TW473564B - Process for growth of defect free silicon crystals of arbitrarily large diameters - Google Patents

Description

473564 ________________ B7 五、發明說明（1) i明背景 本發明通常係有關於在電予^件製造所使用的半導 級單晶矽準備，更明確而言，本發明係關於用以在哕； 塊整，晶體半徑與可用長度上產生實質無結塊本㈣缺點 的一單晶；ί夕塊。 、用以半導體電子元件製造多數製程的起始材料之單晶石夕 普遇是由所謂的Czochralski ("Cz")方法準備。在此方法 中，多晶系石夕（，，多晶梦"）係裝於_掛鋼及炫化，一杆晶會 與熔化的矽接觸，而一單晶係藉由慢萃取而成長。在=二 -頸部的形成之後，該晶塊的直徑便可藉由減少拉二 或熔化溫度而延申’直到意欲或目標直徑達成爲止。當補 償所減匕熔化位準之時，具有大約固定直徑之晶圓柱：體 然後可藉由控制拉率與溶化溫度而生A。接近該成長製程 結束但在㈣沒有稼化的碎之前，該晶直徑必㈣低以形 成一尾圓錐體。典型上，該尾圓錐體係藉由增加晶拉率與 提供給掛鋼的熱而形成。當直徑變成夠小之時，該晶體然 後會從熔化分開。 近幾年來，已認知到當凝結之後晶塊冷卻之時，在單晶 矽的許多缺點會在晶體生長室形成。部份由於在晶格出現 一過度（亦即超過可溶性界限之濃度）的本徵點缺點，此缺 點便會發生，而這些本徵點缺點是空缺與自我晶隙性。從 熔化所生長的矽晶塊典型是以晶格空缺（"▽")或矽自我晶 隙性（"I”）的一或其他類型的過度本徵點缺點生長。建議 在石夕中的這些點缺點之類型與最初濃度在凝結時間上決 -4- 本纸張尺度剌巾關家標準(2】Q x 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂 _ — ^------- 1'7,濟部智慧財產局員工消費合作社印製 i A7 五、發明說明（2) J等=果這些濃度在系統中達到—臨界過飽和位準，而 點的遷移率足夠高，-反應或-結塊事件便可能 發生。梦的結塊本徵點缺會 +玫+ u m 取.15曰嚴重影響到在高度複雜積體 电路中的材料艮率可能性。 2缺型缺點係認爲是可認知爲晶體缺點之起源，諸如d 缺點、流動分佈缺點(FPDs) '閉氧化層完整性(g〇i)缺 點、晶源微粒（C〇P)缺，點、晶體源起光點缺點（LPDs)、 ，由紅外線光散射技術所觀察的某些體積缺點分類，諸如 掃描紅外線顯微鏡與雷射掃描線檢法。而且，在過度空缺 區域所出現的是充當環氧化感應堆疊錯誤（〇isf)的原子 核缺點\可推測此特殊缺點是出現過度空缺所引起化學反 應的一而溫成晶氧塊。 與自我晶隙性有關的缺點沒有較好的研究。他們通常視 爲晶隙性類型擾亂迴路或網路的低密度。該等缺點對於閉 極氧化芫整性錯誤負有責任，一重要晶圓效率標準，但是 他們廣泛認爲是通常結合漏流問題的其他類型裝置之原 因。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在Czochralski矽中的此空缺與自我晶隙性結塊缺點是傳 統在大約l*103/cm3至大約l*i〇7/cm3範圍内。當這些値相當 地之時，結塊本徵點缺點便會很快地提高裝置製造商的重 要性，而事實上現在可看到裝置製造處理的生產限制因 素。 到目前爲止，通常存在處理結塊本徵點缺點問題的三個 主要方法。該第一方法係包括著重在拉晶技術，爲了要減 5- 本紙張尺度適用中國國家標準（C!\’S)/V1規格（210 X 297公S ) 473564 —----------B7 五、發明說明（3 ) 少在晶塊中結塊本徵點缺點的數目密度。此方法可進一步 細分成具有拉晶情況的這些方法，其會造成自我晶隙性支 配的材料構造。例如，已建議結塊缺點的數目密度能藉由 (i)生長一晶塊而控制v/G〇，其中晶格空缺是主要的本徵 點缺點，及⑴）藉著在拉晶製程期間從大約li〇〇„c到大約 l〇50°C來改變（通常係藉由逐漸減慢）矽塊的冷卻率來影響 結塊缺點之晶核作用率。當五方法減少結塊缺點的數目密 度之時，它不能夠避免他們的形成。當由裝置製造商所加 諸的需求變絲嚴格之時，$些缺點的出現會持續變成較 大的問題。 在晶體本身的生長期間，其他已建議將拉率減少至低於 大約每分鐘0.4公釐的値。然而，此提議亦無法滿足，因 爲此一慢拉率會導致每個拉晶器的生產量降低。更重要 地，此拉率會導致具有自我晶隙性的高濃度之單晶矽構 成。接著，此高濃度會導致結塊自我晶隙性缺點的構成及 結合如此缺點之所有產生的問題。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 處理結塊本徵點缺點問題的第二方法係包括著重在隨後 構成結塊本徵點缺點的的分解或毁滅的方法。通常，這可 藉由以晶圓形式使用矽的高溫熱處理達成。例如， Fusegawa et al在歐洲專利案號5〇3，sl6 A1中提議，以超過 每分鐘0_8公釐的生長率來生長矽晶塊，並熱處理在ιι5〇 °〇至128〇1範圍溫度從晶塊所切片的晶圓，以近減少在接 近晶圓表面的薄區域中的缺點密度。所需的特殊處理將視 在晶圓中的結塊本徵點缺點的濃度與位置而改變。從不具 -6- 本纸張瓦度適用中园國家標準（CNS)A·!規格（2】0 X 297公餐) A7 五、發明說明（4) 有此缺點的·*致，紅、，曲— 不同的生長處理情況广曰“a所切片的不同晶圓可能需要 高，具有將金屬雜質V入？卜曰’此晶圓熱處理的成本相當 影響到所有相關類型的晶體=的潛在性’並不會廣泛地 處理結塊本徵點缺點 圓表面上之-薄晶層的=的^二万法是在—單晶石夕晶 面的單晶矽晶圓，装會 农狂你抆供具有—表 延分藉户杂奸 、實資疋無結塊本徵點缺點。然而，外 I沈積在Λ貝上會增加晶圓的成本。 鑑於這些的發展，—需 ^ ^ ^ 而衣係持續存在於一單晶矽準備之 万法’其係藉由抑制產生太與_ 本徵‘.、古缺點炙結塊反應而避免結 塊本徵點缺點的形成。抽去 u . 风抑制結塊反應之方法會產生沒由或 實貝揲結塊本徵點缺點之矽底 7底材而不疋只限制此缺點形 成的速率，或在缺點形成之後嘗試將某些缺點滅絕。基於 每個晶圓所獲得的積體電路數目的觀點，此一拉晶亦會產 生具有類似外延良率潛在性的單晶碎晶圓，而沒有外延製 程的南成本。

目前可確認該等碎單晶㈣可成長實値無本徵點缺點結 塊所產生的缺點。（參考例如pcT/US98/〇7356與 PCT/US98/073〇4 )抑制結塊反應的一主要方法係將本徵點 缺點以徑向過度擴散。如果在發生結塊反應於超過溫度I 之晶體溫度給予足夠的時間，自我晶隙性與空缺會組合與 彼此滅絕或擴散到該矽塊表面上的槽。 矽自我晶隙性在接近亦即大約141〇。(：的矽固態溫度便會 遷移。然而，當該單晶矽晶塊的溫度減少之時，此遷移率 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) 請 先 閱- 讀 背 之 注 意 事 項 再， t 頁 I I I I 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（5) 會減V、。通常，自我晶隙性的擴散率會減慢此一可觀的程 度，。在溫度低於7〇〇r以上、亦或溫度大到類似8〇〇r、 900 C： l〇〇G C、或甚至1050 C以上，他們在商用處理期 間係實質不變性。 在此要压,s、，雖然在-自我晶隙性結塊反應發生的溫度 是以大溫度範圍變化，實際上，此範園對於傳統 Ο—1生長的石夕是相當窄小。這是最初自我晶隙性濃 度的相對狹窄範圍的結果，$些自我晶隙性濃度典型上是 根據Czochrahki方法而在矽生長中獲得。 如果溫度是在大约贿到大約嗔的刪，=是 在大約1G5G°C的溫度，-自.我晶隙性結塊反應便會發生。 藉由控制在自我晶隙性出現遷移溫度範圍内之晶塊冷卻 率，該自我晶隙性可在特定的時間擴散到位在晶體表面的 槽，或擴散到遭滅絕的空缺主區域。此晶隙性的濃度因 此可抑制到一足夠低的位準，所以自我晶隙性（亦即，超 過該可溶性限制的濃度)的過度飽不會在自我晶隙性足夠 遷移至結塊的溫度上發生。該等相同原理可應用於碎空 缺。然而，該等空缺的相關非遷移性使他們過度擴散更困 難。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ 在目則既有拉晶器中產生無塊微缺點的單晶塊是是可能 的，但是有許多相反的情況會在拉晶器與矽塊操作上出 現。困難的折中方案必須進行，其實質上會影響到灰缺買占 單晶錢製造的商業實用性。_單晶㈣的成長是在圖i 表π矽疋在大約1410 C溫度上從熔化到矽塊凝固，而隨 -8 - 297公笼） 本纸張尺度这用中國國家標準（CNS)A4規格（210 473564 A7 B7 五、發明說明（6) 後會持續冷卻。在超過熔化表面而沿著矽塊l(ta)長度的 某些位置上，該矽塊會在結塊反應發生（例如，1〇5〇。(：）上 通過等溫線TA。該矽塊會在它成長的期間通過此點。 本質上，成長的無缺點矽塊需要在熱域的溫度分配可在 結塊反應發生的溫度超過T A (例如，大約1 〇 5 〇 °C )能足以 產生矽塊的長存在時間，以允許本徵點缺點的過度擴散。 在溫度超過丁八使矽塊軸片段的存在時間成爲最大値需將拉 率減慢。然而，拉率減慢會明顯地減低拉晶器的生產量。 在溫度超過TA的矽塊之每個軸片段所必需的存在時間可 藉由成長孩晶體而略微減低，所以自我晶隙性本徵點缺點 便會主宰，自我晶隙性缺點嗆實質比空缺缺點更大的遷移 率。減少缺點的最初濃度是仍然必要。然而，若要減少缺 點數目，孩拉率在晶隙性成長情況内應是最大値。 爲了要在其整個長度上產生實質無結塊微缺點的一單晶 石夕塊，沿著硬塊整個可用長度的每―轴片段必須在溫度超 過TA使本徵點缺點過度擴散之所需時間必須通過U，因 此，相同相當慢的拉率必須維持，甚至是在砂塊的不可用 的尾圓錐體形成。此外，甚至在它形成之後，石夕塊必須升 起，所以該石夕塊的可用固定直役部分的下層端在溫度超過 ΤΑ具有足夠的存在時間。 當該成長的晶體直徑增加之時，在护.玄咖士视 ^ ^ ^ ^ 在拉率與本徵點缺點過 度擴散的必要存在時間之間的張力會變得更敏銳。當石夕塊 的直徑增加t時，缺點數目便會择 义p嶒加，而缺點的半 必須擴散至矽塊的表面。 干^距離 本紙張尺度適用中國國家標準(CXS)；^規格（2】〇 X 297么、《7* ill醵 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) •ί-rOJΜ I ϋ I n

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（7) 再者’自我晶隙性的過度擴散 隙性：¾泠μ ψ π 、反擴敢時間的減小使它在最初晶 G 這是藉著將軸溫度梯度 ⑴的半杈變化滤钊#丨上、去丄 中的幻…β 達成。爲了要將軸溫度梯度 M ^ r ^ 在夕迄化表面的矽塊上將軸溫度 梯度G〇的平均値減到最〗异 a ρ, , , χ ^ X〗敢]疋必要的。然而，爲了要使達成 最小是必要的。増到取大値，將G。的平均値減到 作卜二用的範例’非常嚴格製程控制必須在拉晶器的操 作上轉，以產生實質無結塊本徵點缺點之單晶秒塊。而 且’在拉晶器會有明g苜的&吝县 曰5 ^ -員的生產量減少。因此，目前需有一 U來成長無結塊本徵點缺.點的單晶碎塊，這些缺點可從 需要使本徵點缺點過度擴散的情況分離或實質分離該拉晶 器的操作。 發明概述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的數個目的與特徵係、描述用以產生—單晶梦塊的 製程標準，而此-單晶碎塊在秒塊的整個可用長度上係實 ^無結塊本徵點缺點；此—製程準備係實質不會減低拉晶 器的生產£ ’此-製程的準備係實質會減低拉晶器用以製 造無缺點矽塊的拉率限制；而且此一製程的準備係實質會 減少拉晶器在平均軸溫度梯度G〇上的限制。 因此，簡而5之，本發明係用以產生一單晶矽塊之製 程，孩單晶矽塊具有一籽晶圓錐體、一尾圓錐體與在該籽 晶圓錐體與該尾圓錐體之間的一固定直徑部分。該矽塊係 根據Czochralski方法而從熔化的矽成長。通常，該製程係 -10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公餐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 473564 A7 _ B7 五、發明說明（8) 包含從溶化的矽成長矽塊，並控制矽塊的溫度，以致於該 沒有矽塊部分會冷卻至低於溫度Ta的溫度，在此溫度矽塊 中的本徵點缺點結塊會在矽塊成長期間發生，以致於該矽 塊的至少固定直徑部分係實質無結塊本徵點缺點。 本發明係進一步用以產生一單晶矽塊之製程，該單晶矽 塊係具有一籽晶圓錐體、一尾圓錐體與在籽晶圓錐體與尾 圓錐體之間的一固定直徑在部分。該矽塊係根據 Czochralski方法而在拉晶器從熔化的矽成長。該拉晶器係 包括一下層生長室與一上層拉室，而且該製程係包含將— 籽曰曰降低而與位在拉晶器生長室的溶化硬接觸，並從該溶 化拉出籽晶，所以造成來自熔化的矽會凝結，用以形成單 晶矽塊。整個所形成的矽塊會拉入拉室，當拉室的溫度維 持在矽塊發生本徵點缺點結塊的溫度超過之時，該拉室 然後會從該生長室隔離。 本發明的其他目的與特徵.部分會更顯然，而部份會在下 面描述。 W式之簡單説明 圖1係描述既有單晶矽塊成長的圖式，其顯示在成長期 間經由結塊反應發生的一等溫線的矽塊通道； 圖2係顯示自我晶隙性[Γ ]與空缺（V)是如何與v/G〇値變 化的範例圖式，其中v是拉率，而G〇是平均軸溫度梯度； 圖3是一拉晶器的電路圖式，其允許拉晶器的一拉室部 分移除，並使用.另—拉室取代； 圖4是一拉晶器的電路圖式，其允許矽塊從拉室移到位 -11 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格 (210 X 297 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線4 473564 第SSI 10876號專利申請案

在遠拉室旁邊的保持室； 圖5是一拉晶器的電跋圖 厂、 其允㈣塊從拉室移到位 在通吊向於该拉室的—保持室· 圖“是如範例所示的正常成長率的圖式 當作晶體長度的功能； 风長羊係 圖列所是從肩背到尾圓錐體成長 蚀刻；及， ’、、相，、接者疋銅裝飾與-缺點描输 圖6C是如範例所是從籽晶到尾圓錐體成長 一連串矽塊片段軸切昭相 & W的 蚀刻。 …、相純者是銅裝飾與-缺點描績 相對的參考文字係表示在所有圖中的相對零件 1件符號說明 10 拉晶器 12 生長室 14 坩鍋 16 拉室 18 曲軸結構 2 0 拉線 22 籽晶夹盤 2 4 活瓣 24' 活瓣 2 6 活瓣 3 0 加熱器 110 拉晶器 112 生長室 116 拉室 14 0 容納室 14 2 執 1 44 加熱器 2 16 拉室 2 18' 曲轴結構 2 2 0' 拉線 2 4 0 容納室 I 咬塊 -12-

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五、發明説明（ 第881IO876號專利申請案 中文說明書修正頁(90年10月）

EC 尾圓錐體 I' 矽塊 Μ 熔化的矽 較佳具體實施例泛詳細銳明 請即參考圖所有的圖，而且特丨σ 五苻Μ疋圖3 ,根據本發明用 以，、現一製程之裝置係包括通常在 吊在1 0所不的一拉晶器。 该扛晶器係包括一生長室1 2，並挺彳止m ^ 具如供用以包含一熔化的 矽Μ之掛鍋1 4。該坩鍋1 4是以值钫认、a、 疋以得統的万式安裝在生長室 12内而用以旋轉。該拉晶器1〇亦 亦包括一傳統的加熱器與 隔離（在Β巾未顯示出）’用以加熱在掛銷】4内的矽，以 產生及維持它熔化的狀態，該拉晶器1〇係進一步包含位 在該生長室1 2頂端上的一拉室丨6，而且能在生長室敞 開，用以接收從熔化的矽Μ所成長的一單晶矽塊丨。該拉 室1 6具有一曲軸結構丨8，用以在末端上的籽晶夾盤22的 一拉線20升起及降低。或者，採用—軸承而不是一可使 -12a- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐） 473564 A7 B7 五、發明說明（10) 用的拉，’泉之—拉動結構（在圖中未顯示出）可使用。根據 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) CZ〇Chralski方法，夾盤22會攜帶用來開始矽塊丄構成的一 籽晶（在圖中未顯示出）。 这拉至1 6具有一活瓣2 4，用以從生長室丨2將拉室關 閉三同樣地，該生長室U具有其本身的活瓣Μ，用以從 拉罜1 6將其本身關閉。該拉室係能釋放地安裝在生長室 U，所以整個拉室16可從生長室移除。該裝置係進一步 包括另一拉室16,(另_拉室16，的相對部分將以相同於拉 室16的相同參考數字表示）。該另一 長室。上，並可用來成長㈠❹ '然而，如= 不…♦塊I會在拉室16成.長，而另_♦塊】，會在遠離生 長室12的一位置間隔上的另一拉室ΐδ,保持。 根據本發明的原理所實現的一製程將參考圖3所示的裝 置描述。就如所了解的，該製程可由其他的裝£(在此所 述的某些範例）實現。該拉晶器1〇最初是以傳統的方式準 備’例如藉著在㈣14放置„多晶々，並啓動加料 使石夕溶化，以形成溶化的砂Md該曲軸裝置18會被啓 動，以便將拉線20放出，並將夹盤22放低，户斤以該杆晶 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ 便會接觸溶化的表面。該掛鋼丨4與該拉線2〇會以垂直軸 旋轉。當該籽晶開始溶化之時，該曲軸裝置18便备必戌 動，緩慢捲收拉線20，將該軒晶從溶化升起。來自溶化 Μ的砍會凝結在一單晶格中的籽晶上，藉使開始形成：塊 I 0 該矽塊最初具有-籽晶圓錐Msc，其具有増加至等於 -13- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 2^^" 473564 A7 五、發明說明（11) 意欲成長残直徑的點之一直徑（典型係4大於從秒塊最 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) !所形成板導體晶圓的意欲直徑）。一固定直徑cd部分係 =由控制拉率與矽塊〖的加熱而成長。當固定的直徑^〇部 刀已達到所需的長度之時，—尾圓錘體E c，（只在其他矽 上顯示）便會形成，爲了要將該碎塊=從溶化分離。此 長度是受到拉晶器10的幾何所限制。該尾圓錐體ec，亦藉 由k制（亦即，通常逐漸增加）該矽塊的拉率與藉由熱的應 用而形成。在從熔化]^分離之後，該矽塊〗便會在拉室^ 内整個拉動。 根據本發明的製程，該矽塊I的溫度是維持在溫度超過 τΑ，其本徵點缺點會變成過度飽，而且會在矽塊成長的期 間結塊。更明確而言，該矽塊1沒有部分允許在矽塊成長 的期間冷卻至溫度TA。如此，不像在圖i所示的傳統

Czochralski製程範例，當矽塊成長之時，該矽塊〗從未通 過等溫線！^。由出現在Ta等溫線先前所造成在的單晶矽製

造限制可由本發明的製程移除。該矽塊〗的冷卻的控制可 藉由熱屏障、熱或兩某些組合的應用達成是可預見的。在 所迷的具體實施例中，該拉室〗6具有加熱器3 〇 (在圖3所 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 顯不），用以當矽塊接進及近入拉室之時，將熱運用在該 碎塊I。 該石夕塊I可在溫度超過ΤΑ保持一段選定的時間，以允許 和本徵點缺點過度擴散至矽塊低於發生本徵點缺點結塊所 需可溶性限制的一濃度。本徵點缺點過度擴散所需的時間 (下面會更詳細討論）通常會明顯比該拉晶器1 0的正常週 -14 - 473564

五、發明說明（12) ----------- _ (請先β3·讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 期時間更長。最後，本發明的製程係進-步包含從在一半 導體製造設備内的拉晶器10的位置將矽塊工移：，以允許 拉晶器可獨立再循環於㈣的熱條件。該錢崎在他從 扛晶器1 0移除的時間的期間與之後在溫度超過L上維 持0 在圖3所示的具體實施例中，從拉晶器1 0移除矽塊J係 包括在拉室1 6内完全地拉該成長晶。在拉室】6上的値2 4 與在生長室12上的活瓣26會關閉，將該等室從彼此與從 周圍環境隔離。該拉室i 6然後會從生長室丨2分離與移 除，如在圖3的其他拉室16，位置所示。該拉室“會在溫 度超過TA上保持，直到每次.本徵點缺點的充份過度擴散發 生爲止。該矽塊〗然後會冷卻至周圍溫度，並從拉室〗6移 除，用以進一步處理半導體晶圓。

經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'1^ 在生長室1 2的加熱器能夠關閉，所以該生長室可冷卻 至周圍溫度。該生長室丨2然後會開啓，所以該坩鍋丨4能 被移除’而使用另一晶體取代。在掛鋼1 4所保持的固態 多晶砍會溶化’以形成一新的炫化。在拉室1 6移除之後 面的適當時間’該另一拉室1 6 ’（最初具有在此所移除的 石夕塊11)會移入在生長室1 2的位致。該拉室1 6 '會接合在 生長室1 2 ’而拉室的活瓣2 4 1、2 6與生長室會開啓，以允 許要成長的另一單晶矽塊Γ。 保持矽塊I超過TA所需的總時間·係決定在本徵點缺點的 最初濃度、在矽塊所主宰的本徵點缺點類型與要成長的石夕 塊直徑。請即參考圖2，兩類型本徵點缺點的濃度是在熔 -15- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297么、釐） 473564

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五、發明說明（13) 化的表面上與在矽塊τ的平均瞬間軸溫度梯度g〇上的拉率v 比率的比較所會出的圖式。在較低的v/G〇比率上，自我晶 隙性本徵點缺點[n會主宰，而在較高的比率上，空缺缺 點[V]會王宰。然而，可看出兩類型本徵點缺點的v/g〇濃 度，界比率會減少。目前，相信此比率是大約2.1 X 10·: m /sK要在將該v/G〇比率維持接近於臨界値，但是這是 不客易在矽塊丨的整個成長製程上進行，特別是在該等朽 晶圓錐體與尾圓錐體末端。本發明的一特徵是該珍塊16勺 成長是略微低於所依賴的V/G。比率，因爲本發明允許本微 點缺點過度擴散’而不會明顯影響到拉晶器i 〇的週期時 間0 理想上，晶隙性點缺點的自我晶隙性類型會根據本發明 的製程而在成長的她主宰。自我晶隙性缺點[二實質 點[V]有較大的遷移率。自我晶隙性的半徑過度 空缺過度擴散快大約1G倍。換句話説，它 :用1〇分鐘時間過度擴散在-空缺主宰矽塊中的空缺 來過度擴散在一自邊曰賊从士 ^ 我 中的相同濃度之晶隙性。結 ^所維持的WG。比率低於切塊！成長f質部分上的臨

界疋理想的，所以自我晶隙性缺點會主宰。當然，V/G 會在跨過矽塊工的半徑上改變。 =:r點類型，，移二=: :，域疋可允許，只要自我晶隙性缺點完全 而在過，期間與空缺再結合， 他們的濃度料在低於可隸 u，所以 ------------鳝 ·(請先閲讀背面之注音？事項再填寫本頁) "0· ； ----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

本紙張尺㈣时關家標見格⑵〇- 297公餐） 473564 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'π

473564 A7 B7 五、發明說明（15) 方比。因此’可發現矽塊的固定直徑部分是大約丨5〇公 釐，矽塊存在超過TA (亦即，大約105CTC、100(TC、或甚 至900°C )的總時間係至少大約1 〇小時，理想是至少大約 1 2小時，而更較想是至少大約1 5小時。在溫度超過丁八存 在一類似系統的200公釐矽塊之總時間如此會是至少大約 2 2小時，理想是至少大約2 5小時，更理想是至少大約3 〇 小時，而在溫度超過TA存在一類似系統的3 0 〇公釐珍塊之 總時間如此會是至少大約4 8小時，理想是至少大約6 〇小 時’更理想是在大約7 5小時。可了解到過度擴散的精確 時間可以是在此所描述之外，而不會違背本發明的範園。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印-製 請即參考圖4，其係描述一第二具體實施例之製程。除 了拉晶器110的一拉室116未從一生長室112移除以外，該 製程係相同於該第一具體實施例的製程。在第二具體實施 例中，該拉室116已修改成與緊鄰拉室的一保持室14〇相 通。對於製程的目前描述目的而言’該容納室140並不形 成拉晶器110的部份，即使實際接合在拉晶器。在矽塊工完 全成長及拉入該拉室116之後，從容納室14〇分開拉室的 一門（在圖中未顯示出）會打開，而該矽塊會移入溫度保持 在起過Τα適當時間的容納室。所示的一軌跡142係用以將 該梦塊I帶入容納室140。在所描述的具體實施例中，該容 納室140具有一加熱器144。随後，該矽塊I會移入一熱鎖 (在圖中未顯示出），以允許將來自容納室140的矽塊冷卻 及移除，而不會妥協容納室的熱環境。同時，從容納室 140將拉室丨16分開的門會關閉。另一曲軸裝置與拉線（在 -18 - 本纸張尺度这用中g國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐）

五、發明說明（π) 圖中未顯示出）會移入拉室116的位置，用以成長另一單晶 矽塊（在圖中未顯示出）。 本發明製程的一第三具體實施例是在圖5顯示。該製程 非苇接類似於圖4所示’因爲該拉室2丨6不會移動，而是 该矽塊I會移至一容纳室24〇。該主要的不同是在該容纳室 240係位在上面，而不是在拉室216的旁邊。再者，—分 開的曲轴裝置21 8'與拉線220,會移入固定位置，所以另一 石夕塊Γ的成長會發生’而不管該矽塊I的熱情況是否已成 長。 進—步要注意，對於本製程的上述每一具體實施例，其 中该成長石夕塊是在拉室内保持以提供給過度擴散的足夠時 間而T ’該拉室具有一不均稱性熱輪廓是理想的，換句話 説’因爲該成長矽塊的至少一部分已冷卻至低於形成結塊 本徵點缺點.形成（TA)的溫度，此部分會從生長室移除或分 開夂時在溫度超過τΑ上維持是不必要。事實上，晶體不超 過τΑ的此邵分溫度輪廓是理想的，因爲如果溫度太高（亦 即，超過大約1175°C、120〇r或更大），本徵點缺點的濃 度會超過可溶性限制、或臨界濃度、結果會擴散。然而， 當此區域的溫度必須不可太高之時，該矽塊的其餘部分溫 度必須有效地維持在咼位準，以致於碎塊便不會發生。 如果採用一不均稱性熱輪廓，理想上，該溫度會從抒晶 尾端增加到尾端，典型上範圍是從大約〗〇〇(rc到大約丨2〇〇 C ’而理想範圍是從大約1 〇5〇°C到大約1175。〇。在具有溫 度超過TA的矽塊内之軸位置然後會根據本發明而冷卻，理 -19- 本纸張尺度適用申國國家標準（CN‘S)A4規格（210 X 297公t > f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

--------訂—„-------' .Λ ·丨丨 ‘ V 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 473564 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A： B7______ 五、發明說明（17) 想上’直到該溫度輪廓變成一致性爲止。該矽塊然後會如 在技藝中的一般性而進一步冷卻及移除，用以額外的處 理。 當一不均稱溫度輪廓是較佳之時，注意一均稱的溫度輪 廓亦可採用。然而，如果使用一均稱輪廓，溫度必須足以 過τΑ ’以避免結塊發生，但不是在如此高的溫度先前已 冷確低於τΑ的區域會重新變成臨界過度飽（如上面的討 論）°因此’溫度理想範圍是從大約丨125。〇到大約ι2〇〇 c ’而更理想是從大約115(rc到大約1175。〇。只要該矽塊 是在1：内’此均稱輪廓的溫度然後可根據本發明而減少冷 卻至低於1\的矽塊。然後，如同技藝中的平常技術，該矽 塊可進一步冷卻及移除，用以額外的處理。 下列範例係描述本發明。 範例 當该等矽塊以在圖6 A (以下，"無缺點"生長率曲線）的 虛線所示的率成長之時，兩個200公釐晶矽塊可在能夠完 全產生結塊本徵無缺點材料的拉晶器中成長。兩個晶體係 以在圖6 A連續線所示的相同目標成長率來生長，其成長 率具有與臨界成長率有關的一正常成長率（亦即，與臨界 成長率有關的實際成長率，典型係以在臨界成長速度上的 實際成長速度的比例表示）。如所描述的，該等矽塊最初 係以超過"典缺點”成長率曲線的-速率成長一段時間，然 後以超過播缺點"成長率曲線的塞率重新成長一段時 間。然而’只要完成發塊成長，該第一石夕塊（87(}Εχ )便允 -20- 本紙張尺度適用中0國家標準（CNSM4規格（2]〇 X 297 ) -(請先阶讀背面之注音？事項再填寫本頁) 訂i-l------^ 473564 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'J^ 五、發明說明（1δ) 许在晶體生長室自然冷卻。然而，該第二♦塊（87GEw) 允許在晶體生長室自然冷卻；相反地，只要矽塊成長完 成，在拉晶器的熱域中加熱器會保留，而矽塊會在拉室保 持3 0小時；該溫度輪廓是矽塊從籽晶尾部保持在溫度超 過大約1050°C而多於大約400公釐的區域，從籽晶尾端小 於大約400公釐的區域是在此時段期間於溫度低於大約 1050°C之時保持。 孩等矽塊係沿著平行於成長方向的中央軸而縱向切片， 然後進一步分成每個大約2公釐厚度的區段。使用銅裝飾 技術，從籽晶至尾部構成每個矽塊的縱向片段組係與銅污 染而且加熱，該加熱情況要能適合於將高濃度銅溶解成片 段。在此熱處理之後，該等取樣會在出現氧化物成串或結 塊晶隙性缺點位置上銅過度擴散或沉積期間會很快冷卻。 在一標準缺點描繪蝕刻之後，該等取樣會視覺檢查是否出 現沉積雜質；it些區域係符合此無結塊晶隙性缺點區域之 無沉積雜質。照相，然後會在每個晶體區段上拍照，而所組 成的照片係顯示從籽晶到尾端的每個晶體結果。第一自然 冷卻矽塊（87GEX)的相片组是在_6B描述，而第二保^ 矽塊（87GEW )的相片組是在圖6 c描述。 請即參考圖6A、6B、和6C，可看出該自然冷卻碎塊 (87GEX)係&含從〇到大約393公變的結塊空缺缺點、從 大約393公釐到大約435公釐的灰έ .......槐本徵點缺點、從大 約435公釐到大約513公釐的結塊本 及不徵點缺點、從大約5 13 公釐到大約557公釐的無結塊本徵點 w點缺點、及從557公釐 -21 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)；y规格（210 x 297公 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，訂—'111111 473564 A7 B7 _____ 五、發明說明（19) 到晶尾的結塊空缺缺點。這些係符合此熱域無缺點成長條 件的上面、其中與下面。該保持矽塊（87GEW)係包含從〇 到大約395公釐的結塊空缺缺點、從大約395公釐到大約 584公釐的無結塊本徵點缺點、及從大約584公釐到晶尾 的結塊芏缺缺點。因此，在兩矽塊之間的最明顯差異不同 是發生在從大約435公釐到大約513公釐的區域，其中該 自然冷卻矽塊（8 7GEX )係包含結塊本徵點缺點，然而該保 持石夕塊（87GEW)並不包含。在保持期間，在保持矽塊 (87GEW)的自我晶隙性矽原子的濃度會受到該等自我晶 隙性原子的額外擴散而抑制到矽塊的表面與空缺主區域， 因此’臨界過度飽和與晶隙.性原子的結塊反應便可避免隨 後晶體凝結。然而，在自然冷卻的矽塊中，不足夠的時間 允許額外擴散到該表面與空缺主區域，結果，該系統會在 石夕自我a曰隙性原子變成臨界過度飽和’而—結塊反應會發 生。 如此，這些矽塊係描述時間與足夠高溫度的特定充份 里，事實上，矽自我晶隙性原予的任何量可過度擴散到該 表面。 此外，在圖6A所述的"無缺點"成長率曲線係落在晶體 成長率的範圍内，在此拉晶器結構的自然冷卻情況下，其 可提供整個無結塊本質缺點材料。既使是在此熱域結構的 自然冷卻情況下，在結塊空缺缺點形成的成長率（pv)與在 結塊本徵點缺點形成的成長率（Ρι)之間存在晶體成長率的 範圍；此範圍是至少MPl的平均±5%。當在溫度超過大 -22· ^纸張尸、度適用中3 Θ家標準（CNS)AJ規格（2]0 ^ΓΖΰ~) (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 一， n I— n -'--ο ~

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五、發明說明（2〇) 约1050 C的成長晶體存在 ， 與諸如至少Pv_^p . 61加^時，此範圍會進一步 是明顯大:^未達^ 對於晶體87GEW而言，該存在 最低拉率）平均的此晶體仙係小於所達成的 J — 7_5/〇、至少±1〇0/〇、或即使至少± 的範圍而増加。這些結果是在下表！表示。 。 請 先 閱. 讀 背 面 之 ·：ί 意 事 項 再 填 寫 頁 I I 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSKA4規格（210 X 297公爱） 1 5 3 7 A7 B7 五、發明說明（21 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

斧辫韵5二ρ-ί藤芯87GEW t -犛含私t奇莱迹鄭VSV鱗>4-。 1 < < 1 轉換 584 465 465 395 位置 mm 0.271 0.196 0.196 0.246 正常化 拉率，V 0.233193 0.221008 V_ave 0.07478992 0.05042017 窗(DV) 1 32.07 22.81 %變化 100 (DV/Vave) 87GEW

Μ 1 < ΗΗ 1 1 1—< < 1 轉換 557 513 435 393 位置 mm 0.249 0.209 0.213 0.251 正常化 拉率，V 0.22937 0.232017 V_ave 0.0402521 0.03865546 窗(DV) 17.55 16.66 %變化 100 (DV/Vave) 007GEX -24- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂——：------線4 本紙張尺度適用中S國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 473564

AT ---—__B7 五、發明說明（22) 窗尺寸（或無缺點成長之可允許的拉率變化）的増加會實 質限制使拉率變慢（即是，限制在小於空缺至晶隙性主材 料（加上某些較小的△，以考慮空缺晶隙性滅絕）的臨界値 v/G〇。亦即該效果對於晶隙性主材料是最強，矽自我晶隙 性原子是比空缺有更快的擴散元素。換句話説，該窗會更 快朝著較低的拉率開啓。原理上，允許拉率變化有較快的 拉率（大比臨界値v/G加上某些較小的△)進入空缺主材料 的窗亦會以較快的拉率（空缺主材料）開啓，其會在空缺擴 散朝向晶體表面之時，在溫度大於約1〇5〇«c會增加存在的 時間，但此需有明顯較長的時間。 對於特足拉晶與熱域結構而言，可假設該轴溫度梯度 G〇在諸如於此發生的轉變範園内發生的相當短距離上是^ 近不變。結果’晶體生長率變化會導致v/G。成比例變化， 口此是工缺與矽自我晶隙性原子的最初濃度。然而，大触 上，既然它是距離表面是最遠的距離，户斤以在巾央 ΓG; = ^叫値。因此，此範例的結果係表示經 由：度大於約晰的增加存在時間所達成拉率變化的辦 二口係暗n/G。的相對變化會在沿著晶體半徑的任何點」 ’例如’ V/G。的半徑變化是 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 社 印 在孩梦塊的中央超過（在任何半徑位置 ^此了 15%或更大。 ）G〇値的10%、 女絲 ' …网々、贫明的數個目的是可i衾# 各種不同的變化可在上述的組合盘 :了^成 本發明的範圍，其要使在上述中心 ^而不會達 舉例説明而不是限制。 σ ’所有事務只用： _______ -25-

Claims (1)

1. 473564 ABC D

   第88110876號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(90年10月) 、夢费圍 1 · 一種用以產生一單晶碎塊之方法，該單晶矽塊具有一軒 晶圓錐體_、及尾圓錐體在該籽晶圓錐體與該尾圓錐體之 間的一固定直徑部分，該矽塊係根據Czochralski方法而 從一熔化的矽成長，該方法包含從該溶化的矽成長碎 塊’並控制矽塊的溫度，以致於矽塊部分不會在矽塊成 長期間冷卻至溫度低於發生結塊本徵點缺點的溫度ta， 以使該矽塊的至少固定直徑部分是實質無結塊本徵點缺 點。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中該碎塊在超過溫度 TA可維持一選定之時間，以允許本徵點缺點的向外擴 散，以達成低於發生本徵點缺點矽塊所需一可溶性限制 之濃度。 3_如申請專利範圍第2項之方法，其中在該砍塊成長之 後，該矽塊會超過溫度丁八維持一段時間。 4.如申請專利範圍第3項之方法，其中該Ta是小於矽的凝 結溫度’而且大於1〇5〇。(：。 5·如申請專利範圍第3項之方法，其中該Ta是小於矽的凝 結溫度，而且大於90CTC。 6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該矽塊係藉由控制 成長速度ν與平均軸溫度梯度G()而成長，所以該矽塊具 有自我晶隙性本徵點缺點之主宰。 7. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該v/G〇會控制在小 於 2.1 X 1CT5 cm2/S-K。 8. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該矽塊固定直徑部 :297公釐） 473564 A8 B8 C8

   分的直徑’而將該㈣保持在超過㈣成長開 始的溫度ΤΑ之時間係至少1 2小時。 9. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該矽塊固定直徑部 分的直徑200公釐，而將該矽塊保持在超過矽塊成長開 始的溫度ΤΑ之時間係至少2 2小時。 10. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該矽塊固定直徑部 分的直徑300公釐，而將該矽塊保持在超過矽塊成長開 始的溫度ΤΑ之時間係至少4 8小時。 11_如申請專利範圍第1項之方法，其係在一半導體製造設 備位置上的一拉晶器中實施，該製程係進一步包含從位 置移除妙塊的該步驟，而將該妙塊維持在溫度超過丁a， 以允許該拉晶器冷卻’並重新開始另一單晶矽塊的成 長。 12_如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該拉晶器具有—下 層生長室及一上層拉室，而其中該移除矽塊之步驟係包 含從該生長室隔離該拉室，將該拉室從成長室分離，並 將該拉室移遠離該生長室。 13. 如申請專利範圍第1 2項之方法，其係進一步包含將另_ 拉室移至在該生長室上的位置，並將該其他的拉室接合 在該生長室。 14. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該拉晶器具有—下 層生長室及一上層拉室，而其中該移除矽塊之步驟係包 含從該拉室移至毗連的一保持室與該拉室，該保持室會 加熱，以便在溫度超過TA可維持矽塊。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X 297公釐） 473564

   15·如:請專利範圍帛1項之方法，s巾當該梦塊維持在超 過/JHI度ΤΑ的溫度而且在該矽塊發生本徵點缺點結塊時， 該矽塊便會暴露在氧化的大氣層。 16_如申请專利範圍第丨5項之方法，其中當該矽塊在矽塊發 生本徵點缺點結塊的溫度超過1^上維持，該矽塊會暴露 土少一週期，其中在週期的該第一相位上，該矽塊係暴 路在一氧化的大氣層，而在週期的該第一相位上，該矽 塊係暴露在將矽氧化物從該矽塊表面溶解或移除的大氣 層。 17_ —種用以產生一單晶矽塊之方法，其具有一籽晶圓錐 體、及尾圓錐體與在該籽晶圓錐體與尾圓錐體之間的一 固疋直k部刀’該梦塊係根據Cz〇chraiski方法而從一溶 化的碎之拉晶器生長’該拉晶器包括一下層生長室與一 上層拉室，該方法係包含： 將一籽晶降低而與於在該拉晶器生長室中熔化的矽接 觸； 從該炫化扭回該軒晶，俾造成來自該熔化的梦冷卻， 用以形成該單晶矽塊； 將整個形成的矽塊拉至該拉室； 從該生長室隔離該拉室； 在拉室中將溫度維持在一超過溫度TA，其中該溫度係 為本徵點缺點的會在結塊發生之溫度。 18.如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該碎塊係在溫度超 過Τα維持一選定之時間以使本徵點缺點向外擴散，以達 -3- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 473564 A8 B8 C8

   申請專利範圍 一可溶性限制之—濃 成低於發生本徵點缺點結塊所需的 度。 万法’其中該τΑ係小於珍的凝 19·如申請專利範圍第1 8項之为 結溫度’而且大於1 〇 5 0 °c。 20. 如申請專利範圍第丨8項之方法，其中該係小於矽的凝 結溫度’而且大於9 〇 〇。〇。 21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該矽塊藉由控制一 成長速度v與一平均軸溫度梯度Gq而成長，所以該矽塊 具有自我晶隙性本徵點缺點之主宰。 22. 如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該WG〇比率會受控 制而小於2.1 xlO-5 cm2/s-K。 23. 如申請專利範圍第！ 8項之方法，其中該矽塊固定直徑部 分的直徑1 50公釐’而將該矽塊保持在超過矽塊成長開 始的溫度TA之時間係至少1 2小時。 24. 如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該矽塊固定直徑部 分的直徑200公釐，而將該矽塊保持在超過矽塊成長開 始的溫度TA之時間係至少2 2小時。 25_如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該碎塊固定直徑部 分的直徑300公釐’而將該矽塊保持在超過矽塊成長開 始的溫度TA之時間係至少4 8小時。 26.如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該拉晶器係在一半 導體製造設備的位置上配置，該製程係進一步包含從該 位置將該矽塊移除的步驟，而在溫度超過TA維持該珍 塊，以允許該拉晶冷卻，並重新開始另一單晶碎塊的成 本紙張尺度適用中國國家棵準(CNS) A4規格(210X297公董) 4/3^64

   長。 27. 如申請專利範圍第2 6項之方法，其中移除該矽塊之步驟 係包含從該生長室將該拉室分離，並將該拉室移遠離該 生長室。 28. 如申請專利範園第2 7項之方法’其係進一步包含將另一 拉室移至該生長室上的位置，並將該其他拉室接合在該 生長室。 29. 如申請專利範圍第2 6項之方法，其中移除該矽塊之步驟 係包含從拉室將該矽塊移至毗連於拉室的一保持室，該 保持室會加熱以便在溫度超過Ta維持該矽塊。 30. 如申請專利範圍第17項之方法，其中當該矽塊在會發生 本徵點缺點結塊的溫度TA以上維持時，該矽塊便會暴露 在乳化大氣層。 31. 如申請專利範圍第30項之方法，其中當該矽塊在會發生 本徵點缺點結塊的溫度TA以上維持時，該矽塊便會暴露 在至少一週期，其中在該週期的第—相位中，該矽塊會 暴露在一氧化大氣層，而在該週期的第二相位中，該矽 塊便會暴露在從該矽塊表面溶解或移除矽氧化物的一大 氣層。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐)