TW571006B - Process for suppressing the nucleation and/or growth of interstitial type defects by controlling the cooling rate through nucleation - Google Patents

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五 、發明說明（ 之S明^係關於用於製造電子組件之半導體級單晶秒 空 匕八，本發明係關於具有不含凝聚本質點缺陷之 製備:及其H材科〈轴向對稱區域之單晶石夕錠及晶圓的 晶體電子組件之大多數程序之起始物料之單 製備捷可拉斯基（cz〇chraiski)(「cz」）方法 ^万法中’將多晶♦("PGlysiliecm”）加至掛螞中 晶種與物接觸，及經由緩慢抽 晶頸之生成完成後，經由減低拉引速率及/或溶體 直徑擴大’直至達到期望或標的直徑為止。接 裝 液位，：::：5引速率及熔體溫度邊補償逐漸減少的熔體 :、.〃、有大致恆定直徑之晶體的圓柱形主體成長。 4近：：程序之終點但在坩堝中之熔融矽用盡之前，晶 :直後必茜逐漸降低而形成端圓㈣型上，端圓錐係經 小時，編。當直徑變得夠 線 :年來:，已知曉在單晶，夕中之許多缺陷係當晶體於固化 時’在晶體成長室中生成。此種缺陷部分係由於存 在過里（即濃度高於溶解度極限）之稱為空位及自佔插入 本質點缺陷所致Q自稼體成長之梦晶典型上會伴隨過量之 一種或另一種類型之本質點缺陷’包括晶格空位（「V 碎自佔插入（4」）之成長。已有人提出在石夕中之此等㈣ 陷的類型及起始濃度係在固化時所決定，及如此等濃度在 4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董） 571006 五、發明説明（2 ) 系統中達到臨界過飽和的程度，及點缺陷的移動性夠高， 則將可能發生反應或凝聚事件。在複雜及高度積體電路之 製造中，在矽中的凝聚本質點缺陷會嚴重地影響材料的降 服位能。 已知空位型缺陷係可觀察到之晶體缺陷諸如D-缺陷、流 動形態缺陷（FPD)、閘氧化物整體性（G0I)缺陷、晶體來源 顆粒（COP)缺陷、晶體來源光點缺陷（LPD)，以及由紅外光 散射技術諸如掃描紅外顯微術及雷射斷層掃描攝影術觀察 得之某些種類之整體缺陷的來源。在過量空位之區域亦存 在成為環氧化引發疊差（0ISF)之晶核的缺陷。據推測此特 殊缺陷係由存在過量空位所催化的高溫成核氧凝聚體。 與自佔插入相關的缺陷較未受到充分的研究。其一般被 視做低密度的插入型差排環圈或網狀結構。此種缺陷並非 閘氧化物整體性故障—種重要晶圓性能標準·的來源， 但其被廣泛認為係通常與電流漏洩問題相關之其他類型之 裝置故障的原因。 / 土 、1知在捷可拉斯基矽中之此等空位及自佔插入凝聚缺陷 2进度係在立方公分至約” 1〇7/立方公分之範圍 ，然此寺值相當低’但凝聚本質點缺陷對裝置製造商 中之生=因重素要性，事實上，其現在咖 、經提出用於控制凝聚缺 軍曰於Θ 6松- 水夬陷义生成的一種方式係經由控制 固:界速率:):在成長中之晶體^ Μ度梯度G，而控制當自熔融矽物質固 本紙張 -5- 571006 A7 B7 五、發明説明（3 ) 化而生成單晶矽時之點缺陷的起始濃度。尤其，經建議軸 向溫度梯度之徑向變化應為不大於5 °C /公分或更低。參見 ，例如，Iida等人，EP0890662。然而，此方法需要嚴格設 計及控制拉晶器之熱區。 經提出用於控制凝聚缺陷之生成的另一種方式係當自熔 融矽物質固化而生成單晶矽時控制空位或插入點缺陷的起 始濃度，及控制晶體自固化溫度至約l，〇50°C之溫度的冷卻 速率，以使碎自佔插入原子或玄位可以擴散，因而將芝位 系統或間隙系統之過飽和維持在低於會發生凝聚反應的值 下。參見，例如，Falster等人，美國專利號數5,919,302及 Falster等人，WO 98/45509。雖然此等方法可成功地用於製 備實質上不含凝聚空位或插入缺陷之單晶矽，但可能需要 大量的時間於使空位及插入適當地擴散。此會有降低拉晶 器之出料量的作用。 發明總結 可注意本發明之數個目的及特徵為提供一種實質上不含 會對矽之半導體性質有負面影響之凝聚本質點缺陷之單晶 矽的製造方法；提供實質上不會減小拉晶器之出料量的此 一方法；提供實質上可降低拉晶器對於製造無缺陷晶錠之 拉引速率之限制的此一方法；及提供實質上可降低拉晶器 對於平均軸向溫度梯度G 〇之限制的此一方法。 因此，簡而言之，本發明係關於一種單晶矽錠之成長方 法，其中該晶錠包括中心軸、晶種圓錐、端圓錐及在晶種 圓錐與端圓錐之間之定直徑部分。晶錠係根據捷可拉斯基 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571006

万法自矽熔體成長，此方法包括使晶錠自固化溫度冷卻至 低於800 C之溫度，及使具有主要本質點缺陷之晶錠之定直 徑部分的區域驟冷通過在該區域中佔優勢之本質點缺陷之 凝聚本質點缺陷的成核溫度作為該冷卻步驟之部分。 本發明更關於-種單晶石夕錠之成長方法，其中該晶鍵包 括中心軸、晶種圓錐、端圓錐及在晶種圓錐與端圓錐之間 <足直徑部分。晶錠係根據捷可拉斯基方法自矽熔體成長 ，此方法包括在晶錠之定直徑部分中形成包含B _缺陷但不 包含A-缺陷之區域，此區域具有晶錠之定直徑區域之徑向 寬度之至少約5 %的寬度。 本發明更關於一種具有中心軸、大致垂直於中心軸之正 面及背面、周緣、及至少約62·5毫米之自中心軸延伸至晶 圓〈周緣之半徑的單晶⑦晶圓。&晶圓包括—寬度為晶圓 半徑（至少約5 %之軸向對稱區域，其中矽自佔插入原子為 王要本質點缺陷，且其包含矽自佔插入Β型缺陷，但不包含 矽自佔插入Α型缺陷。 本發明更關於一種具有中心軸、晶種圓錐、端圓錐、及 在晶種圓錐與端圓錐之間之定直徑部分之單晶矽錠，此定 直徑邵分具有周緣及至少約62·5毫米之自中心軸延伸至周 緣之半徑。此單晶矽錠之特徵在於於晶錠成長及自固化溫 度冷卻後，定直徑部分包括一其中矽自佔插入原子為主要 本貝站缺fe之轴向對稱區域，且此軸向對稱區域包含珍自 佔插入B型缺陷，但不包含矽自佔插入A型缺陷。 本紙張尺度適财_家標準(CNS) 571006 五 發明説明（ 本發明之其他目的及特徵部分將可由後文而明瞭，及部 分將於後文中指出。 麗示簡單 圖1係顯示對於—旁％ & & t 凝聚插人缺陷所需之自由处 起始濃度[I]，AG”生成 而增加之例子的圖。_如何隨溫度T之減’ 圖2係詳細顯示晶錠之定直徑部分之軸向對稱a 矽錠的縱向橫剖面圖。 神门对％£域乏早晶 ^係如實施例1之論述所製備得之晶錠的橫剖面與傻 例2之論述所製備得之晶錠的橫剖3ί: = 施例3之論述所製備得之晶錠的橫剖面影ΐ。 :里：前與經進行如實施例4所論述之本發明 』 Β _缺陷之晶圓的影像。 ”、I圼夂八有 圓Γ—Α系及8D係如實施例4中之論述所製備得之 景^象9。八及叩係如實施例4中之論述所製備得之晶圓的一系 輕jl具體實例詳诫 =本發明’經發現空位切自佔插人原子 ，本質點缺陷之反應可經由使單_快速冷卻通過 ，成核溫度而抑制。不以任何特殊理論作基礎，據作 i;t卻’在文中有時稱為驟冷’經由將反應物，即本i 缺fe ’凍結於定位，而防止反應進行。 、 -般而言’可用於驅動在單^中自空位點缺陷生成凝 小 曰曰 曰曰 列 凝 缺 快 點 -8- 本紙張尺度適财關家標準(CNS) A4規格(210X297公羞Γ 571006 A7 _____ B7 五、發明説明（6 ) 聚空位缺陷或自佔插入原子生成凝聚插入缺陷之反應的系 統自由能變化係由方程式（1)所主宰·· [V/I] Δ Gy /1 — kT In---- [v/i]eq (1) 其中 △ Gv/I係視應用而定之生成凝聚空位缺陷之反應或生成插 入缺陷之反應的自由能變化， k係波茨曼（Boltzmann)常數， T係溫度，單位κ， [V/I]係在單晶矽中之一空間及時間點上之視應用而定的 空位或插入濃度，及 [v/i]ecU?、在發生[ν/ι]之相同空間及時間點上及溫度丁下 之視應用而定的更位或插入之平衡濃度。 根據此方程式，對於一定的空位濃度[V ]，溫度τ的減低 一般將由於[v]eq隨溫度的突然減小而導致AGv的增加。同 樣地，對於一定的插入濃度π]，溫度τ的減低一般將由於 [I ]e q隨溫度的突然減小而導致Δ(}ι的增加。 圖1概略說明自固化溫度緩慢冷卻（例如，以約2 〇c /分鐘 以下夂速率）通過凝聚缺陷成核之溫度，而未同時採用一些 抑制矽自佔插入之濃度之方式之晶錠之AGi及矽自佔插入濃 度的變化。當晶錠冷卻時，根據方程式（丨），△&由於[I ]之 =加的過飽和而增加，且接近生成凝聚插入缺陷的能障。 L著♦卻的續進行’最終將超過發生反應的此能障。此 -9- 本紙張尺度適A4 規格(2i〇x297l：il—---- 571006 A7 _____B7 五、發明説明（7 ) 反應導致凝聚插入缺陷之生成，及由於過飽和系統之奸解 即由於[I ]之丨辰度之減小而致之附隨的△ Gi減小。 同樣地’當晶鍵自固化溫度緩慢冷卻，而未同時採用一 些抑制空位丨辰度之方式時，根據方程式（1)，△ Gv由於[V ] 之增加的過飽和而增加，且接近生成凝聚空位缺陷的能障 。隨著冷卻的繼續進行，最終將超過發生反應的此能障。 此反應導致凝聚空位缺陷之生成，及由於過飽和系統之野 解而致之附隨的AGv減小。 然而，令人驚訝地，在具商業上重要性之直徑之以捷可 拉斯基方法成長之單晶矽錠中產生凝聚本質點缺陷的反應 可經由使單晶錠以不使晶錠由於熱應力而破裂之可達到之 速率快速冷卻而抑制。換言之，可經由當晶錠最初自固化 溫度冷卻至不多於800°C之溫度時使晶錠快速冷卻通過凝聚 缺陷之成核溫度，而避免如單晶梦錠緩慢冷卻（例如，2。〇 以下之冷卻速率）時所將發生的凝聚反應。快速冷卻似乎可 有效提高在一定溫度下發生凝聚反應所需之本質點缺陷的 濃度。不以任何特殊理論作基礎，目前相信在經快速冷卻 晶鍵中之本質點缺陷的濃度可在凝聚本質點缺陷成核的溫 度下過飽和，但反應的動力經充分減緩，以致從未觀察到 反應。反應物經有效地凍結於定位。 一般而言’避開凝聚反應所需的冷卻速率係隨本質點缺 陷之濃度的增加而增加，及至少在理論上，凝聚本質點缺 陷之成核及成長可單獨經由控制晶錠通過凝聚缺陷之成核 溫度的冷卻速率而避免。然而，實際上，可冷卻矽晶錠而 -10- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

裝 訂

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不使其破裂之速率存在， 反應，去珍日於、Φ ^、丨，且此界限對如要避免凝聚 陷之濃声反于J存在於其中之本質點缺 眚例中，、打取口、 在本發明< 一較佳具體 到成由下列方式抑制：⑴_當單晶石夕達 ::度時’在其中之本質點缺陷的濃度，及⑴)控制單 近成核溫m ^ 此外m夕接 、、又、 /、中之本質點缺陷的濃度，以利用下列 万.⑴控制單晶錠中之本質點缺陷的起始濃度 ’及⑴)當單晶自固化溫度冷卻至成核溫度時，使本質點缺 陷有適當的時間可擴散切之表面或使其消滅（即插入盘空 位結合）。 / 中根據至目别為止的貫驗證據，本質點缺陷的類型及起始 ;辰度似乎最初係當晶錠自固化溫度（即約1410t)冷卻至大 於1300。〇之溫度（即至少約1325t：，至少約135〇艺，或甚至 土少約1375 C )時所決定。換言之，此等缺陷的類型及起始 濃度係由v/G0&所控制，其中v為成長速度，及G〇為在此 溫度範圍内的平均軸向溫度梯度。 在空位與插入支配材料之間的過渡係發生在v/G〇之臨界 值下，其根據目前所可取得的資料，似乎係約2· 1χ1〇-5平方 公分/秒K(cm2/sK)，其中G()係在軸向溫度梯度在定義於上 之溫度範圍内為定值的條件下測定。在此臨界值下，此等 本質點缺陷之所產生的濃度相等。當v/Gg之值超過臨界值 時，空位之濃度增加。同樣地，當v/G()之值低於臨界值時 ，自佔插入之濃度增加。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 571006 A7 B7 五、發明説明（9 ) 一— - 根據本發明，選擇起始成長條件，以提供含有（i)空位自 中心至邊緣為主要本質點缺陷，（ii)矽自佔插入自中心至邊 緣為王要本質點缺陷，或（iii)空位為主要本質點缺陷之中央 核心被矽自佔插入為主要本質點缺陷之軸向對稱區域包圍 的晶錠。一般而言，控制成長速度¥及平均軸向溫度梯度以 以致v / G 〇之比落在V / G 〇之臨界值之約〇 · 5至約2 · 5倍之範 圍内較佳（即根據對於v / G 〇之臨界值之目前可取得的資料為 約lxlO·5平方公分/秒尺至約5χ1〇·5平方公分/秒艮）。之 比落在v/G〇之臨界值之約〇·6至約K5倍之範圍内更佳（即 根據對於ν / G G之臨界值之目前可取得的資料為約1 . 3 X 1 〇 _5 平方公分/秒K至約3xl(T5平方公分/秒K)。在一些具體實例 中，v/G〇比以落在v/Gg之臨界值之約〇·75至約125倍之範 圍内較佳（即根據對於ν / G 〇之臨界值之目前可取得的資料為 約1 · 6 X 1 〇 ·5平方公分/秒κ至約2 · 1 X 1 〇 - 5平方公分/秒κ)。 由於快速冷卻使程序較先前方法對於凝聚缺陷之抑制更 為紮實，因而本發明之方法可較先前技藝方法容許顯著更 多的方法變異性。舉例來說，在晶錠之成長過程中，G〇會 隨零件之成為經塗布而改變，及不準確的拉引速率校準和 直徑波動會導致拉引的變化，其皆會導致V/G()成晶錠之函 數的變化。同樣地，儘管設計相同的成長條件，但拉晶器 零件的老化會導致在相同拉晶器中成長之晶體之在不同晶 體之間的變化。因此，儘管v / G 〇可成晶體長度之函數或在 不同晶體之間變化多至1 0 %以上，但根據本發明所進行之 -12- 本紙最尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 571006 、發明説明（ 万法可—致地製造實質上不含凝聚缺陷的石夕晶錠。 ，^均轴向溫度梯度G。之控制可經由設計拉晶器之「熱區」 :卩&成加熱器的石墨（或其他材料）’尤其係、絕緣、熱及 =屏蔽，而達成。雖然設計尤其可視拉晶器的製造及模 ’但一般而言，G。可使用技藝中目前已知用於控制 在容體/固體界面處之熱傳的任何構件控制，包括反射器、 =屏蔽、排淨管、光管、及加熱器。—般而t，經由將 此—裝置設置於溶體/固體界面上方之約—個晶體直徑内， =吏G。之徑向變化減至最小eG。可經由調整裝置相對於溶 二：晶體（位置而作進一步控制。此係經由調整裝置在熱 一<位置’或經由調絲體表面在熱區中之位置而完成 此外，當使用加熱器時，G0可經由調整供應至加敎哭之 功率而作進一步控制。 Μ叩 、於固化之後，經由使本質點缺陷擴散，及在可應用的程 度上使點缺陷互相消滅，而使晶體中之本質點缺陷的濃度 Ρ牛低較佳。一般而了’如晶錠自中心至晶錠之橫向表面為 空位或插入支配，則使主要本質點缺陷擴散至橫向晶體表 面知係王要的降低方式。然而，如晶錠包含被軸向對稱插 入支配區域包圍的空位支配核心，則降低主要將係插入向 外擴散至表面及插入向内擴散至空位支配區域的組合，在 此其經消滅。因此，可抑制此種本質點缺陷之濃度，而^ 止凝聚事件發生。 當單晶自固化溫度冷卻至成核溫度時，使本質點缺陷可 擴散至矽之表面或使其消滅（即插入與空位結合）的時間量 -13-

I紙張尺度適财關祕邮卿Μ規格(21QX297公愛) 571006 A7 _______B7 五、發明説明（n ) ~ 部分係本質點缺陷之起始濃度的函數，及部分係通過凝聚 缺陷之成核溫度之冷卻速率的函數。舉例來說，在不存在 快速冷卻步驟的情況下，如使晶锭在下列期間内自固化溫 度冷卻至在成核溫度之約5 0 °C，2 5 °C，1 5 °C或甚至1 0。(：内 之溫度，則一般可避開凝聚缺陷：（i)對15〇毫米標稱直徑之 矽晶至少約5小時，以至少約1 〇小時較佳，及至少約丨5小 時更佳，（ii)對200亳米標稱直徑之矽晶至少約5小時，以至 少約ίο小時較佳，至少約20小時更佳，至少約25小時又更 佳，及至少約30小時最佳，（iii)對具有3〇〇亳米以上之標稱 直徑之矽晶至少約2 0小時，以至少約4 〇小時較佳，至少約 6 0小時更佳，及至少約7 5小時最佳。因此，對於將要被快 速冷卻之該等晶錠區域，容許的擴散時間典型上將係此時 間的小部分，其比率隨冷卻速率的增加而減小，然而對於 不經快速冷卻之該等區域的容許擴散時間將係如前所述。 快速冷卻的區域構成不含凝聚缺陷之晶錠之定直徑部分的 土少2 5 /〇較佳，至少5 〇 %更佳，及其之至少約7 5 %又更佳 〇 次疋聚缺陷在緩慢冷卻條件下發生成核的溫度係視主要本 質點缺陷（空位或矽自佔插入）之濃度及類型而定。一般而 言，成核溫度係隨本質點缺陷之濃度的增加而增加。此外 ，凝聚空位型缺陷之成核溫度的範圍稍大於凝聚插入型缺 陷（成核溫度的範圍；換言之，在以捷可拉斯基方法成長 之單晶石夕中典型上製得之空位濃度的範圍内，凝聚空位缺 陷的成核溫度一般係在約LOOOt及約l52〇(rc之間，及典型 -14-

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上係在約l，000t及_u〇〇t之間，然而在以捷可拉斯基方 法成長之單晶矽中典型上製得之矽自佔插入濃度的範圍内 ，凝聚插入缺陷的成核溫度一般係在約85(TC及約1，10(TC之 間，及典型上係在約87〇〇c及約97(rc之間。 因此，在本發明之一具體實例中，使晶錠在主要本質點 缺陷成核生成凝聚缺陷的整個溫度範圍内快速冷卻。在另 一具體實例中，利用實驗或以其他方式測定而估計主要本 貝點缺陷發生成核之溫度，並使晶錠在自超過測得成核溫 度之1 0 C、1 5 c、2 5 c、5 0 °c以上之溫度延伸至低於測得 成核溫度之nrc、ire、25t、5(rc以上之溫度的溫度範 圍内快速冷卻。舉例來說，在特定條件下，經實驗測得成 核溫度對空位支配矽典型上為約丨，050它，及對矽自佔插入 支配矽典型上為約92(rc ;因此，在等條件下，對矽自佔插 入支配矽使晶錠在 1，050 ± i〇°c、L050 ± 15。〇、± 25 C、1，050 ± 50 C以上之溫度範圍内快速冷卻，及對矽自佔 插入支配石夕使晶錠在920 ± 1〇。〇、920 ± 15°C、920 ± 25°C 、920 ± 50°C以上之溫度範圍内快速冷卻較佳。 主要本質點缺陷發生成核之溫度可對一定的拉晶器及程 序利用實驗方式測定如下。據信在晶錠之一定區域中的石夕 自佔插入在直至該區域通過矽達到成核溫度之熱區區段為 止’將保留為點缺陷’且不會成核而生成凝聚缺陷。換言 之’在典型的捷可拉斯基成長條件下，此區域一開始係在 固體/液體界面處生成，且具有大約為矽之熔融溫度的溫度 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571006 A7 B7 五、發明説明（13 ) 。隨著此區域在其餘晶錠之成長過程中自熔體拉離，區域 之溫度當其被拉引通過拉晶器之熱區時冷卻。一特殊拉晶 器之熱區典型上具有一特性溫度分佈，其一般隨距熔體固 體界面之增加距離而減小，以致在任何指定的時間點上， 此區域之溫度將大約等於被此區域所佔據之熱區之區段的 溫度。因此，區域被拉引通過熱區之速率將會影響區域冷 卻的速率。因此，突然改變拉引速率將會導致整個晶錠之 冷卻速率的突然變化。值得注意地，晶錠之一特殊區域通 過成核溫度之速率會影響在該區域中生成之凝聚缺陷的大 小及密度。因此，在發生突然變化時通過成核溫度之晶錠 之區域之凝聚本質點缺陷的大小和密度將展現突然的變化 ，以下將其稱為成核前鋒。由於成核前鋒係在拉引速率改 變時生成，因而可將成核前鋒沿晶錠軸的精確位置與晶錠 之位置及相對之在拉引速率發生突然改變時在熱區内之成 核前鋒比較，及與熱區之溫度分饰比較，以測定在成核前 鋒之位置中之類型及濃度之本質點缺陷發生凝聚本質點缺 陷之成核的溫度。 因此，熟悉技藝人士可利用捷可拉斯基方法在經設計於 產生冨含2位或富含石夕自佔插入之晶鍵之方法條件下使石夕 晶錠成長，突然改變拉引速率，及注意在改變拉引速率之 時間點上，晶錠之位置相對於熱區中之溫度分佈，並觀察 成核前鋒之軸向位置，則可概算對於沿成核前鋒所存在之 濃度之本質點缺陷的成核溫度。另外，由於溫度及本質點 缺陷濃度沿成核前鋒而有徑向變化，因而可在沿成核前鋒 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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571006 A7 B7 五、發明説明（14 ) 之數個點測定溫度及本質點缺陷濃度，且可將成核溫度對 本質點缺陷濃度作圖，以決定成核溫度成本質點缺陷濃度 之函數。沿成核前鋒之矽之溫度可使用技藝中已知可估計 在捷可拉斯基反應器内之任何位置之溫度的任何熱模擬方 法測定，諸如比方說，說明於Virzi，「捷可拉斯基碎晶成 長中之熱傳的電腦模型（Computer Modeling of Heat Transfer in Czochralski Silicon Crystal Growth)」，_^_骨豊成長期刊 (Journal of Crystal Growth)，112 卷，699 頁（1991)中之熱模 擬。矽自佔插入之濃度可使用技藝中已知可估計在晶錠中 之任何點之本質點缺陷之濃度的任何點缺陷模擬方法而沿 成核前鋒作估計，諸如比方說，說明於Sinno等人，「捷可 拉斯基成長石夕晶中之點缺陷動力及氧化引發疊差環（Point Defect Dynamics and the Oxidation-Induced Stacking-Fault Ring in Czochralski-Grown Silicon Crystals)」，電化學學♦ 期子il (Journal of Electrochemical Society)，145 卷，3 02 頁 (1998)中之點缺陷模擬。最後，可經由使額外的晶錠在不 同的成長參數下成長，以製造具有增加或減少起始濃度之 本質點缺陷，及重複前述的冷卻實驗和分析，而對寬廣範 圍的溫度及濃度求得成核溫度對本質點缺陷濃度。 使單晶碎儘可能快速地冷卻通過成核溫度，而不使單晶 錠破裂較佳。因此，通過此溫度之冷卻速率至少為5 °C /分 鐘較佳，至少約1 〇 °C /分鐘更佳，至少約1 5 °C /分鐘更佳， 至少約2 0 °C /分鐘又更佳，至少約3 0 °C /分鐘又更佳，至少 約4 0 °C /分鐘又更佳，及至少約5 0 °C /分鐘又更佳。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 571006 A7 B7 五、發明説明（15 ) 一般而言，可利用至少兩種替代方式使單晶矽冷卻通過 凝聚本質點缺陷之成核溫度。在第一種方式中，使整個晶 錠（或至少希望不含凝聚空位缺陷及A-缺陷之該等部分）維 持在超過成核溫度之溫度下直至晶錠尾部完成為止；然後 使晶錠自熔體脫離，關閉輸入至熱區之熱，及將單晶矽自 捷可拉斯基反應器之熱區移至與熱區分開之室，諸如晶體 接收室或其他的冷卻室中，以使整個晶體（或至少希望不含 凝聚空位缺陷及A -缺陷之該等部分）驟冷。冷卻室可套有經 設計成利用冷卻介質，例如冷卻水，於自冷卻室以足以使 單晶矽錠在期望速率下冷卻之速率移除熱，而不使單晶矽 與冷卻介質直接接觸的熱交換裝置。或者，或除了使用冷 卻夾套之外，可使用預冷氣體諸如，比方說，氦，於連續 淨洗晶體接收室或其他冷卻室，以促進更快速的冷卻。技 藝中熟知自製程容器移除熱之方法，因此熟悉技藝人士可 使用各種方式於自晶體接收室或其他冷卻室移除熱，而不 需不當的實驗。 在第二種辦法中，在晶體成長過程中使晶錠之一部分， 以大部分較佳，驟冷。在此辦法中，將拉晶器之熱區設計 成（i)在成長中之晶體的整個半徑達到v/G〇的期望值（或範 圍值），（i i)在固化溫度及凝聚本質點缺陷之成核溫度中間 的溫度下提供本質點缺陷的適當擴散，及（iii)經由在包含成 核溫度之溫度範圍内採用陡峭的軸向溫度梯度，而使晶錠 驟冷通過在成長晶體中佔優勢之類型之凝聚本質點缺陷的 成核溫度。 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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571006 A7 ______ B7_ 五、發明説明（16 ) — " 不管辦法為何，晶錠除了快速冷卻段外，其視需要可包 含僅經由如前所述控制本質點缺陷之起始濃度及在達到成 核溫度之前容許適當的擴散時間，而避免凝聚反應之至少 一個部分（自中心至周緣）。一般而言，快速冷卻部分包含 晶錠之定直徑部分的至少約2 5 %較佳，至少約5 0 %更佳， 至少約7 5 %又更佳，及在一些具體實例中為至少約9 〇 〇/〇。 於使矽快速冷卻通過凝聚本質點缺陷之成核溫度後，其 後可使矽以任何商業上便利的冷卻速率冷卻至室溫。在低 於成核溫度下，將不會發生進一步的凝聚反應。 在本發明之一具體實例中，經冷卻晶錠之在晶錠之定直 徑邵分之全部或有實質的比率自中心至周緣不含凝聚缺陷 。換言之，晶錠實質上不含所有類型的凝聚空位及插入缺 陷。 在本發明之另一具體實例中，經冷卻的晶錠可包含B _缺 陷-在插入支配材料中生成之一種類型的缺陷。雖然並不知 曉B -缺陷之生成的精確性質及機構，但一般認可b _缺陷係 非差排環圈之矽自佔插入的凝聚。B-缺陷較A-缺陷（凝聚 插入缺陷）小，且據一般認定其非為差排環圈，而係尚未成 長得夠大或尚未達到形成差排環圈所需之足夠活化能的立 體凝聚。在此方面，尚不清楚B -缺陷當存在於主動電子裝 置區域時將會對該區域之性能有負面的影響。 無論如何，經驚人地發現Β·缺陷可經由將晶錠切片成晶 圓，並將晶圓熱處理而容易地溶解，其限制條件為Β _缺陷 -19- 本紙張尺度適用巾g國*標準(CNS) Μ規格(⑽/撕公董) 571006 五、發明説明

先則未經安定化。因此，在一種辦法中，將含有未經安定 化，B-缺陷的晶圓置於快速熱退火爐中，將晶圓快速加熱 至私的溫度(在此溫度下B-缺陷開始溶解），並在該溫度下 退火。-段相當短的時間。一般而言，標的溫度為至少約 1050 C較佳，i少約u⑽。c更佳，至少約115代更佳至 少約1200t又更佳，及至少約125代最佳。晶圓一般將在 此溫度下維持-段部分係視標的溫度而定的時間，較低溫 度需要較長時間。然而’一般而纟，晶圓將在標的溫度下 維持至少數秒（例如，至少3秒），以數十秒（例如，1〇、2〇 、3 0、4 0、或5 〇秒）較佳，及視晶圓之期望特性和標的溫 度而定，維持可直至約60秒（其接近市售之快速熱退火爐的 極限）之時間。 在較低溫度下熱處理加長的時間似乎會使B _缺陷安定化 。舉例來說，使含有B-缺陷之矽在9〇(rc下退火4小時之時 間可使B-缺陷安定化，以致其無法藉由不超過約125〇。〇之 熱處理而溶解。因此，使晶圓之溫度相當快速（例如，以約 2 5 °C /秒之速率）地爬升至標的溫度，以避免使缺陷安定化 ;此可於快速熱退火爐中於數秒左右完成。 若須要，可以可在晶圓之接近表面的區域中生成剥蚀區 及在晶圓整體生成微缺陷的方式進行熱處理。此一程序係 於快速熱退火爐中進行，將晶圓快速加熱至標的溫度，並 在該溫度下退火相當短的時間。一般而言，使晶圓^到超 過1150 C之溫度’以至少1175°C較佳，至少約丨2〇〇。(^更^ ，及在約1200°C及1275t之間最佳。此快速熱退火步驟可 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) " -------- 571006 =氮化氣體或非氮化氣體之存在下進行。氮化氣體包括氮 孔（N2)或可將經暴露之碎表面氮化的含氮化合物氣體諸如 氨。適當的非氮化氣體包括氬、氦、I、二氧化碳、及其 他此種非氧化、非氮化元素及化合物氣體、或此等氣體之 混合物。晶圓—般將係在此溫度下維持至少一秒，典型上 為至少數秒(例如’至少3秒）’以數十秒(例如，20 : 3土0、 4 0或5 0秒）較佳，及視晶圓之期望特性而定，維持可直至 約6 0和（其接近市售之快速熱退火爐的極限）之時間。 當熱處理步驟完成時’使晶圓快速冷卻通過晶格空位在 單晶矽中相當可移動的溫度範圍。一般而纟，在此溫度範 圍内的平均冷卻速率為每秒至少約，及以每秒至少約2〇 °C較佳。視剝蝕區域之期望深度而定，平均冷卻速率可為 每秒至少約5〇t較佳，每秒至少約1〇〇t又更佳，對於一些 應用在每秒約^至約·。c之範圍内的冷卻速率在目& 為較佳。-旦晶圓經冷卻至晶格空位在單晶石夕中相當可移 動之溫度範圍外的溫度，則冷卻速率似乎不會顯著地影響 晶圓之沈澱特性，因此，似乎並不相當重要。 冷卻步驟可在進行加熱步驟之相同氣體環境中方便地進 行。環境以具有不多於相當小的氧、水蒸氣、及其他氧化 氣體之分壓較佳。雖然氧化氣體濃度之下限尚未經精確測 定’但經證實對於〇·01大氣壓（atm.)或每百萬份原予1〇，_ 份（ppma)之氧的分壓，並未觀察到空位濃度的增加，且未 觀察到其之影響。因此，環境氣體具有低於〇.〇1大氣壓 (10,000 ppma)之氧及其他氧化氣體的分壓較佳；環境氣= 571006 A7 B7 五、發明説明（19 中之此等氣體的分壓不多於約〇〇〇5大氣壓（5,〇〇〇 ppma)更 佳，不多於約0.002大氣壓（2,000 ppma)更佳，及不多於約 0.001 大氣壓（！，000 ppma)最佳。 本喬明之方法主要係關於避免已知會影響在複雜及高度 積體電路之製造中之矽材料之降服位能的凝聚缺陷，此種 凝聚缺陷包括凝聚空位缺陷（例如，D _缺陷）及無法利用可 用於落解B -缺陷之類型之熱處理在整個矽晶圓容易地溶解 之A-缺陷。由於B-缺陷可容易地溶解且在任何情況中皆不 會有害，因而在一具體實例中，本發明之方法包括製備包 含B-缺陷，但實質上不含凝聚缺陷的單晶矽。在此情況中 ，可將B -缺陷如同其不為凝聚本質點缺陷般之進行處理。 然而，在希望單晶碎實質上不含所有的凝聚缺陷，包括b_ 缺陷的圍内’方法包括使自含有B _缺陷之晶錠切片得之 晶圓退火，以將其消除的額外步驟。 現參照圖2，根據捷可拉斯基方法及本發明之方法成長之 單晶㈣ίο包括中心軸12、晶種圓錐14、端圓雜16及在晶 種圓雖與端圓錐之間之定直徑部分丨8。定直徑部分具有周 緣20及自中心軸12延伸至周緣2〇之半徑4。半徑4為至少 62.5毫米較佳，至少約75毫米更佳，及至少約1〇〇毫米 至150毫米又更佳。 在說明於圖2之本發明之具體實财，晶鍵1〇包含並中石夕 自佔插入為主要本質點缺陷之軸向對稱區域6，並包圍其中 空位為主要本質點缺陷之大致上為圓柱形的區域8。轴向對 稱區域6之寬度係自周緣徑向朝向晶錠之中心軸測量(沿直 -22-

571006 20 五、發明説明（ Γ二及大為圓柱形之區域8的寬度係自中心轴徑向 周緣測量。在本發明之—具时例中，大致上 為圓柱形之區域8實質上不人、打 域6會…入Λ 位缺陷，及軸向對稱區 次6貝貝上不含Α·型凝聚插入缺陷。 在本發明之另-具體實例中，晶錠1G之自中心至邊緣為 二入支及配j在此具體實例中，轴向對稱區域6之寬度等於半 杯明、4圓㈣之區域8的寬度為零。同樣地，在 Μ明《弟三具體實例中，當晶錠1〇之自中心至邊緣為空 時’，大致上為圓㈣之區域8的寬度等於半徑，及轴 向對稱區域6之寬度為零。 八^欠參照圖2，軸向對稱區域6(當存在時）视需要可包括 各-型插人缺陷的轴向對稱區域7。如圖所說明，軸向對稱 =旬之徑向内側的邊界與軸向對稱區域6之徑向内側的邊 界二致；然而，軸向對稱區域7之徑向外侧的邊界位在周緣 又位向内側。因此，舉例來說，如軸向對稱區域6自中心 軸12延伸至周緣20(即大致上為圓柱形之區域8的寬度為零 )’則軸向對稱區域7將自中心軸12延伸至位在周緣2^之^ 向内側的某個邊界。 玉 軸向對稱區域6(當存在時）一般具有半徑之至少約3〇%， 及在-些具體實例中為至少約4G%，至少約6()%，至少約 8 〇 /〇 ’或甚至晶鉸之定直徑部分之半徑之i 〇〇%之自周緣2 〇 朝中心軸"徑向向内測得的寬度。此外，軸向對稱區叫 當存在時）一般在晶錠之定直徑部分之長度之至少、約2〇%的 長度上延伸，以至少約4 〇 %較佳，至少約6 〇 %更佳，及至 -23-

本紙痕尺度適财關家標準(CNS) A4規格(21〇x^¥1T 21 五、發明説明（ 少約8 0 %又更佳。 徑=半==(=時)-般具有晶鍵之定直 5%，至少約⑽，μ ° 些具體實例中為至少約 的寬产。 土^約25〇/〇，或甚至50%之在徑向測得 轴向對稱區域7(當存在時卜般在晶錠之定 40二^度< 至少約2〇%的長度上延伸，以至少約 車父佳:至少約6〇%更佳，及至少約80%又更佳。 b轴向對稱區域6及7之寬度可沿中心轴12之長度而具有一 此處所使用之轴向對稱區域…之寬度視為各 邊等區域在中心細1 9 + ^ H ^ ,#}、人一—、 一疋長度上的最小寬度。舉例來說 、定長度的軸向對稱區域ό，軸向對稱區域6之寬度 係經由測量自晶錠10之周緣2〇徑向朝向最遠離中心抽之點 :距離而測得。換言之，測量寬度，以致測得在軸向對稱 區域6 I —疋長度内的最小距離。

&當取代碳在單晶石夕中以不純物存在時，其具有催化氧沈 殿物成核中、之生成的能力。因此’基於此理由及其他理 由，單晶石夕鎚以具有低濃度的碳較佳。換言之，單晶石夕中 之，濃度以低於約5 χ 1〇丨6原子/立方公分較佳，低於上X 1〇原子/立方公分更佳，及低於5 X 1015原子/立方公分又 更佳。 應注意自根據本發明所成長之晶錠切片得的晶圓適合使 用作為了在其上沈積暴晶層的基材。爲晶沈積可利用技藝 中常用的方式進行。 θ 自根據本發明所成長之晶錠切片得的晶圓亦適合使用作 -24-本紙張尺度it财國國彖释平(CNS) A4規格(21GX 297公羞了 571006 A7

為在絕緣體結構上之徂主道威 再丄 < 供+導體用的基材。在 料上之半導體可例如 、、彖月豆禝否材 j如 如1yer寺人之美國直利哺鉍 5,494,849中之說明所形成。 国專利唬數 再者，亦應注意根據本發明所製備得 ，火處理(諸如說明於歐洲專利申請案號數 之處理）結合使用。 ，816A1中 凝聚缺陷之偵測 減聚缺陷可利用耸玄·7« n 能缺p…五 術偵測。舉例來說，流動形 怨缺陷、或D -缺陷，血刑I» β么一 丄 /、土上係、、至由先將單晶矽樣品在塞可 (Secco)蝕刻溶液中蝕刻 查而偵測得。（參見，例4 „ v H^進㈣微檢 σ H. Yamaguhi等人，半導體科 學技術（Semicond. Sci Technni、7 λ / ι lechm>l〇7’A135 (1992))。雖然此係 偵測凝聚空位缺陷之標準方法，但亦可使用此方法於偵測 A-缺陷。當使用此技術時，此等缺陷#存在時，其在樣品 表面上以大坑洞出現。 另外’/疑聚本質點缺陷可、經&以#施加熱時可擴散至單 晶石夕母體内之金屬修飾此等缺陷，而作視覺偵測。明確言 之，單晶矽樣品，諸如晶圓、金屬塊或厚板，可經由先將 樣品之表面塗布含有可修飾此等缺陷之金屬之組合物，諸 如濃硝酸銅溶液，而以視覺方式檢查此等缺陷之存在。然 後使經塗布樣品加熱至在約9〇〇它及約1〇〇〇。〇之間之溫度約 5分鐘至約1 5分鐘’以使金屬擴散至樣品内。然後使經熱處 理之樣品冷卻至室溫，因此而使金屬成為臨界過飽和，及 在樣品母體内存在缺陷之部位沈殺。 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571006 五、發明説明（23 ) 方、7飞後、、二由以冗光蝕刻溶液將樣品處理約8至約丨2分 4里先使樣w進仃非缺陷描输姓％，以移除表面殘留物及 沈/1又物纟型的冗光|虫刻溶液包含約5 5百分比硝酸（7 〇重量 百分比溶液）’約20百分比氳氟酸（49重量百分比溶液），及 約25百分比氫氯酸（濃溶液）。 然後以去離子水滌洗樣品，並經由將樣品浸於塞可或菜 特（Wdght)姓刻溶液中，或以其處理約35至約55分鐘，而 進行第二蝕刻步驟。典型上，樣品將使用包含約i : 2比例 惑0· 15 Μ重鉻鉍鉀及氫氟酸（4 9重量百分比溶液）之塞可蝕 刻溶液蚀刻。此蚀刻步驟可顯示出或描緣出可能存在㈣ 聚缺陷。 在此「缺陷修飾」程序之另一具體實例中，使單晶碎樣 叩在使用含有金屬之組成物之前進行熱退火。典型上，樣 品係經加熱至自約85(rc至約95(rc之溫度範圍約3小時至約 5小時。此具體實例對於偵測^型矽自佔插入凝聚缺陷為特 佳。不以特殊理論作基礎，一般相信此熱處理可使B _缺陷 安疋化及成長，以致其可更容易地被修飾及偵測。 凝聚空位缺陷亦可使用雷射散射技術，諸如雷射散射斷 層攝影術偵測，其典型上較其他蝕刻技術具有更低的缺陷 舍度偵測極限。 叙而口 不㊁；統聚缺陷之插入及空位支配材料之區域 可藉由以上說明的銅修飾技術，而與彼此或與含有凝聚缺 陷之材料作區別。無缺陷插入支配材料之區域不包含經由 蝕刻所顯示出之經修飾特徵，而無缺陷空位支配材料之區 -26- t H ® m¥(CNS) A4*^(21〇X297^) 571006

域（在如前所述之高溫氧核溶解處理之前）包含由 銅修飾所造成的小蝕刻坑洞。 、虱杉（ 定義 、又中所使用《下列片語或術語將具有所指示的意「 線 所、::貝占缺^」4間稱為「凝聚缺陷」係指由下列因素 斤以〈缺陷.⑴由空位凝聚產生D_缺陷、流動形態缺陷 、閘乳化物整體性缺陷、晶體來源顆粒缺陷、晶體 點缺陷、及其他此等與空位相關之缺陷之反應，或⑼由自 隸入凝聚產生A-缺陷、差排環圈及網狀結構、及其他此 等與自佔插入相關之缺陷之反應；「凝聚插入缺陷」、將係 和由，自佔插人原子凝聚之反應所造成之凝聚本質點缺陷 統水工位缺」將係指由晶格空位凝聚之反應所造成 之凝聚空位點缺陷；「半徑」係指自晶圓或晶錠之中心軸 測量至周緣之距離；「實質上不含凝聚本質點缺陷」將係 指凝聚缺陷之濃度(或大小)低於此等缺陷之谓測極限，其 目哥係約103缺陷/立方公分；rv/I邊界」侍指材料自空位 支配改變成自佔插人支配之沿晶鍵或晶圓之半後（或轴）的 位置；及「空位支配」和「自佔插入支配」係 本質點缺陷分別主要為空位或自佔插入。 、 實施例 如以下的實施例所說明，本發明提供一種單晶矽錠之製 備方法，其中當晶錠根據捷可拉斯基方法自固化溫度冷卻 時，經由使矽以足以防止生成A_缺陷之速率冷卻通^成核 -27-

571006 A7 ---------- B7 五、發明説明（25 ) — ~-- 溫度，即-定濃度切自佔插入發生A_缺陷之成核的溫度 ，而降低及/或防止本質點缺陷之凝聚。 、冷卻速率可使用捷可拉斯基晶體成長器之熱區的軸向溫 度分佈數據及-特殊晶錠之實際拉引速率分佈概算，其中 速率可由拉引速率v和軸向溫度梯度I所決定，且其 系此兩多數之函數，其中可將冷卻速率概算為V和I之乘 積提高拉引速率將導致冷 、卢之軸的任何任思點將成其拉引通過熱區之溫度分 佈〈速率的函數而冷卻。由於熱區中之溫度係隨其距溶體 表面之增加距離而減小，因而提高拉引速率，即該點移動 通過溫度漸減之熱區的速率，將導致冷卻速率之增加。 以下的實施例展示可使具有濃度分佈之硬自佔插入 之石夕f足以抑制A_缺陷之成核的速率下冷卻通過成核溫度 。在實犯例1、2及3中，晶錠係在可製造沿各晶錠之定直徑 部分之整個長度自中心至邊緣具有插入為主要本質點缺陷 ，及起始插入濃度在軸向實質上均勾，但在徑向向外的方 向上減小之晶錠的條件下成長。 實施例1 藍.定成核j显度成濃彦之函勣 使用利用技藝中常用之方式設計之熱區形態，根據捷可 拉斯基方法使單晶矽錠（2〇〇毫米標稱直徑）成長。控制方法 條件以製造冨含插入的晶錠，其中控制晶錠之熱史，以致 僅有晶錠之大約前15 0毫米的起始部分係在大約〇 · 4它/分鐘 之冷卻速率下冷卻通過成核溫度，而晶錠之主體則維持在 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 571006 A7 B7 五、發明説明（％ ) 高於插入凝聚之成核溫度的溫度下，直至尾部完成，並自 溶體移開為止。然後使拉引速率以逐步的方式提高，以致 其餘的晶键以大約1 · 2。〇 /分鐘之冷卻速率冷卻通過成核溫 度。 一、纟二々卻土環境條件，則沿中心軸平行於成長方向將 晶鍵作縱向切割，然後再進一步分割成厚度各約2毫米之切 片。然後使用先前說明的銅修飾技術將縱向切片加熱並故 意以銅污染，加熱條件係適用於使高濃度的銅插入溶解。 於此熱處理後，接著使樣品快速冷卻，其間銅不純物在存 在A -缺陷或凝聚插入缺陷的部位向外擴散或沈澱。 於標準的缺陷騎㈣之後，以視覺檢查樣品之沈)殿不 純物的存在與否，圖3顯示由晶錠之各切片製得，並連接在 起的數位影像’其形成晶錠之軸向橫剖面的數位影像。 A-缺陷在影像上係以白色的特徵或點出現。出現於各個別 t片《大約中心處的黑暗圓形特徵據信係由銅修飾程序所 歹欠留的假像，或用於拍攝晶鉈 辑日曰叙又杈剖面夂相機鏡頭的反射 ，而非扣不晶錠中之任何缺陷或變形。 .曲現參照圖3，其中出現以下稱為成核前鋒之A.缺陷之數目 4的哭然變化’此成核前鋒大致如字形，以致 =前鋒之上部出現於在晶鍵之周緣沿晶錠轴之大約刚毫 成核鱗之底“現於在晶 《大約150毫米處。換言之， 口日日釦軸 緣自17至⑽毫米及^成核前鋒上方（即沿邊 —叙核心自17至150毫米）之A-缺陷 ts @ tmTcNS) 29- 571006

的數目密度㈣出科成核前鋒下方（即沿晶錠邊緣自⑽ 至1 〇 00毫米及沿晶錠核心自i 5 0至i _毫米）之A _缺陷的數 目密度。此成核前鋒呈現出在提高冷卻速率時發切自佔 插入成核之沿晶錠軸的位置，或換言之，其為在改變冷卻 速率時，石夕、經冷卻it過成核溫度之沿晶趁軸的位置。經由 注意f錠在冷卻速率改變時之位置’及將晶錠之位置與在 反應器之熱區中之溫度分佈作比較，估計得成核溫度係發 生在大約85(TC及95(rC之溫度範圍内。成核前鋒之曲率係 由於碎錠之溫度切自佔插人之濃度兩者皆自晶錠之核心 至晶錠之周緣作徑向變化所致。 實施例2 皇座·^.南通過處遂而降低A -缺陷 使用利用技藝中常用之方式設計之熱區形態，根據捷可 拉斯基方法使單晶矽錠（200毫米標稱直徑）成長。類似於實 施例1所說明之晶錠，控制方法條件以製造富含大量插入的 晶錠’其中控制晶錠之熱史，以致僅有晶錠之大約前19〇毫 米的起始部分係在大約0.4 t/分鐘之冷卻速率下冷卻通過 成核溫度，而晶鉸之主體則維持在高於插入凝聚之成核溫 度的溫度下，直至尾部完成，並自㈣移開為止。然後使 晶錠停留大約30小時（拉引速率=〇毫米/分鐘），之後使拉 引速率以逐步的方式提咼，以致沿晶錠軸之自大約i 至 360笔米/分鐘之晶錠切片以相當於約i · 2 t /分鐘之冷卻速 率通過成核溫度。然後使拉引速率以逐步的方式進一步提 高，以致沿晶錠軸之自大約360至530毫米/分鐘之晶錠切片 -30- 本紙張尺度制巾&家鮮(CNS) M規格(21Gχ297/^^ 571006 A7

^目當於約3.5t/分鐘之冷料率通過成核溫度。接著使 拉引速率以逐步的方式提高，以致沿晶錠軸之自大約5心 670愛米/分鐘之晶錠切片以相當於約5.7。口分鐘 速 率通過成核溫度。最後，使拉引速率以逐步的方式^小， 以致沿晶錠軸之自大約㈣至79G毫米/分鐘之晶錠切片以相 當於約1 .2 °c/分鐘之冷卻速率通過成核溫度。 -旦經冷卻至環境條件，則沿巾⑽平行於成長方向將 晶錠作縱向切割，然後再進一步分割成厚度各約2亳米之切 片。然後使用先前說明的銅修飾技術將縱向切片加熱並故 意以銅污染，加熱條件係適用於使高濃度的銅插入溶解。 於此熱處理後，接著使樣品快速冷卻，其間銅不純物在存 在A-缺陷或凝聚插入缺陷的部位向外擴散或沈澱。於標準 的缺陷描繪蝕刻之後，以視覺檢查樣品之沈澱不純物的存 在與否，圖4顯示由晶錠之各切片製得，並連接在一起的數 位影像’其形成晶錠之軸向橫剖面的數位影像。A _缺陷在 影像上係以白色的特徵出現。與實施例丨類似，出現於各個 力】切片之大約中心處的黑暗圓形特徵據信係由鋼修姊程序 所殘田的假像’或用於拍攝晶鍵之橫剖面之相機鏡頭的反 射’而非指示晶鍵中之任何缺陷或變形。 參照圖4 ’沿晶鍵轴自大約1 〇 〇至19 0毫米出現一成核前鋒 。此成核前鋒呈現出當拉引速率自約〇增加至約1毫米/分鐘 時發生石夕自佔插入成核之沿晶錠軸的位置。在相當於通過 成核溫度之冷卻速率增加至約3 · 5 °C /分鐘，然後再增加至 約5 · 7 °C /分鐘之沿晶錠軸位置之大約360毫米及530毫米處 -31 - 本紙痕尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

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571006 五、發明説明（29 Γ f =外的成核前鋒。圖4顯示冷卻速率對碎自佔插入凝聚 《數目密度及寬度的影響。展現A-缺陷之區域隨冷 二率：ί連績的增加而變得較窄，其顯示只有在晶錠核 速率會影響會；1:;佔插入繼續凝聚。此外，作為冷卻 "生疋來又區域之直徑的證據，對應於沿晶 、'由之：:、勺670至790亳米之晶鍵的區域係以1.2 〇C/分鐘之 速：“p通過成核溫度。並不令人驚訝地，A_缺陷生成之 面積的直徑大約等於在沿晶鍵軸自大約190至360亳米之區 或中4 ㉚生成之面積的直徑。因此，當冷卻速率變 愈來愈高時’、本發明之方法可使愈來愈高濃度的石夕自佔插 入：钟通過成核溫度，而不產生缺陷。因此，一般而士， ==核溫度之冷卻速率可容許一開始存在較嶋 m入，而不凝聚及生成A_缺陷，或者產生生成A_ :區域：對於具有固定石夕自佔插入濃度分佈之晶錠， S冷卻速率增加時，直徑減小。 實施例3 查的驟冷程序 使用利用技藝中常用之古+ irL 、 p ^j 5又计之夂區形態，根據捷可 乂、斤土万法使早晶錢（細毫米標稱直徑）成長。類似於實 施例1及2所說明之晶錠，控制方法條件以製造富含插入的 晶錠’其中㈣晶錠之μ ’以致僅有晶錠之大約前17〇毫 未的起始邵分係、在大約〇.4t/分鐘之冷卻速率下冷卻通過 成核溫度’而晶錠之主體則維持在高於插入凝聚之成核溫 度的溫度下’直至尾部完成，並自溶體移開為止。然後將 -32- A7 B7 五、發明説明（3〇 加熱斋關閉，及將晶體立即自熱區移開，以致其餘的晶錠 以大約2 7 °C /分鐘之速率冷卻通過成核溫度。 曰一旦經冷卻至環境條件，則沿中心軸平行於成長方向將 晶錠作縱向切割，然後再進一步分割成厚度各約2亳米之切 片。然後使用先前說明的銅修飾技術將縱向切片加熱並故 意以銅污染，加熱條件係適用於使高濃度的銅插入溶解。 於此熱處理後，接著使樣品快速冷卻，其間銅不純物在存 在A-缺陷或凝聚插入缺陷的部位向外擴散或沈澱。於標準 的缺陷描Μ刻之後，以視覺檢查樣品之缝不純物的: 在與否，圖5顯示由晶錠之各切片製得，並連接在一起的數 位影像，其形成晶錠之軸向橫剖面的數位影像。Α-缺陷在 影像上係以白色的特徵出現。 參照圖5，沿晶錠軸自大約11〇至37〇毫米出現一成核前鋒 。此成核前鋒呈現出當尾部完成並將晶錠拉出熱區，以致 冷卻速率自約〇.4。(：/分鐘突然增加至約27t;/分鐘時發生矽 自佔插入成核之沿晶錠軸的位置。以大約2 7 °C /分鐘之速率 冷卻通過成核溫度之其餘的晶錠相當不含缺陷，其顯示 當充分快速地冷卻通過成核溫度時，不會生成A_缺陷。 實施例4 消滅B-缺陷之方法 利用捷可拉斯基方法拉引單晶矽錠。然後將晶錠切片並 拋光形成矽晶圓。使用先前論述的B-缺陷描繪試驗證實 受5秒，950°C快速熱程序（以下稱、RTp)熱處理之晶體切= -33 - 571006 A7 B7 五、發明説明（31 ) 的晶圓包含B -缺陷。 將自晶鍵而得的晶圓分成兩部分’之後使一部分進行B _ 缺陷消滅程序，其中將此部份以約2 5 °C /分鐘之速率加熱至 約1250°C之溫度，並在該溫度下維持約1 〇秒之停留時間， 而另一部分則不進行B _缺陷消滅程序。然後將兩部分以先 前論述的B -缺陷描繪試驗處理，並攝取各經描繪部分的數 位影像。如圖6 A及6B所示，經進行消滅程序的晶圓部分（ 即在右邊的部分之圖6B)實質上不含B-缺陷，而未進行B-缺陷消滅程序的晶圓部分（即在左邊的部分之圖6 A)則包含 B -缺陷，其在晶圓之中心以白點出現。 額外的晶圓.然後以不同的熱處理方法處理來自晶體之相 同部分之表1中的晶圓1至1 0，其中將各晶圓以大約2 5 °C / 分鐘之速率加熱至標的溫度，並停留如表1所說明的指定時 間0 表1

晶圓 編號 熱處理標的溫度（ °c)/停留時間（秒） 環境 註 B -缺陷存在 與否（Y/N) 1 1000/300 Ar力口500 ppm 〇2 Y 2 1100/15 Ar加500 ppm 〇2 Y 3 1100/60 Ar加500 ppm 02 Y(非常少） 4 1250/10 Ar加500 ppm 02 lOC/s降溫 中間 5 1150/60 Ar力口500 ppm 〇2 N 6 1200/60 Ar加500 ppm 〇2 N -34- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

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7 1175/60 Ar加500 ppm 〇2 N 8 1250/10 Ar加500 ppm 02 5C/s降溫 N 9 1250/10 〇2 lOC/s降溫 N 10 1250/10 〇2 10C/s降溫 N 然後使晶圓冷卻至室溫。值得注意地，於加熱至1000°C之 標的溫度5分鐘後，晶圓1顯現顯著數目的B ·缺陷；當加 熱至1100°C 1 5秒時，晶圓2顯現相當少的B _缺陷；及當加 熱至1100 C 60秒時，晶圓3幾乎未顯現B-缺陷。（見圖7A_ D )因此，如由晶圓1至3所顯示，當將標的溫度增加至高 元1100 C時’ B -缺陷顯著地降低，及若有充足的停留時間 ，其幾乎可完全消除。另外，如晶圓5至1 0所示，當加熱至 鬲於1150、1175、120〇及1250°C之溫度，並停留自約1〇至約 60秒《時間時，可將缺陷消滅。（見表1及圖8A-D及 9A-B。） 晶圓4係根據理想的沈澱晶圓程序處理，其中溫度係以約 2 5 C /分鐘之速率增加，標的溫度係約1250X：，停留時間係 約1 〇秒’及冷卻速率係約丨〇它/分鐘。雖然當使晶圓4進行 銅修飾方法時，如圖7 A-D所示，其顯現顯著數目的白點， 4據仏理心的沈丨殿部位經銅修飾方法修飾並以白點出現， 以致儘管B -缺陷在程序中經消滅，晶圓4之影像仍在整個晶 圓表面顯現白點。為證實此假設，使晶圓8至丨〇接受與晶圓 4相同的溫度和停留時間，但改變環境或冷卻速率，以致未 生成理想沈澱部位。晶圓8至1 〇當以約2 5 °C /分鐘之速率將

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571006 A7 B7 五、發明説明（33 ) 晶圓加熱至約1250°C之溫度，並在該溫度下停留約1 〇秒時 ，B -缺陷經消滅，因此證實晶圓4所顯示之白點實際上係經 修飾理想沈澱部位的假設。 鑑於以上說明，可以看到已達成本發明之數個目的。由 於可不脫離本發明之範圍而在以上之組合物及方法中進行 各種變化，因而應將在以上說明中所包含之所有内容解釋 為說明性，而非具限制意味。 圖式元件符號說明 4 半徑 6 軸向對稱區域 7 軸向對稱區域 8 大致上為圓柱形的區域 10 單晶矽錠 12 中心轴 14 晶種圓錐 16 端圓錐 18 定直徑部分 20 周緣 22 直線 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 一種單晶矽錠之成長方法，其中該晶錠包括中心軸、晶 種圓錐、端圓錐及在晶種圓錐與端圓錐之間之定直徑部 分’此定直徑部分具有周緣及至少62·5毫米之自中心軸 延伸至周緣之半徑，此晶錠係根據捷可拉斯基 (CZ〇Chralski)方法自矽熔體成長，此方法包括使晶錠自 固化溫度冷卻至低於800t之溫度，及使具有主要本質 占缺之晶錠之定直徑部分的區域驟冷通過在該區域中 王要之本質點缺陷之凝聚本質點缺陷之成核溫度作為該 冷卻步驟之部分。 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少1 0 %的軸向長度。 3 ·如申凊專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少25 %的軸向長度。 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少5 0 %的軸向長度。 5 ·如申凊專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少7 5 %的軸向長度。 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少9 0 %的軸向長度。 7 ·如申凊專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之半徑之至少5 %的寬度。 8 ·如申凊專利範圍第7項之方法，其中該區域具有定直^ 部分之軸向長度之至少1 0 %的軸向長度。 9 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中該區域具有定直徑 本紙張尺度適财@國家標準(CNS)八4規格(⑽χ297公#) 571006 A8 B8 C8 __— _D8_ 、申請專利~'~~一 部刀之轴向長度之至少2 5 %的軸向長度。 10·如申請專利範圍第7項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少50 %的軸向長度。 11·如申請專利範圍第7項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之軸向長度之至少75。/❶的軸向長度。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之半徑之至少丨〇 %的寬度。 13·如申請專利範圍第12項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之軸向長度之至少丨〇 %的軸向長度。 14·如申請專利範圍第12項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之軸向長度之至少2 5 %的軸向長度。 15·如申請專利範圍第12項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之軸向長度之至少50 %的軸向長度。 16·如申請專利範圍第12項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之軸向長度之至少7 5 %的軸向長度。 1 7 .如申請專利範圍第丨項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之半徑之至少2 5 %的寬度。 1 8 ·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該區域具有定直徑 部分之半徑之至少5 0 %的寬度。 1 9 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶錠係驟冷通過 自1，200°C至1，000°C之溫度範圍。 20·如申請專利範圍第19項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少5%的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少1 0 %的軸向長度。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） Λ BCD 571006 、申請專利範圍 2 1 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶錠係驟冷通過 自1，10(TC至l，〇〇〇°C之溫度範圍。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少10%的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少2 5 %的軸向長度。 2 3 ·如中請專利範圍S 1項之方法，其中該晶錠係驟冷通過 自850°C至l，l〇〇°C之溫度範圍。 24·如申請專利範圍第23項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少5 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少1 〇 %的軸向長度。 25. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶錠係驟冷通過 自870°C至970°C之溫度範圍。 26. 如申請專利範圍第25項之方法，纟中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少1G%的寬度，且具有定直㈣分之 軸向長度之至少2 5 %的軸向長度。 如申請專利範圍第1項之方法？其中該區域係以至少5 °C /分鐘之速率驟冷。 其中該區域係以至少10 2 8 ·如申請專利範圍第1項之方法 °C /分鐘之速率驟冷。 其中該區域係以至少2 0 29.如申請專利範圍第1項之方法 °C /分鐘之速率驟冷。 其中該區域係以至少3 0 3 0 ·如申請專利範圍第丨項之方法 °C /分鐘之速率驟冷。 其中該區域係以至少4 0 31 ·如申請專利範圍第1項之方法 本取以μ财s a家標準 A4規格（210 X 9Q7八敉、 571006 A8 B8 C8 — 1 ....... D8 六、申請專利範i ^ ------ °c /分鐘之速率驟冷。 32. 33. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該區域係以至少50 °c /分鐘之速率驟冷。 如申明專利範圍第1項之方法，其中該整體區域係經同 時驟冷。 3 4 ·如申μ專利範圍第丨項之方法，其中於該冷卻步驟後， 該區域包含Β-缺陷但不包含Α-缺陷。 3 5 ·如申請專利範圍第丨項之方法，其中於該冷卻步驟後， 该晶起具有實質上不含凝聚空位缺陷之空位支配材料之 大致上為圓柱形的區域。 3 6.如申請專利範圍第丨項之方法，其中該定直徑部分具有 至少75毫米之半徑。 3 7 .如申請專利範圍第3 6項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少5 %的宽度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少1 〇 %的軸向長度。 3 8 ·如申請專利範圍第3 6項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少1 〇 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少2 5 %的軸向長度。 3 9 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該定直徑部分具有 至少100毫米之半徑。 40·如申請專利範圍第39項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少5 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少1 0 %的轴向長度。 4 1 ·如申請專利範圍第3 9項之方法，其中該區域具有定直 -4-

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 571006 A B c D 申請專利範圍 fe部分之半徑之至少1 〇 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少2 5 %的軸向長度。 42 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該定直徑部分具有 至少150毫米之半徑❶ 43 ·如申請專利範圍第42項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少5 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少1 0 %的軸向長度。 44.如申請專利範圍第42項之方法，其中該區域具有定直 徑部分之半徑之至少1 〇 %的寬度，且具有定直徑部分之 軸向長度之至少25 %的軸向長度。 4 5 · —種單晶矽晶圓，其具有中心軸、大致垂直於中心軸之 正面及背面、周緣、及至少62 · 5毫米之自中心轴延伸至 晶圓之周緣之半徑，此晶圓包括一寬度為半徑之至少 5 °/〇之軸向對稱區域，其中矽自佔插入原子為主要本質 點缺陷’此轴向對稱區域包含碎自佔插入B型缺陷，但 不包含矽自佔插入A型缺陷。 46.如申請專利範圍第45項之單晶矽晶圓，其中該區域具 有晶圓半徑之至少1 0 %之寬度。 47 ·如申請專利範圍第45項之單晶矽晶圓，其中該區域具 有晶圓半徑之至少2 5 %之宽度。 4 8 ·如申請專利範圍第4 5項之單晶矽晶圓，其中該晶圓具 有至少200毫米之直徑。 4 9 · 一種單晶矽錠，其具有中心軸、晶種圓錐、端圓錐、及 在晶種圓錐與端圓錐之間之定直徑部分，此定直徑部分 -5· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X 297公#) ^---____ /、有周緣及至少6 2 · 5毫米之自中心袖延伸至周緣之半 僅’此單晶碎錠之特徵在於於晶錠成長及自固化溫度冷 卻後’定直徑部分包括一寬度為定直徑部分之半徑之至 >5/〇的轴向對稱區域，其中矽自佔插入原子為主要本 質點缺陷，此軸向對稱區域包含矽自佔插入B型缺陷， 仁不包含碎自佔插入A型缺陷。 •如申請專利範圍第49項之單晶矽錠，其中該區域具有 定直徑部分之半徑之至少1 0 %之寬度。 •如申請專利範圍第49項之單晶矽錠，其中該區域具有 定直徑部分之軸向長度之至少25%的軸向長度。 •如申請專利範圍第49項之單晶矽錠，其中該定直徑部 分具有至少200毫米之直徑。