TW219955B - - Google Patents

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219933 A6 B6 五、發明説明（） 發明背暑 本發明係關於一種方法經由變動尖端磁場與變動晶體大 小以及坩煱旋轉速率之姐合Μ調節氧在Czochralski拉伸 矽晶體棒中之濃度及分佈之方法。 當晶體自儲存於一個容器中之熔融液體中成長時，此容 器之成分物料是部分溶解於此熔融液體中由是移動至產品 晶體中作為'雜質。於矽之熔融溫度（約14201^ )，與此熔物 接觸之氧化矽（Si 02)坩堝之表面溶解。此溶解的二氧化砂 之一部分自此熔物之表面MSiO (—氧化矽）蒸發。另一部 分溶解的二氧化矽併入成長之晶體中。剌餘之溶解二氧化 矽則保留在-溶融矽中。因此，用於存放此矽熔物之二氧化 矽坩堝是氧之來源，其存在於籍此習用Czochralski技術 生長之矽晶體中。 在矽晶體中之氧可K具有利及不利的影響。在製造多種 電器装置期間之多種熱處理方法中，晶體中之氧可造成晶 體缺陷諸如沈澱*位錯環及堆築層錯或其可K造成電活性 缺陷，结果是得到性能較差的裝置。然而，在晶體中氧之 固態溶液，增加矽晶片之機械強度及此晶體缺陷籍截面重 金靨雜質可能改良與其一致的產品之產率。於是，此矽晶 體之氧含量是產品品質之一項重要因素必須根據此矽晶片 之最後使用之箱求作妥善控制。 在1980年代初期普通用於本工業之Czochralski條件下 生長之矽晶體中之氧濃度沿此晶體之長度變動，例如，此 晶體之種晶端較中間及/或底部或特性端為高。此外，氧 {請先閱讀背面之注意事項再填窵本页) 甲 4(210X297 公角） 19933 A6 B6 五、發明説明（） 濃度沿此晶體之横切片之半徑變動。 Frederick等在美國專利4,436,577中提示一種方法用於 調節矽晶體棒中之氧含量及氧含量之公佈，此矽晶體棒是 自種晶對貯於一姐二氧化矽坩堝中之一種矽熔物拉伸，根 據此方法，藉對旋轉此熔物坩堝相反之方向Μ較高速率旋 轉自此熔物拉伸之晶種棒同時阐坩堝熔物水平面下降增加 坩堝旋轉率^控制氧分佈。 然而，更晚近若干年來矽半導體技術方面之進步*已經 獲得比Freder ick等之專利所揭示者直徑更大的矽晶體。 因此，需要增加熔物進料量及更大的坩堝直徑。此外，半 導體製造技/術已演變至通常需要切自錠塊之矽晶片中較低 及更精確控制之氧量。於是，由於更大的物理參數（其限 制晶體之範圍及坩堝旋轉速率於此速率穩定晶體成長才有 可能）所造成之物理限制使均一化氧含量於一切所需之濃 度範圍變成越來越困難。 為解決此越來越困難的氧控制問題，近年來已經注意到 使用一棰袖對稱及經尖端磁場。日本公開專利 58 [1983]-217493中建議此方法。根據此方法，裝設一對 線圈於此熔融液體之上及之下•環形電流Μ相反方向通過 這些線圈。其結果為沿此熔融液體之深度之1/2位置處生 成一個徑水平磁場。根據申請者之說詞•此徑向尖端磁場 限制此熔融液體之流動，於是穩定此熔物及防止來自坩堝 之污染。 Barraclough等在 W0 89/08731(21,09,89)中提出對此尖 ......................................................¾..............................ir..............................# (請先聞讀背面之注意事項再瑱寫本页) 甲 4(210X297 乂廣） -4- 2122ό3 Α6 Β6 五、發明説明（） 端磁場法之一種改良方法。根據Barraclough等，此磁場 必須有場之一個姐成與晶體旋轉之軸平行其在成長中的晶 體與熔物之界面間是低於500高斯，在此熔物之其他部分 有數值在500高斯K上及在晶體之成長期間維持磁場於這 樣的分佈。 Hirata等在日本公開專利平1[1989]-2δ2185中提出一種 不同的改良'。根據Hirata等·藉施加一個尖端磁場於此熔 物上，以相反方向旋轉坩堝及晶體，及K比旋轉此晶體較 高的旋轉速率旋轉此坩堝，控制移動的雜質諸如氧。 Hirata等在日本公開專利平2[1990]-55284中提示另一 種改良。根據Hirata等，藉施加一涸尖端磁場於此熔物上 及變動此磁場組成其與熔融液體之表面垂直交叉者之強度 與此磁場組成其與熔融液體之底表面垂直交叉者之強度之 比控制移動的雜質諸如氧。可K藉⑴對此坩堝移動這些線 圈（同時維持這些線圈間之距離恆定），⑵改變這些線圈間 之安培比，或⑶改變這些線圈間之距離變動比。 然而，所提示之尖端磁場法到現在為止沒有完全令人滿 意者。在某些條件下，在尖端磁場中成長之晶體展示不良 的軸向及徑向氧一致性與使用軸向磁埸所得者相同。當烴 歷到此問題時，時常是發生於固化法之後階段可能是接近 此較強的垂直向磁埸此區域之一個滯留界域中氧或含氧化 合物结集之結果》 濂蓉銳明 -5- ......................................................於..............................ίτ.............................. (請先閱讀背面之注意事項再滇寫本页) f 4(21〇X 297 公廣) ^19353 A6 _______ B6 五、發明說明（） 在本發明之目的中，於是，可Μ注意到是提供一種方法 用於調節砂晶體棒中之氧含量及此氧含量之分佈，此矽晶 體棒是自一個種晶體對貯於一個二氧化矽坩渦中之矽培物 之作用拉伸，提供如此的一種方法其提供氧含量之一致分 佈Κ及一種所需程度之氧含量，及提供如此的一棰方法其 是適合用供製備矽棒具有較大的直徑及較低的氧含量。 簡言之厂於是，本發明是關於製備矽棒之Czochralski 法，其中一支單晶體矽棒是自含該棒同軸之坩堝中之矽培 物拉伸出，在此方法中’此棒及坩堝是繞其軸以相反方向 旋轉，此棒之旋轉速率較此棒生長時坩堝之旋轉速率大。 隨此棒長度.之增加而增加此坩堝之旋轉速率。施加對此棒 之軸幾乎是旋轉對稱之一個磁埸於此矽熔物直至此矽熔物 之一部分固化，此磁場有姐成其是與此坩堝之底及側壁垂 直交叉。随著固化矽熔物之部分增加，降低與此坩堝之底 及側壁垂直交叉之磁場姐成之強度。 其他目的在此Μ後有些將是顯而易見及有些將予指示。 圖式粧沭 圖1是根據本發明之一涸具賭貫例之一種Czochralski 晶體生長裝置之剖面圖。 圖2S圖1之一部分之放大圖另示出在例中所述之一姐 條件（ 1 500安培）下產生之磁場。 圖3示如例中所述拉伸之—支15〇毫丨米矽晶雅棒之氧濃 度之線型模式。· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本页) .裳· •訂· .綠· 甲 4 (210X297 2 潘) 2199〇3 A6 B6 五、發明说明（〉 (請先《讀背面之注意事項再填寫本页) 圖4〜9示此例預测將在一個15 0毫米矽單晶體之6種 不同長度得4種不同的氧量之磁場電流及坩煱旋轉速率之 姐合模式。 圖10示此例預測將在一個150毫米矽單晶體得一種 13PPM A之恆定氧量之磁場強度及坩堝旋轉速率之程序組合 模式。 詳钿說明 茲參照圖1 ，說明一種Czochralski晶體生長装置供用 於根據本發明之方法。在真空室1内是被電阻加熱器5環 繞之坩堝3-。坩堝驅動單元7如藉箭頭所示Μ順鐘向旋轉 此坩堝及視需要可Μ將此坩堝升高或降低。在坩堝3內是 矽熔物9水平面11及自其拉伸單晶體13，自種晶體15連接 至拉柱或網17開始。坩堝3與單晶體13有對稱的共同軸 19。拉柱或纜17是以反鐘向旋轉及視需要藉晶體驅動單元 21將其升高或降低。加熱器罨源23給予電阻加熱器5能量 及絕緣25襯此真空室。氬氣是自瓶27經由氣體流量控制器 2S饋入真空室1同時藉真空泵31將氣體移出此真空室。環 繞此真空室是室冷卻套層33冷卻水是自一個儲槽35送入· 然後冷卻水是排出至冷卻水回路歧管37。一支光電管39測 計此熔物表面溫度及直徑轉換器測計此單晶體13之直徑。 它們的信號是藉控制單元43處理。此控制單元可Μ是一台 可程式之數位式或類比式計箕機；其控制坩堝及單晶體驅 動單元7及21*·加熱器電源3，上線圈及下線圈電源49及 甲 4 (210X297 公发） _-7- 219935 A6 B6 五、發明説明（） 51，泵31及氬流量控制器29。 環繞真空室1是上螺線管線圈45及下螺線管線圈47分別 位於矽熔物表面11之上及下及有對稱铀19。此上及下線圈 有各別的電源··上線圈電源49及下線圈電源51，各連接至 控制單元43。在這兩個螺線管線圈中電流Μ相反方向流動 Κ產生尖端電磁場。自儲槽53供懕冷卻水至此上及下線圈 及然後排出'至於冷卻水回路歧管37。一個鐵屛55環繞上及 下線圈Κ降低雜散磁場及增進產生之磁埸之強度。 為生長一個矽單晶體，將某一份量之聚矽送入至坩堝3 中及送電流經過加熱器5Μ熔化此進料。此矽熔物也可Μ 含某些摻雜-前其等入之目的是在修改此矽之電性質如此技 藝所知者。將一個種晶體15下降至與此熔物接觸及然後徐 徐自此熔物拉出，在一種鈍性大氣諸如氬中，及此矽固化 在此種晶體上Κ產生一個單晶體之生長。隨著其拉伸時藉 Μ —種預定的速率旋轉此晶體獲得一支柱狀單晶體棒13。 同樣地此坩堝以另一種預定的速率旋轉，但以對此棒相反 的方向。最初控制此拉伸速率及供應至加熱器之電力Μ使 在此晶體之下生成一個頸及然後調節Μ使此晶體之直徑以 錐形形態增大直至達到預定的晶體直徑。然後，控制此拉 出速率及加熱Κ維持恆定直徑直至此製程接近終结。於此 時*增加此拉出速率及加熱以使直徑減小於此單晶體棒之 末端生成一個錐部分。 於此單晶體13達到預定的直徑（例如150毫米或200毫米 )後|控制此單·晶體及坩堝之旋轉速率以調節在此晶體中 8 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) k. •打· 中 4 (210X297 公沒)

ο r，.· **·* ^ 1 ί> bO Α6 Β6 五'發明説明（） 氧之澹度及分佈，軸向及徑向兩者。此坩堝之旋轉速率典 型上是介於1及lOrpm，Μ至少約4rpm為佳，及此單晶體 之旋轉速率是高於此坩堝之旋轉速率頗多 > 是即，典型上 是約10至20rpm及高於此坩堝之旋轉速率至少約5 rpra。此 外，為避免在此熔融矽中產生波浪，控制此坩堝及單晶體 之旋轉速率Μ使其和不超過一個預定值。對每一個系統此 預定值是由"試驗測定及是視此單晶體之直徑，此坩堝之直 徑速率Μ每分鐘旋轉數（rpm)之和，就一支150毫米棒、 3 50毫米坩堝及34公斤矽進料而言應不超過32及就一支 200毫米棒、450毫米坩堝及40公斤進料而言懕不超過約 25 ° · 在此之前已經發規，併入單晶體之氧含量不僅依此坩堝 與此熔融物之接觸面積而定，也視坩堝之旋轉速率而定（ 見美國專利4,436,577，併附於此供參照）。一般而言，就 其一已知的棒及坩堝旋轉速率而論，此棒在軸向方面之氧 含量阐此熔融進料之一部分固化增加而降低。於是•此影 響可K至少部分克服，藉随此部分固化增加增加此坩堝之 旋轉速率。然而*只藉控制旋轉速率Μ調節單晶體棒氧含 量（此棒具較大直徑及較低氧濃度，例如低於約15ΡΡΜΑ ( ASTM Standard F-121-83))顯然已經越來越困難。 玆經發現徜若控制旋轉速率及根據一種指定的程式施加 一個徑向尖端磁場於此矽熔物，可Μ更準確調節較大直徑 之單晶SS棒，特別是於較低氧滬度者，之在軸向及徑向方 向之氧濃度。玆參照圖1及2，將指述用於此處之如此的 ......................................................¾...............................ίτ..............................^ (請先閑讀背面之注意事項再填寫本π) 甲 4(210X297 云尨） 219953

五、發明説明（） 一種程式及一種裝置。電流如所指示（” ”指示電流流出 此頁及” X ”指示電流流入此頁）流經此上及下線圈45，47 ，藉Μ產生一個磁場Μ施加於坩堝3及矽熔物9。此磁場 之形狀是由矢量57表示其有如所指示之高斯數值。此磁場 有水平及垂直姐成其是與此坩堝之底及側壁垂直交叉。此 外•此磁場可以有一個垂直組成其是與此矽熔物表面垂直 交叉。然β，與此熔融矽表面垂直交叉之平均磁組成相對 於平均磁姐成垂直交叉此熔融矽接觸之坩堝之底及側壁者 Μ小為佳，是即*與此熔融矽表面垂直交叉之平均磁姐成 不高於平均磁組成垂直交叉與此熔融矽接觸之坩堝之底及 側壁者之約十分之一。與此熔融矽表面垂直交叉之平均磁 組成Μ是零或接近零為最佳，是即，此磁場之零平面是位 於或接近此矽熔物表面。可Μ使用垂直位置，在此兩個線 圈45，4 7中之圈數及相對電流Μ定此零磁場在或接近此熔 物表面Γ1之平面之位置。 於開始此晶體拉伸方法時，通電流經過線圈45* 47 Μ施 加一涸有預定強度之磁場於此矽熔物及坩堝。此預定強度 將視棒之直徑、坩堝之直徑、進料量及所需之氧含量而變 動但可以簡捷測定不裔要很多試驗。一般而言，此磁場將 有最高預定強度低於數千高斯，及Κ有最高預定強度介於 約40 0及.1000高斯為最佳。阐著此單晶體之長度增加，是 即，熔融料固化之部分增加·藉降低通過這些線圈之電流 董，相對坩堝移動這些線圈或藉移動或撤去磁屏遮降低磁 場強度。Μ藉降低通過這些線圈之電流量降低磁埸強度為 ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本页) .線. 甲4(210Χ 2972沒) -10-

A6 _____B6 五、發叼説明（） 佳。 隨著此磁場之強度降低，垂直交叉此坩堝之底及側壁之 磁場姐成也降低。然而，由於此磁場之零平面是維持於或 接近此矽熔物表面，垂直交叉此矽熔物表面之平均磁埸組 成與垂直交叉與熔融矽接觸之此坩堝之底及側壁之平均磁 場組成之比將不會有顯著的改變。 阐著單晶'體棒之長度增加及熔融料固化之部分增加雖然 可Μ調節此磁場之強度至低於其初對程度之某些數值，在 此熔融料之一個預定部分已固化後Μ完全停止磁場為佳。 典型上，於此熔融料之約50¾至80¾固化後停止此磁場。在 此之後，藉相對此軍晶體旋轉速率增加此坩堝旋轉速率調 節氧含量。 在作業期間之某些階段，可能宜增加施加於此熔物之磁 場強度及/或降低此坩堝旋轉速率，視參數諸如單晶體公 稱直徑、坩堝直徑、進料量及磁埸性質而定。只要是⑻降 低此磁場至低於其初時程度之某些數值及（b>於此熔融料之 一部分已固化後相對此單晶體旋轉速率增加此坩堝之轉旋 速率，此類具體實例是涵蓋於本發明之範圍內。 如說明於Μ次例中，可使用本發明之方法KM精確控制 具有頗低氧濃度，是即低於15ΡΡΜ Α氧，之矽單晶體中之氧 濃度。這些單晶體棒在徑向方向是有低於5S；之氧梯度為佳 及在軸向方向是有低於5¾至10¾之氧梯度為佳，K低於5X 最佳。此例列舉可以用於達成所需之結果之一姐條件。可 以為其他晶體直徑、磁場強度、坩堝旋轉速率、坩堝尺寸 ......................................................¾..............................ίτ..............................蛛 ί請先«讀背面之注意事項再滇寫本页) __-11- 甲 4(210X297乂尨） 219935

五、發明說明（ 、及矽進料量創造類似圖3之數據。然後可以推導產生一 種所需的氧之軸向公佈，諸如圖10，之坩堝旋轉速率及磁 場強度程式。於是*不應Μ —種限制性的觀念解釋此例。

Μ次之例說明本發明。Μ_ 使用圖1及2之装置（所不同者是這些線圈是串聯及由 單一個電源供應電流）自一個貯34公斤聚矽進料之350毫米 直徑坩堝拉伸單晶體矽棒。此晶體之旋轉速率是介於12及 24rpni及此坩堝之旋轉速率是固定於4「pm。對一姐試驗， 不施加磁場。在另一組試驗中，以相反方向送1.5千安培 電流經每一個線圈，结果得一個磁埸Μ平均強度約400高 斯施加於矽至晶體之界面如圖2中所示。在另一姐試驗中 ，變動坩堝旋轉速率及磁場強度。 測定氧在此單晶體矽棒中之軸向公佈及將所得之氧數據 配入至一個模式中以氧是因變數。獨立變數是晶體長度、 磁場（Κ線圈激發電流表示），及坩堝旋轉速率。此模式是 線型有6個係數如次： 係數之單位 PPMA(ASTM F121-83) PPMA/CM PPMA/RPM PPMA/K AMP 項目 係 數 變 數 -線型 1 15 . .573 常 數 2 -0 . ‘118 長 度 3 0 . .286 坩 堝 旋轉 4 - 2 , 153 ' 磁 場 強度 甲 4(210X 2971'发） ί請先閱請背面之注意事項再填·"本页) *打. .綠. 12 219955 A6 B6 五、發明説明（） 5 0.063 長度/坩堝旋轉PPMA RPM/CM 6 0.037 長度磁場 PPMA/CM/R AMP 全部係數是有效至0.0001或更小及RMS誤差是0.44PPMA。 圖3示配此横式至這些試驗。 圖4〜9示磁場電流與坩堝旋轉速率之姐合此模式將得 6種不同長度之晶體四種不同的氧含量。除另有指出者外 ，全部氧數據是根據ASTM Standard F12卜83測計及長度 是公分。 圖10示磁埸強度與坩堝旋轉速率之一種程式姐合此模式 預測將得13PPMA之恆定氧含量。根據此程式，開始時設定 此坩堝旋轉·速率於5rPm及以約2仟安培K相反方向通過每 一組線圈K產生磁場，於此晶體分別拉伸至10、20、30及 40公分之後，降低磁場強度如所指示，於拉伸至40公分時 ，降低磁場強度至零。與降低磁場強度同時，於晶體已拉 伸至40公分後增加坩堝旋轉速率自5至6rpm，及於已拉 伸至50公分之後增加至lOrpm。 可以為其他晶體直徑、磁場強度、坩堝旋轉速率、坩堝 尺寸，及矽進料量產生類似圖10之數據。然後可以推導一 種坩堝旋轉速率與磁場強度程式K產生所需的氧之袖向分 佈。 縱觀Μ上所述，可Μ看到達成本發明之數姐目的及達到 其他有利结果。 由於Κ上之方法可Μ作多棰改變而不背離本發明之 ，含於以上所述中之一切事物懕解釋為作為說明性而非限 zllz ......................................................^..............................打..............................痒 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 甲 4(21〇X 297d 219955 A6B6 五、發明説明（） 性 制 -14- ......................................................^..............................ΐτ.............................. {緖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 甲 4(210X 297 乂沒）

Claims (1)

1. 傅上 A Α7 Β7 C7 D7 短濟部中央搮準局印¾ 六、申贺微55 1. 一種產製單晶體矽棒之Czochralski法，其中一支單晶 矽棒是自包含於坩堝中之矽熔融物拉伸出，此單晶體矽 棒與此坩堝是同軸，此法包括 繞其軸以相反方向旋轉此棒及坩堝，此棒之旋轉速率較 此棒生長時坩煱之旋轉速率大， 隨著此棒之長度增加而増加此坩堝之旋轉速率， 對此矽熔物施加一個磁場·該磁場是實質上旋轉地對稱 此棒之軸，直至此砂培物之—部份固化，此磁場具有與 此坩堋之底及側壁垂直交叉之組份，及 陲著矽熔物固化之部份增加*降低垂直交叉此坩堝之底 及側壁-之磁場姐份之強度。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中於矽熔物固化之 部分超過約0.5之後，降低垂直交叉此坩堝之底及側壁 之磁場成分至零° 3. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中當此矽單晶體棒 被拉伸出，此單晶體旋轉速率超越此坩堝旋轉速率至少 約 5 r p ro。 4. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中此單晶體矽棒有 約200毫米之直徑及此坩堝及晶體旋轉速率之和是每分 鐘旋轉數不超過約27。 5. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中此單晶體矽棒有 約150亳米之直徑及此坩堝及晶體旋轉速率之和Μ每分 鐘旋轉數不超過約32。 6. 根據申請_利範圍第1項之方法，其中於砂熔物固化之 ::..............................(.................装..............................打......* ...................綠 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本页) 74(210X297 公廣） 219955 A7 B7 C7 D7 六、申請專利乾® 蛭 部 中 標 準 局 印 裝 部分已超過約0 . 壁之磁場組成至 7 . 根據申請專利範 被拉伸出，此單 約 5 r p m 0 8 . 根據申請專利範 與矽熔物接觸之 至少約500高斯 9 . 根據申請專利範 部分已超過0. 8 底及側·壁之磁場 10.根據申請專利範 至少約200毫米 ^ 每分鐘旋轉數不 11 .根據申請專利範 至少約200毫米 每分鐘旋轉數不 12.根據申諳專利範 約150毫米之直 鐘旋轉數不超過 1 3 .根據申請專利範 被拉伸出，此單 5 r p m ° 14.根據申謅專利範 圍第8 之後， 姐成至 圍第9 之直徑 超過約 圍第1 之直徑 超過約 圍第1 徑及此 約32。 圍第1 晶體轉 8之後，降低垂直交叉此坩堝之底及側 零。 圍第6項之方法，其中當此矽單晶體棒 晶賭旋轉速\率超越此坩堝旋轉速率至少 圍第1項之方法，其中垂直交叉此坩堝 底及側壁之磁埸姐成之平均值開始時是 項之方法，其中於矽熔物固化之 降低交叉此坩堝與矽熔物接觸之 零。 項之方法，其中此單晶體矽棒有 及此坩堝與晶體旋轉速率之和是 27 〇 項之方法，其中此單晶體矽棒有 及此坩堝與晶婧旋轉速率之和是 27 〇 項之方法，其中此單晶體矽棒有 世塌與晶體旋轉速率之和是每分 方法，其中當此矽單晶體棒 速率超越此坩堝旋轉速率至少約 圍第1項之方法，其中在此棒中軸向氧 (請先閱讀背面之注意事項再填两本页) ?4(210X297 公;#) 219953 A7 B7 C7 D7 六、申請專利Jfe® 棒。 體零 晶約 單是 矽成 此姐 當場 中磁 其均 , 平 法之 方面 之表 。 項物 % 1 溶 5 第矽 約圍此 過範至 超利直 不專垂 度請出 梯申伸 度據拉 濃根被 ,::::........................... ................装..............................ir......-s (請先閑讀背面之注意事項再填駕本百) 經濟部中央橾準局印製 Τ4(210Χ297 公廣）