶系统和拉晶方法。

背景技术：

切克劳斯基法(以下称为“cz法”)是硅晶圆的制造中最广泛采用的单晶制备方法。cz法是将晶种浸渍于石英坩埚内的熔融硅中，一边提拉一边使单晶生长的方法。通过cz法形成的晶柱，进一步进行切割形成硅晶圆。

为了提高半导体器件的产率以及降低集成电路芯片的制造成本，单晶硅晶片的直径原来越大，这使得在单晶硅生长过程中出现越来越多的问题，如单晶氧浓度增加、晶体成长稳定性低和产率低等问题。一种解决方法是采用施加水平磁场的cz法，具体的，采用在盛有熔融单晶硅体的坩埚外施加一定强度的水平磁场，同时将坩埚进行转动和在晶体生长的方向上上下移动，以保证坩埚内硅熔体液面保持在恒定的磁场强度下进行拉晶。然而，在较大尺寸的晶体生长过程中，如450mm单晶硅的生长过程中需要更大的坩埚驱动装置以移动坩埚，现有技术中难以克服这一缺点。

因此，需要对目前拉晶系统和拉晶方法进行改进，以便消除目前存在的问题。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种拉晶系统，所述系统包括：

拉晶腔室，所述拉晶腔室包括存储硅熔体的坩埚；和

水平磁场施加装置，所述水平磁场施加装置包括围绕所述拉晶腔室外侧设置的多个环形线圈，所述多个环形线圈的功率分别独立控制，以使所述水平磁场施加装置施加在所述硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布可调。

示例性的，所述水平磁场施加装置包括顶部磁场线圈、中部磁场线圈和底部磁场线圈；其中，

所述顶部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述硅熔体液面以上的区域的所述环形线圈；

所述中部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述硅熔体液面到所述坩埚底部的区域的所述环形线圈；

所述底部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述坩埚底部以下的区域的所述环形线圈。

示例性的，所述水平磁场施加装置至少包括10个所述环形线圈。

示例性的，所述中部磁场线圈包括至少6个所述环形线圈。

示例性的，所述系统还包括设置在所述拉晶腔室顶部的硅熔体液面监控系统。

示例性的，所述硅熔体液面监控系统包括光学传感器。

示例性的，所述系统还包括水平磁场自动控制系统，用以对所述水平磁场施加装置进行自动控制。

示例性的，所述水平磁场自动控制系统包括：

数据采集模块，用以获取拉晶工艺中的工艺数据，所述工艺数据包括设备参数数据、与各设备参数数据相对应的产品性能数据；

数据转换模块，用以将所述工艺数据转换成可计算的标准化数据；

机器学习控制模块，用以根据所述工艺数据进行计算获得水平磁场施加装置控制预测结果，并根据所述水平磁场施加装置控制预测结果对所述水平磁场施加装置进行自动控制。

示例性的，所述水平磁场自动控制系统控制所述环形线圈的加载功率的大小和/或顺序。

本发明还提供了一种拉晶方法，其特征在于，在拉晶过程中调整施加在硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布，以维持所述硅熔体液面的水平磁场强度恒定。

示例性的，在拉晶过程中保持存储所述硅熔体的坩埚的水平位置恒定。

示例性的，所述调整施加在硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布的方法通过机器学习控制模型控制施加所述水平磁场的水平磁场施加装置实施。

示例性的，所述机器学习控制模型实施的过程包括：

获取拉晶工艺中的工艺数据，所述工艺数据包括设备参数数据、与各设备参数数据相对应的产品性能数据；

将所述工艺数据转换成可计算的标准化数据；

采用神经网络预测模型根据所述标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果；

根据所述水平磁场施加装置控制预测结果控制所述水平磁场施加装置。

根据本发明的拉晶系统和拉晶方法，可在拉晶过程中调整施加在坩埚内硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布，而非对坩埚位置进行调整，实现拉晶过程中坩埚内硅熔体液面的水平磁场强度维持恒定，避免了对坩埚进行上下驱动，从而避免了在进行大尺寸晶柱拉晶时使用较大体积或功率的坩埚驱动系统，从而减小拉晶系统体积。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了一种拉晶系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施的拉晶系统的结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

为了提高半导体器件的产率以及降低集成电路芯片的制造成本，单晶硅晶片的直径原来越大，这使得在单晶硅生长过程中出现越来越多的问题，如单晶硅氧浓度增加、晶体成长稳定性低和产率低等问题。一种解决方法是采用施加水平磁场的cz法，具体的，采用在盛有熔融单晶硅体的坩埚外施加一定强度的水平磁场，同时将坩埚进行转动和在晶体生长的方向上上下移动，以保证坩埚内硅熔体液面保持预定的磁场强度。如图1示出了一种拉晶系统的结构示意图，其中拉晶系统包括拉晶腔室1，拉晶腔室1内设置有坩埚2和对坩埚2进行加热的加热器3，坩埚2下方设置有坩埚驱动装置4用以驱动坩埚2旋转和在垂直方向上上下移动，其中，拉晶系统还包括设置在拉晶腔室外侧的水平磁场施加装置5，用以向位于坩埚2的硅熔体施加水平磁场。然而，现有的磁场施加装置在拉晶过程中的在垂直方向上的强度分布保持不变，例如在垂直方向上从硅熔体液面到底部逐渐增加或者减少但在同一水平高度上的强度保持不变，与此同时，通过坩埚驱动装置4控制坩埚2的旋转和上下移动，以保证硅熔体的液面在垂直方向上的位置恒定，从而在硅熔体液面处的位置具有恒定的预设磁场强度。在较大尺寸的晶体生长过程中，如450mm单晶硅的生长过程中需要更大尺寸或者功率的坩埚驱动装置以驱动坩埚上下移动，为此带来拉晶设备的尺寸增加，负荷增加等问题。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种拉晶系统，所述系统包括：

拉晶腔室，所述拉晶腔室包括存储硅熔体的坩埚；和

所述水平磁场施加装置包括围绕所述拉晶腔室外侧设置的多个环形线圈，所述多个环形线圈的功率分别独立控制，以使所述水平磁场施加装置施加在所述硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布可调。

根据本发明的拉晶系统和拉晶方法，在拉晶过程中调整施加在坩埚内硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布，而非对坩埚位置进行调整，实现拉晶过程中坩埚内硅熔体液面的水平磁场强度维持恒定，避免了对坩埚进行上下驱动，从而避免了在进行大尺寸晶柱拉晶时使用较大体积或功率的坩埚驱动系统，从而减小拉晶系统体积。

实施例一

为了解决现有技术中的问题，本实施例提供了一种拉晶系统，其适用于较大直径硅晶圆拉晶工艺，尤其适用于450mm直径硅晶圆拉晶工艺。如图2所示，示出了根据本发明的一个实施例的一种拉晶系统的结构示意图。所述拉晶系统包括拉晶腔室21，拉晶腔室内设置有存储硅熔体的坩埚22以及对坩埚22进行加热的加热器23，在拉晶腔室21外侧的水平磁场施加装置25，用以向位于坩埚22的硅熔体施加水平磁场，坩埚22内存储有硅熔体26。所述水平磁场施加装置包括围绕所述拉晶腔室外侧设置的多个环形线圈，所述多个环形线圈的功率分别独立控制，以使所述水平磁场施加装置施加在所述硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布可调。通过设置多个环形线圈，其中每一环形线圈由独立电源控制产生水平磁场，从而使得在拉晶过程中施加在硅熔体上水平磁场的磁场强度在垂直方向上可调，即在拉晶过程中不需要对坩埚位置进行调整维持硅熔体液面恒定的情况下实现了坩埚内硅熔体液面的磁场强度保持恒定，从而避免了对坩埚进行上下驱动，在进行大尺寸晶柱拉晶时，减少了使用较大体积或功率的坩埚驱动系统，从而减小拉晶系统体积。

继续参看图2，在坩埚22下方设置有坩埚驱动装置24用以驱动坩埚22旋转。在拉晶过程中保持坩埚旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使硅晶柱等径生长。所述拉晶系统还包籽晶、拉线、拉线马达28、氩气板以及设置在加热器外侧的绝热材料层等现有技术中的配置，并未在图2中全部示出，本领域技术人员可以根据需要进行选择，在此不再赘述。

示例性的，所述水平磁场施加装置包括顶部磁场线圈、中部磁场线圈和底部磁场线圈；其中，所述顶部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述硅熔体液面以上的区域的所述环形线圈；所述中部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述硅熔体液面到所述坩埚底部的区域的所述环形线圈；所述底部磁场线圈包括施加的水平磁场分布在所述坩埚底部以下的区域的所述环形线圈。从而形成包括整个硅熔体的水平磁场，在拉晶过程中可以形成宽泛的磁场可调范围，形成的磁场中心可调区域位于硅熔体液面到坩埚底部之间。如图2所示，水平磁场施加装置25包括顶部磁场线圈251、中部磁场线圈252和底部磁场线圈253，其中，顶部磁场线圈251施加的磁场位于硅熔体26液面26a以上的区域，中部磁场线圈252施加的磁场位于硅熔体26的液面26a以下到坩埚22的底部22b以上的区域，底部磁场线圈253施加的磁场位于坩埚22的底部22b以下的区域。

示例性的，所述水平磁场施加装置至少包括10个所述环形线圈。其中，示例性的，所述中部磁场线圈至少包括6个环形线圈，设置至少包括6个磁场环形线圈，在拉晶过程中，随着拉晶过程的进行，在坩埚保持垂直方向上位置不变的情况下，坩埚内硅熔体的液面逐渐下降，设置至少6个磁场环形线圈可以在垂直方向从硅熔体液面到坩埚底部分布的磁场的强度通过至少6个磁场环形线圈控制，进一步精确控制拉晶过程中硅熔体液面的磁场强度。如图2所示，顶部磁场线圈251包括2个环形线圈，中部磁场线圈252包括6个环形线圈，底部磁场线圈253包括2个环形线圈。

示例性的，所述顶部磁场线圈至少包括2个环形线圈，即通过至少2个环形线圈进一步精确控制硅熔体液面以上的水平磁场强度在垂直方向上的分布。示例性的，所述底部磁场线圈至少包括2个环形线圈，即通过至少2个环形线圈进一步精确控制坩埚底部以下的水平磁场强度在垂直方向上的分布。

需要理解的是，所述顶部磁场线圈、中部磁场线圈和底部磁场线圈的设置仅仅是示例性的，任何多个环形线圈可以实现施加在硅熔体上的水平磁场的磁场强度在垂直方向分布可调的实施方式均可适用于本发明。还需要理解的是，多个环形线圈可以具备相同的线圈密度、直径等线圈参数，也可以具备不同的线圈参数，本领域技术人员可以根据需要进行设置。

示例性的，所述系统还包括位于所述拉晶腔室顶部的硅熔体表面监控装置。所述监控装置用以监控硅熔体液面状态。示例性的，所述监控装置设置为光学传感器，用以监控硅熔体液面位置，根据硅熔体的液面位置对磁场施加装置进行调整。如图2所示，在拉晶腔室21的顶部设置光学传感器27。

示例性的，所述系统还包括水平磁场自动控制系统，用以对所述水平磁场施加装置进行自动控制。所述水平磁场自动控制系统包括：数据采集模块，用以获取拉晶工艺中工艺数据，所述工艺数据包括设备参数数据、与各设备参数数据相对应产品性能数据；数据转换模块，用以将所述工艺数据转换成可计算的标准化数据；机器学习控制模块，用以根据所述工艺数据进行计算获得水平磁场施加装置控制预测结果，并根据所述水平磁场施加装置控制预测结果对所述水平磁场施加装置进行自动控制。所述水平磁场自动控制系统采用在拉晶工艺过程中获得的工艺数据，通过机器学习控制模型产生预测数据，通过预测数据控制所述水平磁场施加装置的线圈加载数量，加载功率等加以控制。

示例行的，所述通过学习控制模型对水平磁场施加装置进行控制的过程包括：获取拉晶工艺中工艺数据，所述工艺数据包括设备参数数据、与各设备参数数据相对应产品性能数据；将所述工艺数据转换成可计算的标准化数据；采用神经网络预测模型根据所述标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果；根据水平磁场施加装置控制预测结果控制水平磁场施加装置。

示例性的，所述设备参数数据包括拉晶过程中水平磁场施加装置中的独立线圈个数、各个独立线圈中功率数据和时间数据以及拉晶时间控制数据等。示例性的，所述产品性能数据包括硅硅晶圆尺寸、晶圆中氧浓度分布(包括硅晶柱中垂直方向上和径向上的氧浓度分布)、原生缺陷分布、电阻率分布等。将所获得的所述工艺数据进行数据转换，得到可计算的标准化数据后，采用神经网络预测模型根据标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果。所述数据转换和利用神经网络计算水平磁场施加装置控制预测结果的方法可以采用本领域技术人员所通用的方法，在此不再赘述。最后，根据计算出的水平磁场施加装置控制预测结果对水平磁场施加装置进行自动控制。示例性的，水平磁场施加装置控制预测结果包括水平磁场施加装置的设备参数的预测结果。通过水平磁场施加装置控制预测结果控制水平磁场施加装置包括控制环形线圈的加载功率的大小和/或顺序。

需要理解的是，本实施例中以神经网络的方法作为机器学习模型的示例对水平磁场自动控制系统的控制方式进行说明仅仅是示例性的，其他机器学习的模型，如基于向量机的统计学习、深度学习等，均适用于本发明。

实施例二

本发明还提供了一种采用实施例一所述的拉晶系统进行拉晶方法，其中在拉晶过程中调整施加在硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布。在拉晶过程中调整施加在坩埚内硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布，而非对坩埚位置进行调整，实现拉晶过程中坩埚内硅熔体液面的水平磁场强度维持恒定，从而避免了对坩埚进行上下驱动，在进行大尺寸晶柱拉晶时，减少了使用较大体积或功率的坩埚驱动系统，从而减小拉晶系统体积。

示例性的，所述拉晶的过程包括：多晶硅原料掺杂和融化过程，水平磁场加载过程；硅熔体升温和稳定过程；籽晶和熔体接触过程；房间、提拉、等径控制以及收尾过程，所述过程可以是与现有技术中的拉晶过程相同的过程或相似的变形，在此不再赘述。以下仅仅对提拉过程进行示例性的描述。

示例性的，在拉晶过程中保持存储硅熔体的坩埚的水平位置恒定，可以保持拉晶过程中硅熔体的稳定性。参看图2，在拉晶腔室21中，将由作为原料的多晶硅块置于坩埚22内，以预定的温度设定加热器23对坩埚进行加热，以使多晶硅块熔融形成如图2中所示的硅熔体26。驱动晶种浸没于硅熔体26中，并驱动拉线马达28以一定速度提拉晶种，晶种在拉线的提拉下向上提拉出单晶柱20，在此过程中，硅熔体26的液面随着提拉过程中的进行液面高度下降，同时调整水平磁场施加装置25，使得液面下降的过程中在液面位置的磁场强度保持恒定，而在此过程中，保持坩埚位置不变。经过此步提拉过程形成单晶硅晶锭。

示例性的，在拉晶过程中对施加在所述硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布进行自动控制。示例性的，通过机器学习控制模型对施加在所述硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布进行自动控制。示例行的，所述通过学习控制模型对水平磁场施加装置进行控制的过程包括：获取拉晶工艺中工艺数据，所述工艺数据包括设备参数数据、与各设备参数数据相对应产品性能数据；将所述工艺数据转换成可计算的标准化数据；采用神经网络预测模型根据所述标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果；根据水平磁场施加装置控制预测结果控制水平磁场施加装置。

示例性的，所述设备参数数据包括拉晶过程中水平磁场施加装置中的独立线圈个数、各个独立线圈中功率数据和时间数据以及拉晶时间控制数据等。示例性的，所述产品性能数据包括硅硅晶圆尺寸、晶圆中氧浓度分布(包括硅晶柱中垂直方向上和径向上的氧浓度分布)、原生缺陷分布、电阻率分布等。将所获得的所述工艺数据进行数据转换，得到可计算的标准化数据后，采用神经网络预测模型根据标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果。所述数据转换和利用神经网络计算水平磁场施加装置控制预测结果的方法可以采用本领域技术人员所通用的方法，在此不再赘述。最后，根据计算出的水平磁场施加装置控制预测结果对水平磁场施加装置进行自动控制。示例性的，水平磁场施加装置控制预测结果包括水平磁场施加装置的设备参数的预测结果。通过水平磁场施加装置控制预测结果控制水平磁场施加装置包括控制环形线圈的加载功率的大小和/或顺序。所述水平磁场自动控制系统采用在拉晶工艺过程中获得的工艺数据，通过学习控制模型产生预测数据，通过预测数据控制所述水平磁场施加装置的线圈加载数量，加载电流等加以控制。

示例性的，所述设备参数数据包括拉晶过程中水平磁场施加装置中的独立线圈个数、各个独立线圈中功率数据和时间数据以及拉晶时间控制数据等。示例性的，所述产品性能数据包括硅硅晶圆尺寸、晶圆中氧浓度分布(包括硅晶柱中垂直方向上和径向上的氧浓度分布)、原生缺陷分布、电阻率分布等。将所获得的所述工艺数据进行数据转换，得到可计算的标准化数据后，采用神经网络预测模型根据标准化数据计算出水平磁场施加装置控制预测结果。所述数据转换和利用神经网络计算水平磁场施加装置控制预测结果的方法为本领域技术人员所熟知的方法，在此不再赘述。

综上所述，根据本发明的拉晶系统和拉晶方法，在拉晶过程中调整施加在坩埚内硅熔体上的水平磁场强度在垂直方向上的分布，而非对坩埚位置进行调整，实现拉晶过程中坩埚内硅熔体液面的水平磁场强度维持恒定，避免了对坩埚进行上下驱动，从而避免了在进行大尺寸晶柱拉晶时使用较大体积或功率的坩埚驱动系统，从而减小拉晶系统体积。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。