TW575697B - Crystal puller for growing low defect density, self-interstitial dominated silicon - Google Patents

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575697 A7 B? 5 - 五 本發明大體上關於名：本道_ i wti u、 、在牛導祖寺級早晶矽的製備中所使用 的拉晶裝置，此單晶矽使用在 _ 义片j彺私于兀件的製造中。更明確 而1：，本發明係關於一枋Θ發 _万、拉日日I置，用以屋生該等單晶晶錠 與晶圓，其是受到自邊卩隐、;、 疋又到自我間隙性控制，而且在該晶錠半徑 一顯著邵分上沒有聚集之本質點缺陷。 大部分半導體電予元件製造基礎材料之單晶矽係普遍由 所謂的CZQehralSki(，，CZ’’）方法製備一晶錠的生長是普遍在 了拉晶熱爐内實施。在此方法中，多晶性矽(，，多晶矽。會 无填至一坩鍋内，並由該坩鍋側壁外表面附近的一加熱^ 所I化。—晶粒攜至與溶化碎接觸，而-單晶錠是藉由一 扭晶裝置的慢萃取來生長。纟完成頸部的形成後，該晶錠 的直徑便可藉由減少拉晶率及/或熔化溫度而擴大，直到奇 t或目；^直徑達成為止。當補償所減少之溶化位準時，具 有大約固定直徑的晶體圓柱主體隨後可藉由控制拉晶率與 熔化溫度而生長。接近生長製程結束時，該晶體直徑必須 逐漸地減少以形成尾部圓錐體。典型上，該尾部圓錐體係 藉由增加拉晶率及提供給坩鍋的熱而形成。當直徑變成足 夠小時，該晶錠便可從熔化物分開。 在坩鍋中用於將矽熔化的加熱器是典型的電阻加熱器， 其中一電流會流過一阻抗加熱材料（例如，石墨）構成的加 熱元件。電流流通的阻抗便會產生熱量，而從加熱元件發 射至其間所包含的甜鋼與碎。該加熱元件包含等長的垂直 方向加熱片，而且以並排橫截面配置彼此相連。即是，田比

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575697 A7 Β7 1 發明説明(~T~T~~^^~~~~~____ 連的片段是以另一方式在該等片段的頂端或底部上彼此連 I.接，以形成一遍及該加熱元件的連續電路。由該加熱元件 | 所產生的熱量通常是該等片段橫截面區域的函數。Μ | 近年來，已涊知到當凝結之後晶錠冷卻時，單晶矽内的 I許多缺陷會在晶體生長室内形成。部份由於在晶格出現一 j過度（亦即超過可溶性界限之濃度）的本質點缺陷，此缺陷 便會發生，而這些本質點缺陷即空缺與自我間隙性。從熔 I化物所生長的矽晶錠典型上是以晶格空缺（"V")或矽自我間 隙性（” I ”）的 '或其他類型的過度本質點缺陷生長。建議在 矽中的廷些點缺陷之類型與最初濃度應以凝結時間決定， 而如果這些濃度在系統中達到一臨界過飽和位準，且該等 點缺陷的遷移率足夠高，則一反應或一聚集事件便可能發 生。矽的聚集本質點缺陷會嚴重影響到在高度複雜積體電 路中的材料良率可能性。 工缺型缺陷可認知為晶體缺陷之起源，諸如D缺陷、流動 分佈缺陷（FPDS)、閘極氧化物完整性（G〇I)缺陷、晶體源起 | =子（COP)缺陷、晶體源起光點缺陷（LpDs)、及由紅外線光 月射技術所觀祭的某些體積缺陷分類，諸如掃描紅外線顯 ^鏡與雷射掃描線檢法。而且，在過量空缺區域所出現的 疋有如環氧化感應堆疊錯誤（〇ISF)的原子核缺陷，可推測 此特殊缺陷是出現過量空缺所引起接觸反應的一 氧塊。 、、W自我間隙性有關的缺陷並未妥善地研究，他們通常被 視為間隙性類型擾亂迴路或網路的低密度，該等缺陷並非 ⑽ __.92()627 D〇c机_ L ' 575697 A7 B7

五、發明説明 即一重要的晶圓效率標準 電流問題的其他類型裝置 閘極氧化物完整性錯誤之原因， ’但是晋遍認為其通常相關於漏 故障原因。 我間隙性聚集缺陷傳統上 範圍内。當這些值相當低 造商便會很快地提高重要 造處理上的良率限制因素 在Czochralski石夕中的此空缺與自 在大約 1* l〇3/cm3 至 l*i〇7/cm3 時’聚集本質點缺陷對於裝置製 性，而事實上現在可視為裝置製 丨幻為止-大致上存在二種處理聚集本質點缺陷問題 i的主要方法。第一方法包括著重在拉晶技術，以利減少在 晶鍵中聚集本質點缺陷的數目密度。此方法可進一步細分 I成具有拉晶條件的方法，其造成自我間隙性為主的材料構 泣。例如’已建礅聚集缺陷的數目密度能藉由⑴生長—晶 鍵而控制WG〇，其中晶格空缺是主要的本質點缺陷，及⑼ 當晶錠從熔化物表面向上拉時’藉由改變(通常藉由減慢) 石夕晶旋的冷卻率而影響聚集缺陷的結核率。 就此而言，美國專利案號5,248,378(〇daetal·)係一揭露用 以產生單矽晶的裝置，其中一被動熱絕緣體係配置在坩鍋 上的拉晶裝置，以減少在1150它以上的生長晶錠之冷卻率。 然而，諸如由Oda et al所揭露的熱絕緣體或熱保護通常不能 夠將晶錠的冷卻減慢至實質可減少晶錠缺陷數目的速率。

Oda et al進一步揭露絕緣體可由一加熱器取代，用以加熱 该生長晶錠。該加熱器是位在坩鍋的頂端與拉晶裝置殼體 轉’笑部分之間的拉晶生長室内。該加熱器將熱輻射至晶錠 .] 〇\59\59069-92()627.DOC\4\LAN *7 i一 !丨丨_，" 丨丨 I .......... 丁· _丨__ _ ____ 本紙張尺度適用中國國冢標準(CNS) A4規袼(210X297公釐） 575697 A7 Γ -------—^ Β7 五、發明説明（4 一— — 、、減1150 C以上的冷卻率。然而，當在〇da et ai中所揭露 的d等裝置能夠減少聚集缺陷的數目密度時，便不能避免 他們的开^ & ’因為冷卻率仍然太快而不能避免此形成。當 |裝置製造商所加諸的需求變成越來越迫切時，這些缺陷將 會出現，而持續使問題變得更嚴重。 而且，因為在傳統拉晶生長室中的有限空間，不可能實 現增加Oda et al所揭露的加熱器長度或大小而進一步減少生 長曰曰鲛的々卻率，提高加熱器的長度會因拉晶裝置殼體的 觀π孔的直徑控制裝置而妨礙到觀看晶錠。在傳統拉晶裝 置的生長罜中典型發現的微粒供應硬體、雷射熔化準位裝 置、與其他裝置亦會受到加熱器的長度增加的干擾。 在晶體本身的生長期間，其他專利曾建議將拉晶率減少 至低於大約每分鐘〇·4公釐的值。然而，以其本身而言，此 |建議亦無法令人滿意，因為此拉晶率會導致具有自我間隙 性的阿;辰度單晶矽形成。接著，此高濃度會導致聚集自我 間隙性缺陷形成及結合此缺陷之所有問題產生。 處理聚集本質點缺陷問題的第二方法包括著重在隨後形 成水集本質點缺陷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以 al在歐洲專利案號5〇3,816 A1中提議，以超過每分鐘〇 8公釐 的生長率來生長矽晶錠，並熱處理在115〇。〇至128〇t：範圍 溫度從晶錠所切割的晶圓，以減少在接近晶圓表面的薄區 域中的缺陷密度。所需的特殊處理將視在晶圓中的聚集本 質點缺陷的濃度與位置而改變。從不具有此缺陷的一致性

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幸由;辰度晶體所切 理情況。此外， 雜質帶入矽晶圓 的相關晶體缺陷 割下的不同晶圓可能需要不同的後生長處 此晶圓熱處理是相當高成本，具有將金屬 的可邊性，而且並非廣泛有效於所有類型 袅：永:：貝點缺陷問題的第三方法是在-單晶矽晶圓 押曰=w薄卵層的磊晶沈積。此製程提供具有一表面的 ::::圓’其貫質上沒有聚集本質點缺陷。然而，磊晶 沈和在實質上會增加晶圓的成本。 广廷些發展，持續存在對於一拉晶裝置之需求，其係 精：抑制屋生本質點缺陷的聚集反應而設計，〃禁止聚集 本質點缺陷形《。不是只限制此缺陷形成的速率，或嘗試 在缺陷：成之後毁滅某些缺陷，抑制聚集反應的拉晶^置 會產生實質上沒有聚集本質點缺陷的矽晶體。基於每個晶 圓所獲得的積體電路數目的觀點，此一拉晶亦會產生且有 類似蟲晶良率潛在性的單^晶圓，❼沒有^ 成本。 ^ 發明内宏 、在f發明的數個目的與特徵之中係特別提到提供一用以 產生單晶矽晶錠與晶圓的拉晶裝置，其係受到自我間隙性 控制，並在晶錠半徑顯著部分上沒有聚集本質點缺陷/此 一拉晶裝置的提供可實質減少在拉晶中所要生長晶錠冷卻 率；此一拉晶裝置供應可在生長晶錠的溫度過程中實質增 加時間為超過1〇5〇。〇 ;而在此一拉晶裝置使用的一電阻加 熱态供應不會經由在拉晶裝置殼體中的觀口而妨礙到生長 | O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN - 9 L __ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNg) A4規格(210X297公釐) 575697 A7 _______ B7 五、發明説明（6 ) 晶鍵的觀察。 ；^體上’根據Czochralski方法而用以生長單晶體矽晶錠之 本發明的一拉晶裝置包括定義具有一下層生長室及一上層 的内部叙體，此方法在晶錠半徑的顯著部分上是沒有聚集 本質點缺陷。該拉晶室具有較生長室為小的橫截面。一坩 鍋配置在殼體的生長室，用以容置熔化矽。一拉晶機構提 供用以從溶化矽經過該等生長室與拉晶室而將一生長晶錠 向上拉。一電阻加熱器具有定出尺寸與形狀的一加熱元件 ’其係當生長晶錠在與溶化石夕有關的拉晶室中向上拉時， 用以配置在相關於將熱半徑至該晶錠的生長晶錠外表面之 半徑距離的殼體上層拉晶室之中的至少部份。該加熱元件 具有一上層端及一下層端。當加熱元件放置在殼體時，該 加熱元件的下層端係實質配置於較上層端接近於該熔化矽 〇 本發明的其他目的與特徵在隨後的說明中將部份顯明， 而邵份指出。 選式之簡單說明 圖1顯示自我間隙性[I]與空缺[V]的最初濃度如何與v/Go 比值增加變化的範例圖式，其中v是生長率，而G 0是平均車由 向溫度梯度。 圖2顯示聚集間隙性缺陷構成所需的能量變化△ G ι如何在 溫度T減少而於自我間隙性[I ]的最初濃度增加的範例圖式 〇 圖3顯示聚集間隙性缺陷構成所需的自由能量變化△ Gi如 -10 -

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个紙張尺度適jfi中關轉準(CNS) A^jf21〇X297公爱y

我pt 田/皿ί T減少）’其結果經由輻射狀擴散裝置而使自 私隙[1] /辰度文到抑制的範例圖式。實線描述在沒有輻 射狀擴散的情況，而虛線係包括擴散的效果。 1 丁水木間隙性缺陷構成所需的自由能量變化△ G丨如 :几王地減少（當作溫度T減少），其結果經由輕射狀擴散裝 、、而，自我間隙性[1 ]濃度受到抑制，以致可避免-聚集反 二勺範例圖式。貝線描述在沒有輻射狀擴散的情況，而虛 、、泉包括擴散的效果。 圖5 _ =备G〇值的增加而使v/g〇比值減少時，自我間隙 的最wit度與空缺如何沿著晶鉸或晶圓的半徑改變的 範例圖式’王思’在V/I邊界上發生從空缺為主材料至自我 間隙性為主材料的一轉變。 圖6疋單曰曰石夕晶叙或晶圓的上視圖，其係分別顯示空缺v 與自我間隙性I為主材料的區域，及存在於其間的ν/ι邊界 〇 圖h顯示由於自我間隙性輕射狀擴散，空缺或自我間隙 性的最初濃度如何以輻射狀位置函數變化的範例圖式。同 時顯示此擴散是如何使V/I邊界的位置移近晶錠（由於空缺 與自我間隙性的復合結果)的中心，及所要抑制的自我間隙 性[I ]的濃度。 圖7 b疋當作輻射狀位置函數的△ G I圖式，其係顯示自我 間隙性濃度[I ](如圖7 a所述）的抑制如何維持△ 〇〖，其在任 何地方皆小於發生矽自我間隙性反應的臨界值。 圖7c顯示由於自我間隙性輻射狀擴散，空缺或自我間隙 0:\59\59()69-92Ur)27.D0C\4\LAN 11 五、發明説明 A7 B7 性的最初濃度是如何以輻射妝 4* 0 - 乂置㈡數改變的另一範例圖 式。汪意，與圖7a相比較匕 』口 ^ 此擴政引起V/I邊界位置接近晶 屬自我間隙性復合的結果)的中心 4界區域外的間隙性濃度增加。 圖是當作輕射狀位置函數功能的 我間隙性濃度[I](如圖7(：所 Ώ ^ 廣不自 t L . 々述）的抑制不足以維持Δθί， 在任何地万皆小於發生矽自我 哉間隙性反應的臨界值。 圖7 e頭不由於自我間隙 性的最初濃度如何以輕射二=狀擴散’空缺或自我間 。、^ t -田射狀位置函數變化的另一範例® 。汪意，與圖7a相比較’掸 性濃度抑制。 曰口勺擴政造成較大的自我間 圖7f是當作輻射狀位置函數 隙性濃度[I](如圖7e所述） =式’/、係顯不自我間 抑制私度，适疋與圖7b相比較的結果。 又大 自我間隙性輻射狀擴散，空缺或自我間 。注Γ韓射狀位置函數變化的另-範例圖 性濃ί抑制較，增加的擴散造成較大的自我間 圖7 h是當作輕射#上 間陈性濃度π](如圖/所的圖式，其係顯示 一圖g所述）的較大抑制如何造成AGi 尸制^度，廷是與圖以相比較的結果。 圖7 i顯示由於自站 降的曰、·曲、我間隙性無射狀擴散，空缺或自我 性的何以輕射狀位置函數變化的另一範例 此範例中，自我間隙性的一足夠數量會與 其 隙 式 隙 隙 式 隙 我 的輕

0:\59\59〇69-92()627. D0C\4\L AN -12 ><297公釐） 575697 A7 B7 五、發明説明 再結合，以致於不再有空缺為主的區域。 圖7 j ‘作輕射狀位置函數 性（如圖7i所述）的㈣狀妒I 示自我間隙 ㈣任Μ、Μ 何足以維持在沿著晶體半 仪的任何地万的聚集間隙性缺陷抑制。 A:疋一早晶矽晶錠的縱向截面圖式，其詳細顯示晶錠固 疋直徑邵分軸向對稱區域。 Μ ^是-單晶秒晶錠的固定直徑片段部份的縱向截面圖式 ，、砰細軸向對稱區域寬度的軸向變化。 曰回疋^有」万“茨晶錠半徑寬度之軸向對稱區域的一單 曰曰石夕晶錠的固定直徑片段部份之縱向截面圖式，其詳細顧 :此區域係進一步包含空缺為主之材料的一大致圓柱形區 域。 圖是在圖10中所不的軸向對稱區域之縱向截面圖。 圖12是具有等於該晶錠半徑寬度之軸向對稱區域的一單 晶矽晶錠的固定直徑片段部份之縱向截面圖式，其詳細顯 不此區域貫質沒有聚集本質點缺陷的自我間隙性為主之材 料的一大致圓柱形區域。 圖1 3是由在一連串氧沉積物熱處理後晶錠軸向切削的少 數載體壽命掃描所產生的一影像，其詳細顯示空缺為主之 材，的一大致圓柱形區;或、-大致自我間隙性為主之材料 的¥狀軸向對稱區域、在其之間所出現的ν/ι邊界、及聚集 間隙性缺陷的一區域。 圖1 4是當作晶體長度的一函數之拉晶率（亦即晶粒升起） 圖式，其顯示該拉晶率是如何在晶體長度部分上呈線性減 13

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN 尽紙張尺度適财目® ¥¥¥(CNs7a4^(2Τ〇Τ297^· 釐） 少。 圖1 5疋在如氣例i所述在_連♦氧沉積物熱處理後的晶鍵 軸向切削之少數載體壽命掃描所產生的影像。 。。圖16是拉晶率的圖式，當作分別標示丨_4的四個其中每一 早晶矽錠的晶體長度的函數，其可用來產生標示"⑺的 一曲線。 圖1 7疋在熔化/固態界面G()上的平均軸向溫度梯度圖式， 如同圖2所述之兩不同情況的輻射位置函數。 圖18是空缺[V]或自我間隙性的最初濃度圖式，如同圖2 所述之兩不同情況的輻射位置函數。 圖19是當作軸向位置函數的溫度圖式，如同範例3所述之 兩不同情況的晶錠軸向溫度輪廓。 圖2 0疋自我間隙性的濃度圖式，其是從圖丨9中所述的兩 *冷卻情況所造成，而且在範例3會更詳細描述。 、圖21是在一連串氧沉積物熱處理後一整個晶錠軸向切削 《少數載體壽命的掃描所產生的影像，如同範例4所述。 圖2 2描逑當作孩單晶矽錠函數的ν/ι邊界位置圖式，如同 範例5所述。 圖23a疋在一連串氧沉積物熱處理後，由一晶錠片段軸向 切削足少數載體壽命的掃描所產生的影像，其範圍是從大 約100公釐到距離肩部大約25〇公釐處，如同範例6所述。 圖23b疋在連串氧沉積物熱處理後，由一晶錠片段軸向 切削《少數載體壽命的掃描所產生的影像，其範圍是從大 約250公釐到距離晶錠肩部大約4〇〇公釐，如同範例6所述。 O:\59\59069-920627.DOC\4\IAN . Λ -14 - 本紙&度適用中 575697 A7 B7 五、發明説明（11 j 圖2 4描述在4個不同熱域結構的一晶錠的軸向溫度輪廓。 圖2 5是在/晶錠的各種不同軸向位置上的軸向溫度梯度 G〇圖式，如同範例7所述。 圖2 6是在一晶錠的各種不同的平均軸向溫度梯度G 〇輕射 狀變化之圖式’如同範例7所述。 圖2 7描述在軸向對稱區域的寬度與冷卻率之間的關係圖 ，如同範例7所述。 圖2 8是在銅飾與一描續缺陷餘刻後，範圍從大約2 3 5公| 到距離晶鍵肩部大約3 5 0公董的一晶錠片段轴向切削圖式， 如同範例7所述。 圖2 9是在銅飾與一描繪缺陷蝕刻後，範圍從大約305公釐 到距離晶錠肩部大約460公釐的一晶錠片段軸向切削圖式， 如同範例7所述。 圖3 0是在銅飾與一描繪缺陷蝕刻後，範圍從大約140公釐 到距離晶錠肩部大約275公釐的一晶錠片段軸向切削圖式， 如同範例7所述。 圖3 1是在銅飾與一描繪缺陷蝕刻後，範圍從大約600公釐 到距離晶錠肩部大約730公釐的一晶錠片段軸向切削圖式， 如同範例7所述。 圖3 2是本發明的拉晶裝置的片段垂直部分圖式，其顯示 當在一單晶矽錠的生長期間，電阻加熱器定位的一第一具 體實施例之電阻加熱器； 圖3 3是圖1的電阻加熱器立體圖；

圖3 4是在圖1的拉晶裝置中使用的一電阻加熱器之一第二 〇;\59\59069-920627.D〇C\4\LAN -15 575697 A7 B7 五、發明説明（12 具體實施例的立體圖； 圖3 5是在圖1的拉晶裝置中使用的一電阻加熱器之一第三 具體實施例的立體圖； 圖3 6是沒有圖1的電阻加熱器之一拉晶裝置的垂直部分圖 式，其顯示在使用一有限元件分析而在拉晶裝置中生長的 *晶旋溫度寺溫線， 圖3 7係包括圖1的電阻加熱器之本發明拉晶裝置垂直部分

圖式’其顯示在使用一有的元件分析的拉晶裝置中生長的 一晶錠溫度等溫線； 裝 圖3 8是類似圖3 7所示拉晶裝置垂直部分圖式，但是包括 具有較圖3 7的加熱為為長的長度，其顯示在使用一有限元 件分析的拉晶裝置中生長的一晶錠溫度等溫線；及 圖3 9是來自圖3 6、3 7與3 8的晶錠等溫線資料圖式，其是 將琢晶錠的軸向溫度與自該熔化源物料的晶錠距離相比較 訂 相對應的參考文字係表示圖式中的相對應零件。

實施方式 基於現階段的實驗證據，其顯示當該晶鍵從凝結（亦即， 大約1410°C)的溫度冷卻到大於13〇〇t:(亦即，至少大約UK ^、至少大約⑽t、或甚至至少大約m5t)的大溫時， 本質點缺陷的類型與最初濃度便會先決定。即是 陷的類型貞最初濃度是受到比率v/G〇的控制，1中乂是:長 速度，而G0是在此溫度範圍上的平均軸向溫度梯产。 0 " «減少自我間隙性

口月即參考圖1，對於增加v / G值士

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN -16 - —........... ' I , 本紙張尺度適用中國國家檩準 ><297公釐） 575697 A7 _-----— 57 五、發明説明（~~~ _ —~— 為主之生長到立曰加空缺為王之生長的一轉換會在接近 料值處發生，其係基於目前可用的資訊，是以大約2 IX 10 cm /sK出現’其中Gq是在軸向溫度梯度於上述定義溫 度範圍中是常數。在此臨界值上，這些本質點缺陷的濃度 呈平衡。 當v/G〇值超過臨界值時，該空缺濃度便會增加。同樣地 ，當v/Gg值下滑低於臨界值時，自我間隙性的濃度便會增 加。如果這些濃度在系統中到達臨界過飽和位準，而如果 該等點缺陷的遷移率足夠高，一反應或一聚集事件便可能 發生。在矽中的聚集本質點缺陷會嚴重地影響到複雜與高 度積體電路製造的材料生產潛在性。 經發現矽自我間隙性原子的反應會起作用，產生能受抑 制的聚集間隙性缺陷。在不限於特殊理論下，相信自我間 隙性的濃度會在晶錠的生長與冷卻期間受到控制，以致於 系統自由能量變化從未超過聚集反應自然發生的一臨界值 ，以產生聚集間隙性缺陷。 大fc上，在系統自由能量變化可用於驅動反應，其中聚 集間隙性缺陷可從在單晶矽中的矽自我間隙性受到方程式 (I)的決定而形成： △ G 丨二 k T 1 η (出 3 q) 其中 △ 是自由能量變化， k 是 Boltzmann常數， 17 -

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發明説明（ 18 - .......... 麵1·1·· I__ I : , 1,11·.: II 丨1__ T是以K為單位的溫度， Π]是在單晶矽的空間點與 H]eq是在[I]發决血六、、w、 、目我間隙性濃度，及 我間隙性之平衡濃度、。/皿度T的空間與時間相同點上的自 度==二於自我間隙性的-特定濃度而言，溫 ⑴:通吊會造成增加’由於隨著溫度而明顯降低 能述一晶錠的Δ(}ί的變化與碎自我間隙性濃度是從固 :…Ρ，而無需同時採用抑制石夕自我間隙性濃度的一些 ^置。U錠冷卻時，叫會根據方程式⑴而增加，由於 曰加Π]過飽和’而聚集間隙性缺陷形成的能量阻障會接近 、。當持續冷卻時，&能量阻障最後會在反應發生的點上超 過。此反應造成聚集間隙性缺陷的形成，而且當過飽和系 統解除’亦即當[I]的濃度減少時，AGi會減少。 當晶錠藉由在小於發生聚集反應值之矽自我間隙性系統 的自由能量而從固態溫度冷卻時，自我間隙性聚集即可避 免。換句話說，該系統能受到控制，如此從未變成嚴重性 過飽和。這可藉由建立相當低的自我間隙性（如在此所定義 受到v / G 〇 (r)的控制）的最初濃度達成，以致於臨界過飽和 從未達成。然而，在實施上，如此的濃度不易於橫跨整個 晶體半徑達成，大體上，因此，臨界過飽和可藉由抑制將 最初矽自我間隙性濃度至晶體固態，亦即隨後建lv/G()(r) 所決定的最初濃度而避免。 圖3和4係描述當圖2的晶錠從固態溫度冷卻時，只要AGi

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575697 A7 B7 五 發明説明 15 增加而[I ]受到抑制的二種可能效果圖式。 制备芒成Λ Γ 圖3 ’ [ I ]的抑 制A成叫增加率減少’但在此情況’該抑制不 △G.i，其值小於反應發生時的臨界值；結果，該抑 卢 反應發生時減少溫度。在圖4 ’⑴的增加抑制足以維二 ’其值小於反應發生時的臨界值；因此，該抑制便可1

缺陷的形成。 W 令人驚訝地，已發現到由於大致上約每秒1 〇卬2、、 間隙性之相對較大遷移率’其可能影響到在相二 上的抑制，亦即大約5公分到大約1〇公分或更多的距離 由自我間隙性輕射擴散至位在晶體表面或位在晶體中的^ 缺為主區域的沉接。輻射狀擴散能有效地用來抑^自二 隙性的濃度，假設該擴散時間係決定在自我間隙性的最： 濃度之輻射狀變化。大體上，該擴散時間會決定在具有兩 要短擴散時間的較少輻射狀變化之自我間隙性的最初濃产 之輻射狀變化。 彳、 典型上，該平均轴向溫度梯度Gq會增加，當作增加單晶 矽半徑的函數，該單晶矽會根據Cz〇chrals]d方法而生長。這 表7F V/G〇值典型上不是特別跨過晶錠半徑。此變化的、纟士果 是，本質點缺陷的類型與最初濃度不變。如果在圖$和二中 所示，當作V/I邊界2的v/Gg臨界值是沿著晶錠半徑4到達 相同點，該材料便會從空缺為主轉變成間隙性為主。此外 ，該晶錠包含自我間隙性為主材料6 (其中矽自我間隙性原 子的最初濃度會增加，當作增加半徑之函數）之一軸向對稱 區域，其環繞在空缺為主材料8(其中空缺的最初濃度會減 19 -

O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN i —L"…丨丨丨- ____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規袼(210X297公羡^ 575697 A7 B7 五、發明説明（16 )

I J 少’當作漸增加半徑之函數）的一大致圓柱形區域。 I 图7 a和7 b描述當'^晶叙從固悲溫度冷卻時，一旦增加 j AGl而抑制[Π的效果圖式。當該晶錠根據Czochralski方法 •拉晶時，該晶錠包含從該晶錠邊緣擴展至沿著發生V/I邊界 的輕射狀位置之間隙性為主材料的一軸向對稱區域、及從 該晶錠的中心擴展至沿著發生V/I邊界的輻射狀位置之空缺 | 為主材料的一大致圓柱形區域。當晶錠從凝結溫度冷卻， 間隙性原子之輻射狀擴散會造成在V/I邊界的半徑内向偏移 I ’由於自我間隙性與空缺的復合及在V/I邊界外的自我間隙 /陡濃度的一明顯抑制。此外，當該晶體冷卻時，自我間隙 1生半徑便會擴散至該晶體表面。當該晶體冷卻時，該晶體 表面能夠維持接近均衡點缺陷濃度。結果，π]的抑制在任 | 何地万足以將AG!維持在低於矽自我間隙性起反應的臨界值 ° 請即參考圖8和9，在用以抑制缺陷聚集的一較佳製程中 ’ 一單晶咬晶鉸1 〇係根據Cz〇chralski方法生長。該矽晶錠 包含一中央軸12、一晶粒圓錐體14、一尾部圓錐體16、及 在日日粒錐目豆與尾部圓錐體之間的一固定直徑部分1 8。該 固定直徑部分具有一周圍邊緣2〇、及從中央軸擴展到周圍 邊緣的一半徑4。該製程包含控制生長條件、包括生長速度 V、平均軸向溫度梯度G〇、及冷卻率，以造成一軸向對稱區 ! 域6的开y成，只要該晶錠從凝結溫度冷卻，其實質上沒有聚 集本質點缺陷。 ’ 在製程的一具體實施例，該生長條件會受到控制，以便

〇；\59\59()69-92()627.DOC\4\LAN I - -cvj 575697 五、發明説明 17 A7 B7 姑：闕f、晶錠1 〇的固定直徑部分1 8面積的最大軸向對稱區 :面知位置上維持V/I邊界2。大體上，因此，在此具體實 ^ ’理想上姉向對稱區域具有—寬度22 (如同從周圍 2㈣向晶鍵中央軸的測量）及一長度叫如同沿著晶鍵 I央軸的測量），其係分料於Μ固定直㈣分的半徑* 5度;6。然而，實際上，操作情況與拉晶裝置硬體限制 小曰不琢軸向對稱區域是否佔據晶錠固定直徑部分的一較 :匕例目此’大體上’在此具體實施例中的軸向對稱區 2 〇〜、上具有.至少大約3 0 %的寬度，更理想是至少大約 。然而更理想是至少大約60%，而更理想是在該晶錠 々㈣分的半徑至少大約8G%。此外，該軸向對稱區 知、疋在至少大約20%長度上擴展，理想是至少大約仰。A， 更理想是至少大約60%，而仍更較理是該晶錠固定直徑部 分長度的至少大約8 0 %。 叫即參考圖9 ’孩軸向對稱區域6的寬度22在沿著中央軸 的長度具有某些變化。因此，對於一特定長度的一抽向 對％區域而言’寬度是藉著測量從晶錠1()的關邊緣2〇朝 向離中央軸最遠-點的距離來決定。換句話說，宽度22备 被測量，以致於在軸向對稱區域6的特定長度24中的最小在曰巨 離半可決定。 請即參考圖’當晶錠10的固定直徑部分以的轴向 對％區域6具有小於固定直徑部分的半徑4之寬度22，該區_ 域概呈環狀。在大約中央轴12位置中的空缺為主材料8的— 大致圓柱形區域是位在大致環形片段的半徑朝内方向。請

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發明説明 兮固考：12 ’可了解到當該軸向對稱區域6的宽产22等、人 舔固疋直徑部分18的半徑4時，嗲 寬度22寺万； 域；理想上，該軸向對稱區域不包含此空缺為主區 眚皙上、、力右取隹太所，，^ 身概呈圓柱形，而且包本 一 /、，又有水术本貝點缺陷的自我間隙性為主 口 雖然通常理想上是該晶體生 / ，。 區域的最大寬度，但是對於隙性為主 限制。當vn邊界移到接近中央f G。⑴不改變，其中0。⑴是Gq的稿射變二:= 散的最小量會增加。在這此環产中'：化所而的輪射擴 + — 二衣境中’需能藉由輻射狀撫粵 :抑制聚集間隙性缺陷形成的空缺為主區域之一最小半;曼 圖描述超過空缺為主區域之最小半徑的範例圖式 。在此範例’該冷卻情況與G〇(〇是與圖7a與7b的晶體所 採用的相同，其中有足约的外擴散可避免所示ν/ι邊界部分 的聚集間隙性缺陷。在圖7。和7€1，V/I邊界的位置會移動 到更接近於中央軸（參考圖7&和讪），在V/I邊界外部區域 的間隙性濃度增加。結果’ t多輻射擴散需要足以抑制間 隙性的濃度。如果足夠的外擴散不能達成，系統Δ(}ι將會增 加超過臨界值，而產生聚集間隙性缺陷的反應會發生，在 V/I邊界與晶體邊緣之間的環形區域產生這些缺陷之一區域 。在此發生上的V/I邊界半徑是特定熱域的最小半徑。如果 允許間隙性的更多輻射狀擴散，此最小半徑便可減少。 圖7e、7f、7g、和7h描述在間隙性濃度輪廓上的一增加 射狀外擴散與一生長晶體具有與圖7 a、7 b、7 c和7 d範例

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN -22 _ 丨...Γ»Ι 1 | | ....................... 本紙痕尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐了

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% 575697 A7 B7

中的晶體相同的最初空缺與間隙性濃度構型的系統AGl提升 效果。增加的間隙性之輻射狀擴散會造成間隙性濃度的較 大抑制，如此便抑制系統A G〗提升至大於在圖7 a、7 b、7 c 、和7d的程度。在此情況，該系統Δ(3ι不會超過V/I邊界的 較小半徑。 I 圖71和描述容許足夠輻射狀擴散的範例，以致於最小 半徑可藉由確保足夠的輻射狀擴散而減少到零，以達成在 ! 沿著晶體半徑的任何地方抑制聚集間隙性缺陷。 在本製程的一具體實施例中，矽自我間隙性原子的最初 濃度是在晶錠的軸向對稱自我間隙性為主區域受到控制。 I 請即重新參考圖1，大體上，矽自我間隙性原子的最初濃度 | 是藉由控制晶體生長速度v與平均軸向溫度梯度G()而受到控 I 制，以致於比率v/G〇的值是相當接近於發生V/;[邊界的此 | 比率之臨界值。此外，該平均軸向溫度梯度G〇可建立，以 I 致於做為晶錠半徑函數之Go變化亦受到控制，亦即GG(r)， (亦即 v/G〇(r))。 孩生長速度v及該平均軸向溫度梯度G g (如先前的定義）典 型上是會受到控制，以致於比率v/Gg範圍值是在從大約〇5 到大約2.5倍v/Go(亦即，大約1Χ10·5 cm2/sK到大約5χ j 1(Γ5 Cm2/SK，其基於v/Gg臨界值的目前可用資訊）的臨界 值。理想上，比率v/Gg範圍值是從大約〇6到大約15倍 V/G0(亦即，大約 13 X 1〇-5 cm2/sK 到大約 3 χ 1〇_5 cm2/sK，其係基於…〜臨界值的目前可用資訊）的臨界值 。更理想的是該比率v/Gg範圍值是從大約〇 . 7 5到大約ι倍 23 -

O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN 本紙張X297 涵 575697 五 發明説明 20 A7 B7 v/Gg(亦即，大約 1.6 X ι〇·5 2/ cm2, cm /SK 到大約 2.1 X 1 〇·5 K ’其係基於v / g龄叉彳古 。這些比率是藉由生县二的目前可用資訊)的臨界值 ^ ^ . ,, k又V與孩平均軸向溫度達成梯度Go 的獨JL控制而達成。 ϋ 裝¥ % μ平均軸向溫度梯度G()的控制最初可經由拉晶 射複\…成，P形成加熱器、隔離、熱與放 射、、泉屏卩早等的石墨（或立侦姑 曰 ；他材科）。雖然設計項目決定在拉 曰曰叙置的製造與模型，粹是 r -T 士 M ^ 1一疋大肢上，G 〇可使用此技藝中用 、谷化’固悲界面上控制熱遷移的已知任何裝置來控制， …映、放射線屏障、潔靜管、光管、及加熱器。大體 上，G0輪射變化係藉由定位在溶化/固態界面上方的大約一 晶體直徑中的此—裝置而減到最少。Gg可藉由調整與溶化 及晶體有關的裝置位置而進一步受到控制。這可藉由調整 在…域中的农置位置、或藉由調整在熱域中的熔化表面位 置達成。此外，當採用一加熱器之時，^便可藉由調整供 應給該加熱器的電力而進一步受到控制。任何或所有這些 方法可在整個Czochralski製程期間使用，其中熔化量會在製 程期間消耗。 θ 大體上較佳為本製程的某些具體實施例是平均軸向溫度 梯度Gg是相對不變，當作該晶錠直徑的一函數。然而，要 注意的是當熱域設計的改良允許G G變化減到最少時，結合 維持一固定生長的機械問題逐漸變成重要因素。這是因為 該生長製程對於任何的拉晶率變化更敏感，所以其直接影 響到生長率v。從製程控制的觀點，這表示在晶錠半徑上具 -24 -

O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS) A4規袼(210>< 297公釐） 575697 A7 B7 五、發明説明 21 有不同G 〇的值是有利的。然而，明顯的g 〇值差會造成通常 朝晶圓邊緣增加的一較大自我間隙性濃度，藉此增加避免 構成聚集本質點缺陷的困難度。 4監於先前的描述，G 〇的控制包括減少G 〇輻射狀變化與維 持有利製程控制條件之間的平衡。典型上，因此，在大約 晶體長度的一直徑後，該拉晶率的範圍是從大約每分鐘〇2 公釐到每分鐘〇 . 8公釐。理想上，該拉晶率範圍是從大約每 分鐘0,25公釐到每分鐘〇.6公董和，更明確而言，從大約每 分鐘0 · 3公釐到大約每分鐘〇 · 5公釐。注意該拉晶率是決定 在晶體直徑與拉晶裝置設計。所描述的範圍典型上是2〇〇公 釐直徑晶體。大體上，當晶體直徑增加時，該拉晶率會減 少。然而，該拉晶裝置可設計成能夠允許超過在此所描述 的。結果，理想上，該拉晶裝置可設計成允許該拉晶率儘 可此地快’而根據本製程仍允許一軸向對稱區域的構成。 在第一與車父佳具體實施例中，當該晶錠從固態溫度（大 約1410°C)冷卻到矽自我間隙性變成不動的溫度時，自我間 隙性擴散量可藉由控制冷卻率而受到控制，用於商業實際 的目的。矽自我間隙性在接近大約141〇t的矽固態溫度時 便g遷私。然而，當該單晶矽晶錠的溫度減少時，此遷移 率會減少。通常，自我間隙性的擴散率會減慢至一可觀程 度，在溫度低於700。(：以上、亦或溫度大到類似8〇〇t、9〇〇 °c、1000°C、或甚至1050t溫度上，他們是商業上使用時 間期間的實質不動性。 在此要）王意，雖然在一自我間隙性聚集反應發生上的溫 O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN 〇 I Zz

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線

度適用 公釐I 575697 A7 B7 五、發明説明（22 ) 度是在大溫度範圍上做理論上的變化，實際上，此範固對 於傳統Czochralski生長的石夕相當窄小。這是最初自我間隙性 濃度的相對狹窄範圍的結果，這些自我間隙性濃度典型上 是根據Czochralski方法而在矽生長中獲得。大體上，因此， ^口果溫度是在大約11〇〇t到大約80(TC的範圍内，而典型上 是在大約1050°C的溫度，一自我間隙性聚集反應便會發生 。在自我間隙性出現遷移的溫度範圍内，而且決定在熱域 的溫度，該冷卻率典型上是從大約每分鐘〇 · 1 C到每分鐘3 °C的範圍。理想上，該冷卻率是從大約每分鐘〇 .丨艺/分鐘 每分鐘1.5°C的範圍，更理想是從大約每分鐘〇ιχ：到大約 每分鐘i°c，而仍更理想是從大約每分鐘01t/到大約每分 鐘〇.5°C。所描述的另一方法是，若要將該軸向對稱區域的 寬度縮減到最小’在⑴至少大約5小時期間超過大約刪 。(：通常是較理想’理想是至少大約1〇小時，而更理想在15〇 公楚額疋直徑石夕晶是至少大約15小時；⑴）至少大約5小時 ，理想上至少大約10小時，更理想是至少大约20小時，仍 然更理想是至少大約25小時，而理想在2 晶體是至少大約30丨H去.爲广.、/ , 座免、疋直仅/ 乂大、物小時，及㈣至少大約20小時，理想是 ^大約40小時，更理想是至少大約 於：公董:定直徑时晶是至少大約75小時二二圈 24 轴向溫度輪廓可改變為矜制曰於、人，、 / 熱域結構。^了改又从制曰θ键冷部率而設計的不同 冷卻率，^ :隙性出現遷移的溫度範圍内控制該晶錠的 自我間隙性可在特定的時間擴散到位在晶體表

O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN A4 規袼（210X297 公 -26 - 575697 A7 B7 五、發明説明（23 ) 一一~___^ 面的沉接’或擴散到遭破壞的空缺為主區域。此間隙性的 濃度因而會受到抑制，以避免發生聚集。藉由控制冷卻率 來利用間隙性的擴散來減少所需的V/G()要求限制，為了要 獲得沒有聚集缺陷的一軸向對稱區域。如描述的另一方法 ’結果該冷卻率可受到控制，為了允許間隙性有更多的時 間來擴散，與臨界值有關的大範圍v/Gg值適合於獲得沒有 聚集缺陷的一軸向對稱區域。 若要在晶體固定直徑部分的長度上達成該等冷卻率，只 要尾部圓錐體生長完成，同時要考慮到該晶錠的尾部圓錐 體之生長製程、及晶錠處理。典型上，只要完成晶錠固定 直徑邰分的生長，該拉晶率便會增加，以利於形成尾部圓 錐體所需之漸縮。然而，此拉晶率增加會造成在如上所討 論的間隙性具有足夠遷移性的溫度範圍内可迅速冷卻的固 定直徑部分下層片段。結果，這些間隙性沒有足夠的時間 來擴散欲破壞的沉接；即是，在下層片段的濃度不會抑制 到一足夠的程度，而間隙性缺陷的聚集會產生。 為了要避免在該晶錠的下層片段形成這類缺陷，因此根 據Czochralski方法，該晶錠的固定直徑部分具有一致性熱歷 史是理想的。一致性的熱歷史可藉著在不僅隨後會生長尾 部圓錐體的固定直徑部分的生長期間，而且在晶體尾部圓 錐體的生長期間使用一相對固定拉晶率從矽熔化拉引該晶 鉸達成。例如，該相對的固定率可藉由下列達成，（i)減少 在與掛锅有關的尾部圓錐體生長期間的坩鍋與晶體的旋轉 率及在該晶體固定直徑部分生長期間的晶體旋轉率、及/或

O:\59\59069-920627.DOCU\LAN 本紙張尺度適用中國國家檩準(CNS) 27 - (11)與在尾部圓錐體生長期間傳統所供應 錐體生長期間，增加供岸给用來 f ，、毛π圓 士制 …用木加-砂您化的加熱器之雷 力。I程變化的這些額外調整會個別或同時發生。 i該尾部圓錐體生長開始時，該尾部圓^體的—拉晶率 ^建互’以致於保持在超過大約1〇5(TC溫度的晶錠固定 從邯分的任何片段會經歷到與晶錠固定直徑部分的兑他 片段相同的熱歷史，該晶錠包含具有已冷卻到低於大約 1〇5〇 C溫度之沒有聚集本質點缺陷的一軸向對稱區域。 、噙先别所述该空缺為主區域的一最小半徑可存在於達 成永术間隙性缺陷的抑制。該最小半徑值係決定於v/G〇(r) 與冷卻率。當拉晶裝置與熱域設計改變時，上述v/G〇(r)的 I已圍、拉晶率、與冷卻率亦會改變。而且，這些條件會沿 著一生長晶體的長度而改變。同樣如上所述，沒有聚集間 隙性缺陷的間隙性為主區域之寬度理想上是最大值。因此 ’要將此區域的寬度維持在近可能接近的值，而不會超過 在晶體半徑與一特定拉晶裝置中沿著該生長晶體長度的空 缺為主區域最小半徑之間的差。 孩轴向對稱區域的理想寬度與一特定拉晶裝置熱域設計 之所需理想拉晶率輪廓可憑經驗決定。一般而言，此完全 憑經驗的方式包括首先在一特殊拉晶裝置的生長晶錠之軸 向溫度輪廓上獲得可用的資料，及在相同的拉晶裝置中所 生長一晶錠的平均軸向溫度梯度的輻射狀變化。整體上， 此資料可用來拉引一或多個單晶矽晶鉸，然後會分析是否 出現聚集間隙性缺陷。如此，一理想的拉晶率輪廓便可決 O:\59\5906lJ-920G27.D〇C\4\LAN -28 575697 A7 B7 五、發明説明（25 定。 圖1 3是由在曝露缺陷分配圖案的一連率氧沉積物熱處理 後，、一 200公釐直徑晶錠區段軸向切削之一少數載體壽命掃 描所產生的影像，其描述一接近最適宜拉晶率輪廓是採用 於一特定拉晶裝置熱域設計的一範例。在此範例中，一轉 換是從v/G〇 (Γ)發生，其中該間隙性為主區域的最大寬度會 超過（造成聚集間隙性缺陷2 8的區域產生）到該軸向對稱區 域具有取大寬度的一最佳v/G〇(r)。 除了 v / G 〇輕射變化造成在晶鍵;半徑上G 〇增加之外，v / 〇 Q 亦會改變軸，結果v會發生變化、或由於Czochralski製程而 使G 〇自然變化。對於一標準的Czochralski製程而言，當該 拉晶率在整個生長週期期間調整時，v會改變，以利於一固 走的直徑上維持該晶錠。在拉晶率的這些調整或變化接著 會造成v/G〇在該晶錠的固定直徑部分長度改變。根據較佳 的製程’該拉晶率因此受到控制，以使該晶錠的軸向對稱 區域之寬度成為最大。結果，然而，該晶錠的輻射變化會 發生。為了要確保所產生的晶錠具有一固定的直徑，該晶 錠因此在理想上會生長到大於所要的一直徑。該晶錠然後 會受制於在此技藝中的製程標準，以便從表面移除過剩的 材料，如此便可確保獲得具有一固定直徑部分的晶錠。 對於根據上述製程與具有一 V/I邊界而準備的一晶錠， 即包含2缺為王材料的一晶錠而言，經驗已顯示低的氧 份材料，亦即，低於大約13 PPMA(每百萬原子的要 ASTM標準 F-1 2 1 H ” 去二乂土 ^ 1 83)疋較佳。更明確而言，該單晶矽係

I O:\59\59069-y20627.DOC\4\LAN i - 29 - 575697 A7 —--—~ ___ B7 五、發明説明（2^7^ ^~ 二低A大約1 2 PPMA氧，然而更明確是低於大約丨丨ppMA =三而最理想是低於大約丨〇卯乂八氧。這是因為在中等至 =氧成份晶圓，亦即14 PPMA到18 ppMA，氧感應堆疊缺 =的开/成與在ν/Ι邊界内所提高的氧帶會變成更顯著。其中 每—個是一特定積體電路製程的問題潛在來源。然而，要 >王意當該轴向對稱區域具有大約等於該晶鍵半徑的一寬度 時，該氧成份限制便可移除；這是因為沒有空缺型材料出 現，此缺陷與核團便不會發生。 、提高氧核團的效果可進一步由許多少見或組合是用的方 法減V。例如，氧沈積物晶核作用中心典型會在大約35〇°C 到大約75(TC範圍溫度上受到回火的石夕上形成。因此，對某 些的應用而言，較佳的是一”短”晶體的晶體，即是，已在 Cz〇chralski製程生長的一晶體，直到晶錠迅速冷卻之後晶粒 末咖k矽（大約1410 C )的熔點冷卻到大約75(Γ(：為止。如此 ’在用以晶核作用中心構成的溫度範圍臨界所使用的時間 會保持在-最小值，而該氧沈積物晶核作用中心沒有充分 的時間在拉晶裝置中形成。 理想上’然而’在單晶生長期間所形成的氧沈積物晶核 作用中心是藉由回火該單晶石夕而溶解。假設他們並未受到 -穩定的熱處理，氧沈積物晶核作用中心可藉著將石夕快速 加熱到至少大約8751的溫度將珍回火，而理想上會持績將 I度增加到至少1()酿、至少UOOt、或更高。在石夕達到 1000°C的時間之前，此缺陷的實質全部（例如，〉99%)已回 火。重要的是該晶圓很快加熱到這些溫度，亦即，1度增 O:\59\5W69-y20627.DOC\4\LAN - 30 - 本紙張尺度適用中Α4Λϋ$ϊ〇Χ 297公釐) 575697 A7 B7 五、發明説明（27 加率至少每分鐘是大約1 〇它，更明確而言，至少每分鐘大 約50°C。或者，某些或所有氧沈積物晶核作用中心必須受 到熱處理％走。平衡會出現在相對較短的時間，亦即，大 約60秒或更少。因此，在單晶矽中的氧沈積物晶核作用中 心可藉著將它在至少大約875t溫度上退火而溶解，理想上 疋至少大約950 C，且更理想是在至少大約丨1〇(rc，持續至 少大約5秒鐘，而理想是至少大約丨〇分鐘。 泫熔解可在傳統熱爐或以迅速熱退火（RTA)系統實現。矽 的迅速熱退火能以許多任何商用迅速的熱退火（，，RTA，，）爐實 現，其中日日圓疋由南電力燈排列而個別加熱。RTA熱爐能 夠快速將矽晶圓加熱，例如，他們能夠在幾秒鐘内從室溫 到1200°C將一晶圓加熱。一如此商用RTA熱爐是取自Ag ASS〇Ciates(M〇untain View，CA)的機型 61〇 熱爐。此外，該 熔解可在矽晶錠或矽晶圓上實行，而理想是晶圓。 注意，根據上述製程所準備的晶圓係適合於當作底材使 用/、中外延層會被〉儿積。外延沈積可藉由在技藝中的 一般裝置來執行。 此外，同樣要注意的是該等晶圓係適合連同氫或氬回火處 理使用’例如在歐洲專利案號5〇3,816八丨中所描述的處理。 聚集缺陷的偵測 聚集缺陷可由許多不同的技術發現。例如，流動圖案缺 陷、或D缺陷在典型上是藉由理想是在一 Secc〇蝕刻處理將 i 早晶碎取樣蚀刻大約3〇分鐘而發現，然後做顯微鏡檢查。（ i 乡考；者如 ’ H· Yamagishi et al.、Semicond. Sci. Technol. 7，

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31 575697 A7 --------一 B7 五、發明説明一 ^~~ ~〜~— Α135(1992))。雖然聚集空缺缺陷偵測的標準，但是此製程 亦可用來發現聚集間隙性缺陷。當使用此技術用時，此缺 fe會出現在取樣表面上的較大坑洞。 水集缺卩曰亦可使用雷射擴散技術發現，例如雷射擴散斷 層攝影術，其典型上具有其他蝕刻技術的一低缺陷密度偵 測限制。 山又，、 此外，聚集本質點缺陷可藉由一旦加熱而能夠擴散至單 晶矽矩陣的一金屬裝飾這些缺陷而以視覺發現。明確地， 諸如晶圓、芯塊或平板的單晶矽取樣可視覺檢查是否出現 此缺陷’其可藉由首先塗層具有包含能夠裝飾諸如銅硝酸 鹽濃度溶劑的這些缺陷之金屬複合的取樣表面來檢查。該 。空層取樣然後會在大約5分鐘至大約丨5分鐘加熱在大約9⑽ C與大約1〇〇〇 C之間的溫度。該熱處理取樣然後會冷卻到 室溫，如此便造成金屬變成過飽和，而沈積在出現缺陷的 取樣矩陣中的位置上。 冷卻後，該取樣先受到一非缺陷描繪蝕刻，為了要除去 表面的殘；查與沉積物，藉由使用一亮姓刻方法將取樣處理 大=8到大約12分鐘。-典型的亮姓刻方法包含大約55%的 硝酸（70%溶液重量）、大約2〇%氫氟酸（49%溶液重量）、 及大約2 5 %氫氯酸（濃縮液）。 該取樣隨後以無離子水清洗，並藉著將該取樣浸入或將 它=一Secc〇或Wright蝕刻法處理大約35至大約55分鐘來執 行第二蝕刻步驟。典型上’該取樣可使用包含大約Ο ” Μ 重鉻酸鉀鹽與氫氟酸（49%溶液重量）的1 : 2比率之一&^〇 O:\59\59()69-920627.D〇C\4\LAN !，™ y I, I .......... 一....... 32 冬紙張尺度適用中國國冢標準(CNS) A4規袼"^210 ^297^¾ 575697 A7 B7 29 五、發明説明 蝕刻法來蝕刻。此蝕刻步驟是要顯示或描繪出現的聚集缺 陷。 級 .如本文所使用，下列慣用語或術語具有特定的意義：”聚 集本質點缺陷”意謂缺暇由下列造成⑴空缺會聚集而產生 D缺陷 ' 流程圖案㈣、閘氧化物完整性缺陷 '結晶方向粒 子缺陷、.結晶方向光點缺陷、及其他此空缺相關缺陷的反 應，或（"）自我間隙性聚集而產生擾亂迴路與網路、及其他 此自我@隙性相關缺陷的反應；"聚集間隙性缺陷”將意謂 著聚集本質㈣陷是切自我間㈣料聚集的反應所引 起；”聚集空缺缺陷”將意謂著聚集空缺點缺陷是由晶格空 缺聚集的反應所引起；"半徑”意謂著從—巾絲到一晶圓 或晶錠的周圍邊緣所測量的距離；”實質上沒有聚集本質點 ㈣表不低料些缺陷的偵測界限之聚集缺陷濃度，其目 則=每立方公分103個缺陷；"V/I邊界"表示從空缺為 王到自我間隙性為主的材料蠻 玎行又化而沿耆一晶錠或晶圓半徑 :”空缺為主，，與”自我間隙性為主”表示該等本質 點缺“別為主要空缺或自我間隙性的材料。 =範例係描述上述用以製備一單晶石夕晶鍵的製程，當 根據CZ0chralski方法而該晶 陷的聚集可在晶㈣固定直"rn 質點缺 ΠΗ、曰π Μ疋直分的-軸向對稱區域中避 免 /、間足晶圓即可切成薄片。 下列範例可用來達成所需姓 U的一組情況，替代方法的

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575697 A7 B7 五 、發明説明（30

存在係用以決定一特定拉晶裝置的最佳拉晶率構型。例如 ’一單晶能以沿著晶體長度的增加及減少的拉晶率生長， 而不是以各種不同拉晶率生長一連串的晶鉸；在此方法中 ，聚集自我間隙性缺陷會出現，而且在一單晶生長期間會 消失多次。最佳的拉晶率然後能決定許多不同的晶體位置 。因此，下列範例的說明並不是限制性。 範例1— 具有一既有熱域設計的一拉晶裝置之最佳化程序 一第一 200公釐單晶矽晶錠是在晶體長度上從大約每分鐘 0.75公釐至大約〇·35公釐線性拉晶率條件下生長。圖丨4係顯 示當作晶體長度功能的拉晶率。考慮在拉晶裝置中一生長 200公釐晶錠的既有軸向溫度輪廓與平均軸向溫度梯度變 化的既有半徑，亦即，在熔化/固態界面的軸向溫度梯度， 這些拉晶率會被選取，以確定該晶錠會是從中心到該晶錠 一端邊緣的空缺為主材料與從從中心到該晶錠另一端邊緣 的間隙性為主材料。該生長晶錠係沿縱向切割與分析，以 決足聚集間隙性缺陷的構成是在何處開始。 圖1 5疋彳文暴露缺陷分配圖案的一連串氧沉殿熱處理後， 晶錠肩部大約635公釐至大約760公釐區段範圍上的晶錠軸 切之少數載體壽命掃描所產生的一影像。在大約68〇公釐的 曰田ί疋位置上，聚集間隙性缺陷2 8帶能看到。此位置係符合 ν*(680公釐卜每分鐘〇·33公釐的決定性拉晶率。在這一點 上，該軸向對稱區域6(缺乏聚集間隙性缺陷的間隙性為主 材料的一區域）的寬度是在其最大值；該空缺為主區域8的 -34 -

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O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN 本紙張 (度適用巾國國家標準(CNS) X 297公釐） 575697 A7 B7 五、發明説明（31 寬度Rv*(680)大約35公| R!*(680)大約65公釐。 而軸向對稱區域的寬度 一連率4個單晶矽晶錠然後會以穩定狀態拉晶率生長，並 是隸大於與略微小㈣第—謂公釐晶錠的軸向__ 之最大寬度的拉晶率。圖16顯示分別以標示的該等4個 每-晶體的晶體長度函數的拉晶率。這4個晶體然後分 以決定聚集間隙性缺陷首先出現或消失的軸位置(而且 於拉晶率）。這4個憑經驗決定的點（標記”，，）是在圖丄6顯示 。在這些點之間與來自這些點推測的插入會產生一曲線， 在圖16中顯示為V*(Z)。對於第一近似值而言，此曲線表 示200公釐晶錠的拉晶率，當作在該軸向對稱區域是在其i 大寬度的拉晶裝置中的長度函數。 在這些晶錠的其他拉晶率與進一步分析上的額外晶體生 長會進一步定義為v*(z)的憑經驗定義 江 範例2 G 〇 (r)輻射變化的縮減 圖17和18係描述在炫化/固,態界面G〇(r)的轴向溫度梯产 輕射變化縮減所能改^缺射切:性的最 濃度（距離熔化/固態界面大約丨公分）是在不同g 〇 (『）時的兩 種情況下計算：（l)GQ(r) = 2.65 + 5 X l〇-4r2(K/mm)與 (2)G〇 ⑴= 2.65+5 X 1 (T5r2(K/mm)。對於每—情況而士， 該拉晶率經過調整，以致於在多空缺的矽與多間隙性之間 的邊界是在3公分的半徑。情況丨和2所使用的拉晶率是分別 為每分鐘0.4與〇·35公釐。從圖丨8可清楚看出，當最初軸向 O:\59\5W69-920627.DOCU\LAN —— —一 -35 本紙張尺度適用中國國家標¥(CNS) A4規^(210 X 297公釐） 575697

五、發明説明（32 ) 溫度梯度的輻射變化減少眭，A曰r ^々 隙性^㈢_ I 、 日曰叙的夕間隙性部分中間 門 明顯減少。既然它會變得較容易避免由於 二二飽和而使間隙性缺陷帶的形<，所 材枓的品質。 範例3 增加間隙性的外擴散時間 圖1 9和2 0描述藉由辦‘問贼#从城‘ 所u 、 稽田&加間隙性外擴散的時間所達成的品 貝？艮。間隙性的濃度會以晶體dT/dz的不同軸向溫度輪廓 況計算在炫化/固態界面上的轴向溫度梯度在兩情 相同戶斤以間隙性的最初濃度（距離溶化/固態界面大 ^公分）在兩情況中㈣。在此範例中，該拉晶率經過調 正致於整個晶體為多間隙性。該拉晶率在兩情況中同 =為母分鐘G.32公箸。在情況2的間隙性外擴散的較長時間 -造成間隙性濃度的整個縮減。既然它會變得較容易避免 由於間隙性過飽和而使間隙性缺陷帶的形成，所以可改良 材料的品質。 範例4 一 700公釐長、150公釐直徑晶體會以不同的拉晶率生長。 此不同的拉曰曰曰率是從在肩f大約每分鐘i . 2公董線性改變成 從肩背大約每分鐘0.4公釐，然後以近乎線性回到距離肩背 7〇〇公釐上的大約每分鐘〇·65公釐。在此特殊拉晶裝置的這 二/兄下，整個半徑會在從晶體肩背的大約32〇公董到大約 525公釐範圍之晶體長度上的多間隙性條件下生長。請即參 考圖21，在大約525公釐的軸位置與大約每分鐘〇47公釐的

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33 A7 B7 =曰日率上，孩晶體在橫跨整個直徑是沒有聚集本質點缺陷 V耳如所述的另一方法，在軸向對稱區域的寬度是實質沒 有聚集缺陷區域的-晶體小區段會等於晶錠的半徑。 • 範例5 如範例1所述，一連事單晶矽晶錠是以不同的拉晶率生長 ，然後分析以決定聚集間隙性缺陷會首先出現或消失的軸 向位置（並相對於拉晶率）。在拉晶率ν •軸位置圖上所繪製 的^自這些點之間與推測的插入會生產表示第一近似值的 曲、、泉，一 2 0 0公釐晶體的拉晶率是當作在拉晶裝置的長度函 數其中该軸向對稱區域是在其最大寬度。額外的晶體然 後會以其他拉晶率生長，而這些經體的進一步分析可用來 重新足我此憑經驗決定的最佳拉晶率輪廓。 使用此資料與下列此最家拉晶率輪廓，長度大約1〇〇〇公釐 而直徑大約200公釐的一晶體會生長。從各種不同軸位置所 獲得的生長晶體薄片然後可使用在此技藝中的氧沉殿方法 ^ ~r來分析’為了要（丨）決定是否聚集間隙性缺陷會形成， 及（ii)決定當作V/I邊界位置的薄片半徑之函數。如此，一 軸向對稱區域的出現便可決定，及晶體長度或位置的功能 之此區域寬度。 從晶鍵肩部大約2〇〇公釐至大約950公釐範圍的軸向位置所 獲得的結果是在圖22繪出，這些結果顯示一拉晶率構型可 决足卓日曰碎晶键的生長’以致於該晶鍵的固定直徑部分 了包έ具有從半徑朝晶錠中央轴的周圍邊緣所測量之寬度 的一軸向對稱區域，其是固定直徑部分半徑的至少大約

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♦紙張尺度適用中國國家襟準(CNS) Α4規格(21〇 X 297公釐） 575697 A7 B7 五、發明説明（34 ) —— 40%的長度。此外’這些結果顯示此軸向對稱區域可且有 沿著晶鍵的中央軸所測量的長度，其是大約該晶鍵的固定 直徑部分長度的7 5 %。 範例6 具有大約1100公董長度與大約150公董直的一單晶石夕晶鍵 是以減少的拉晶率生長。在該晶錠固定直徑部分的肩背上 之拉晶率是大約每分鐘i公釐。該拉晶率會以指數減少到大 約每分鐘0 · 4公釐，其符合距離肩背大約2〇〇公釐的軸位置 。該拉晶率然後會以線性減少，直到大約每分鐘〇·3公釐拉 晶率達到接近該晶鍵的固定直徑部分末端為止。 在此特殊熱域結構的這些製程情況下，該產生的晶錠係 包含一區域，其中該軸向對稱區域具有大約等於該晶錠半 徑的一寬度。請即參考圖23a和23b，其顯示由一連串氧沉 積物熱處理後該晶錠部分軸切的少數載體壽命掃描所產生 的影像，從大約100公釐到大約25〇公釐與大約25〇公董到大 約400公釐之軸向位置範圍的晶錠連續片段會出現。從這些 圖可看出一區域存在該晶錠中，其範圍是從肩部的大約i7Q 公釐到大約290公釐的軸向位置，其跨過整個直徑且沒有聚 集本質點缺陷。所描述的另一方法是一區域出現在該晶錠 中，其中，該軸向對稱區域的寬度，亦即實質上沒有聚集 間隙性缺陷的區域，係等於該晶錠的半徑。 此外’在從大約125公釐到大約170公釐與從大約29〇公爱 到大於400公釐的一軸向位置範圍的一區域中，存在間隙性 為主材料的軸向對稱區域，其在空缺為主材料的一概呈圓 -38 -

O:\59\59〇r,9-920627.DOC\4\LAN 令紙狼尺度適用公釐)= 575697 A7 B7 五、發明説明（35 ) 柱形核心周圍是沒有聚集本質點缺陷，而該空缺為主材料 亦沒有聚集本質點缺陷。 最後，在從大約100公釐到大約125公釐的一區域範圍軸中 ，存在間隙性為主材料的一軸向對稱區域，其在空缺為主 材料的一概呈圓柱形核心周圍沒有聚集缺陷。在空缺為主 材料中’存在一軸向對稱區域，其在包含聚集空缺缺陷的 一核心周圍並沒有聚集缺陷。 範例7 一連串單晶亨晶錠（150公釐與200公釐定直徑）的冷卻率與 v/1 &界係根據使用不同熱域結構的cz〇chraiSki方法而生長 ，孩方法會影響到在超過大約1050艺溫度上的矽存在時間 。每一晶錠的拉晶率輪廓會沿著晶錠的長度改變，在於嘗 4 k 永集空缺點缺陷區域至一聚集間隙性點缺陷區域建 立一轉變。 一旦生長，琢等晶錠便會沿著平行於生長方向的中央軸 縱向切割，然後進一步分成每一大約2公釐厚度的數個區段 。使用先W所述的銅飾技術，一組縱向區段隨後加熱，並 試與銅混合，該加熱情況適合於一高濃度銅間隙性的分解 。、在此熱處理後，孩等取樣然後會在出現氧化物密集或聚 术間隙性缺陷的過擴散或凝結位置上的銅雜質時間過程中 速4卻。在‘述蝕刻的一標準缺陷後，該等會以視覺檢 旦疋否出現雉質陷入；這些沒有雜質陷入的區域係符合於 沒有聚集間隙性缺陷的區域。 、 另、、且、’從向區4又疋—連_氧化物沉澱熱處理，以利於載

O:\59\590r,9-920627.DOCUVLAN -39 - ；| _ 1 " " ' 'Γ，Γ^' " _ 本紙張尺度適用中關家標準 575697 五、發明説明

體壽命圖之前， # 、、 利用壽命圖中的對册物密集的晶核作用與生長。可 位置上決定及；?比^以利於每―晶錠中各種不同轴向 態界面形狀上的、欠、 〜口心界面的形狀。在熔態/固 估計在二='訊然後會使用’如下便進-步的討論，以 t在千均轴向溫度梯度Gg中的赛 斫可連同拉„日査说巧丁又化％對值。此資訊 為了 ΓΓ 估計在v/G°中的輕射變化。 的效果，^ΓΓ檢查生長條件是否具有單^晶錠品質 並正每性二=階段可用的實驗證據達成的數項假設相信 時二度所2時==卻至間隙性缺陷聚集發生 u g 使用時間的熱歷史處理，假設大約1G5CTC是梦 自我間隙性聚集發生時的合理溫度近似值。此溫度是與在 木用不冋冷卻率實驗期間所觀察的聚集間隙性缺陷密度變 :相致。雖然，如上所述’聚集發生是否亦是一間隙性 濃度的因素，相信聚集在超過大約105(rc溫度是不會發生 ，因為Cz〇chralski類型生長的間隙性濃度典型的特定範圍會 處理，合理假設該系統在超過此溫度上不會變成與間隙性 危險地過飽和，而因此聚集便不會在超過大約1050°C的溫 度上發生。 達成確足單晶矽品質生長條件影響參數的第二假設是決 走在碎自我間隙性擴散的溫度可以忽略。所描述的另一方 法假設該自我間隙性是在大約14〇〇。〇與大約1〇5〇t：之間的 所有溫度上以相同的速率擴散。要了解到大約丨〇5〇 t是聚 集溫度的合理近似值，此假設的必要點是來自溶點的冷卻 曲線細節是沒有相關。該擴散距離只決定在從熔點到大約 O:\59\59〇r)y-920627.DOC\4\LAN _ 4〇

尽紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 575697 A7 B7 五、發明説明（37 ) 1050°c所需冷卻的總時間。 使用一特殊晶錠的每一熱域設計與實際拉晶率構型的轴 向溫'度構型的資料，從大約1400°C到大約l〇50°C的總冷卻 時間可計算出。應注意的是每一熱域的溫度改變率是合理 不變。此不變係表示亦即大約10 5 0 °C的聚集間隙性缺陷的 晶核作用溫度選擇的任何錯誤，將只會導致計算冷卻時間 的比例錯誤。 為了要決定晶鍵（Rvacancy)為主區域空缺的半徑範圍，或改 變軸向對稱區域的寬度，進一步假設由壽命圖所決定的空 缺為主核心的半徑是等同於凝固點，其中v/G〇二v/G0臨界 。所描述的另一方法是該軸向對稱區域的寬度通常在冷卻 到室溫後基於V /1邊界的位置而假設。此指出就如上所提， 因為空缺與矽自我間隙性的晶錠冷卻組合會發生。當復合 確實發生時，V/I邊界的實際位置會朝向晶錠中央軸的内部 改變。此即在此參考的最後位置。 若要簡化在凝固時間的晶體平均軸向溫度梯度G G的計算 ，該熔化/固態界面形狀會假設為熔點等溫線。該晶體表面 溫度是使用有限元素模型（FEA)技術與熱域設計的細節來計 算。在晶體中的整個溫度範圍，而因此Gq可藉由具有適當 邊界條件的Laplace方程式的解決來推論，即是，沿著溶化/ 固態界面與FEA的熔點會造成沿著晶軸的表面溫度。從其 中一準備與計算的晶錠各種不同軸向位置所獲得的結果^ 在圖2 5顯示。 若要估計在具有最初間隙性濃度的Gq輻射狀變化效果，

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN -41 - 尽紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規袼(210 X 297公ϋ 575697 五、發明説明 38 A7 B7 即在V /1邊界血晶晋曲矣；、 Μ 、土 ^互 芡間中間位置的一輻射狀位置R，假 吞又為取逆點，一石夕自痛网 目我間隙性可來自晶錠中的一沉接，該 沉接可以是在空缺為主區减 # * 、十、曰& μ a Ε 4 4在日日胆表面上。藉由使用上

率與g。資料，在位置&的計算…與在V/I ==臨界V/G。值)的V/G。之間的不同係提供最初間 隙=度，射變化指示與效果，此具有能力使過度間隙性 可k到在晶體表面上或空缺為主區域中的—沉接。，、 對於此特殊資料組而言，出現在V/G0的輻射狀 有晶體品質的系統依存性。如在圖26可看出，決定於晶鍵 的軸在此取樣是最小。在此一連 '九 件係表示GG輕射變化的完全_範圍_^㈣生長條 礼固、、、口果，此资料 而不能決定在G〇輻射變化上的可辨識品質(亦即:、有 聚集本質點缺陷帶）依存性。 又有出現 注意’所製備的每個晶錠取樣是在出現或沒有聚 性缺fe的各種不同軸向位置上評估。對於 ‘、 ^ ψ y- 、斤知查的每個軸 位置而…相互關係可在取樣的品質與轴 寬度之間達成。請即參考圖27，一圖式製備 軸位置上將所提供取樣的品f與在 疋争殊 許從凝固至大約1()贼冷卻。若允 向對稱區域的寬度(耶即’ R，a” 具有二：轴 在特殊溫度範圍内的取樣冷卻歷史。為了择 ^…、決疋 域的寬度，此趨勢是建議需有較長的擴散日^車由向對稱區 冷卻率。 、間’或較慢的 基於在此圖式中所出現的資料，一聶 取通且的線條可計算 O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN -42 .

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發明説明（ 出，其通常是表示從”好”（亦gp > a ^ ^ x ( τ p，播缺陷）到"壞，，（亦即，包 各缺)的石夕品質轉變，當作σ 曰乂、士 y '作疋在此特殊溫度範圍内一特定 曰曰叙直徑所允許的冷卻時間 斑、人么n t 、日 才间功此。在軸向對稱區域的寬度 〜部率〈間的一般性關係可以下列方程式表示：

(R crystal " R transition^

D eff * t

1050°C 其中

Crystal是晶鍵;的半徑，

Rtransiti〇n是在範例的一軸位置上的軸向對稱區域的半徑， 一轉變是在從無缺陷到包含缺陷的間隙性為主材料中發生 ’反之亦然，

Deff是一常數，大約 93*1iV4 2 -1 ^ ^ 咬 1〇 cm sec 1，其表示間隙性 擴散的平均時間與間隙性擴散的溫度，及 1〇5〇 C疋從凝固至大約1〇5〇 c冷卻的取樣之特定抽向位置 所需的時間。 請即重新參考圖27，對於一特定晶錠直徑而言，看出一 ~卻時間為可估計，為了要獲得一所需直徑的軸向對稱區 域。例如，對於大約15〇公釐的晶錠直徑而言，如果在大約 1410°C與大約1050它溫度範圍之間，具有寬度等於晶錠半 徑的一轴向對稱區域便可獲得，該晶錠的特殊部分允許冷 卻大約1 0至大約丨5小時。同樣地，對於具有大約2〇〇公釐的 晶叙直控而言，如果在此溫度之間，具有一寬度大約等於 晶鍵半fe的一軸向對稱區域便可獲得，此晶錠的特殊部分 43 -

〇：\59\59〇r)9-920627.D〇CU\LAN 本紙張尺度it财_ r_'_,........ II 一,. , -,- ,----------- ，一 丨丨丨· .......ITT—==-一ΤΤΓ 丨丨 , 575697 -44 A7 B7 、發明説明（40 ) ~~-一~~~_ 允岭大約2 5至大約3 5小時的冷卻。如果此條線進一步推測 ，則而要大約6 5至大約7 5小時的冷卻時間，以獲得具有大 約3 00公釐直徑的一寬度大約等於晶錠半徑的一軸向對稱區 域。在此要注意的是當晶錠的直徑增加時，需要額外冷卻 的時間，由於間隙性必須擴散的距離增加，為了要在晶錠 表面或空缺核心上達到沉接。 μ即參考圖2 8、2 9、3 G、和3 1，各種不同晶錠增加冷卻 時間的效果疋可觀祭到。這些其中每—圖式係描述具有⑽ 公i頜足直徑的晶錠部分，其具有從圖2 8至圖3丨增加從凝 固至1050°C溫度的冷卻時間。 請即參考圖28，其顯示從並排大約235公釐至大約35〇公 釐的軸向位置範圍的一晶錠部分。在大約255公_由向位 置，典聚集間隙性缺陷的軸向對稱區域寬度是在一最大值 ’其大約是晶錠半徑的4 5 %。在此位置之前，一轉變會從 一 >又有缺陷的區域至出現缺陷的區域發生。 清即參考圖29，其顯示從並排大約3〇5公釐至大約46〇公 厘的轴向位置範圍的一晶錠部分。在大約36〇公釐的轴向位 置上，無聚集間隙性缺陷的軸向對稱區域寬度是在最大值 ，其疋大約晶錠半徑的65%。在此位置之前，缺陷會開始構 成。 口 文請即參考圖30，其顯示從並排大約14〇公釐至大約275公 叙的轴向位置範圍的一晶鉸部分。在大約21〇公箸的轴向位 置^，該軸向對稱區域的寬度是大約等於該晶錠的半徑； 即疋，在此範圍内的晶錠較小部分是沒有聚集本質點缺陷

O:\59\59069-920627.DOC\4VLAN 丨家標準(CMS) A4規格（21^297公ΪΓ

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575697 A7 B7 五、發明説明（41 ) 請即參考圖31，其顯示從並排大約6⑽公釐至大約73〇公 釐的軸向位置範圍的一晶錠部分。在範圍從大約64〇公釐至 大約665公釐的一軸位置上，該軸向對稱區域的寬度是大約 等於該晶錠的半徑。此外，該軸向對稱區域的寬度大約等於 m晶錠半徑的晶錠片段長度是大於與圖3 0的晶錠有關的觀 察。 當在組合看之時，因此，圖28、29、3〇、和31係顯示在 無缺陷、軸向對稱區域的寬與長上的時間與1〇5〇t的冷卻 效果。大體上，這些區域包含所發生的聚集間隙性缺陷， 結果會持續減少該拉晶率，導致最初的間隙性濃度太大而 不能減少該晶體部分的冷卻時間。該軸向對稱區域的較大 長度表示較大範圍的拉晶率（亦即，最初間隙性濃度）可用 於此無缺陷材料的生長。增加冷卻時間允許最初較高的間 隙性濃度，半徑性擴散的充分時間即可達成，以抑制在低 於間隙性缺陷聚集所需決定性濃度之濃度。換句話說，對 於較^的冷卻時間而言，較低拉晶率（因此，較高的最初間 隙性濃度）將仍會導致最大的轴向對稱區域6。因此，較長 的冷卻時間會導致增加有關最大軸向對稱區域直徑與 製程控制限制所需條件的容許拉晶率。結果，在晶鍵較大 長度上的軸向對稱區域之製程會變得更容易。 | μ即參考圖31，在來自晶錠肩部從大約665公釐至73〇八 丨ΐ:Γ::向位置上’無聚集缺陷之空缺為主材㈣ !曰出現’其中該區域的寬度等於該晶錠的半徑。

〇：\59\59()69-92〇r,27.D〇C\4VLAN -45 - 釐） 575697

五、發明説明（42 杢發明的拉晶裝罾 請即參考圖3 2，根據上述製程用以產生單晶矽晶錠與晶 圓之本發明的一拉晶裝置大致以12丨表示，這些上述製程在 晶鍵半徑的一顯著部分上並無聚集本質點缺陷。根據 Czochralski方法，該拉晶裝置121較佳為用來生長單晶矽錠（ 例如’圖3 2的一晶錠）的類型。該拉晶裝置丨21包括一殼體（ 大致如125所示），其包含一大致圓柱形生長室127、一大致 設在生長室壁上方的圓柱形拉晶室129、及與該生長室和拉 晶室互相連接的一圓頂狀轉換部分132。該拉晶室129具有 較生長室127為小的橫斷面積。在生長室丨2 7所沉積的石英 掛鋼131包含來自生長單晶矽錠I的熔化半導體源材料％(例 如，石夕）。遠j#銷13 1包括一圓柱形側壁13 3，並安置在隨著 垂直軸旋轉的一旋轉台135上。當該晶錠I生長而且源物料 從溶化移除時，該坩鍋131亦能在生長室127中昇高，以便 在相同的位準上維持熔化源材料Μ的表面。 大致如137所示而用以在坩鍋13 1中熔化源物料Μ的坩鍋加 熱器包括一大致垂直方向的加熱元件139，其係圍繞在與坩 鋼側壁3 3有關輻射狀間隔的坩鍋。該加熱元件139可將坩锅 13 1加熱至超過源物料μ的熔點，隔離141係置放以便將熱限 制在殼體125的内部。此外，在殼體125内設有通道，包括在 上層拉晶室129，以允許冷卻水循環。某些通道在圖3 2是由 參考數字1 4 3指定。 一拉晶裝置包括可從拉晶室129上方的一裝置（在圖中未顯 不出）向下擴展的一拉軸145，而該拉晶室能夠將拉軸升起

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| O:\59\5906y-920627.DOC\4VLAN 575697 A7 ~一- B7 、降低與旋轉。該拉晶裝置121具有一拉線（在圖中未顯示 出），而不是一軸145，其決定在拉晶裝置的類型。該拉車由 145是在可握住一晶粒149的晶粒夾盤147終止，此一晶粒可 用來生長單晶錠I。該拉軸145在圖3 2中已部分省略，用以 月確地描述该等央盤147與晶錠I的昇起位置。在殼體125圓 頂狀轉換部分132的一觀看孔148係藉由諸如一照相機控制 裝置（在圖中未顯示）的傳統晶錠直徑控制裝置而在晶錠與 k化的源物料Μ的熔化表面之間提供用以觀看液態/固態界 面。來自觀看孔148的視線L至晶錠I的液態/固態界面是在 圖3 2中以虛線表示。包括該晶錠直徑控制裝置的拉晶裝置 121之一般性結構與操作可為習於此技者所熟知，而除了在 下面詳細解說外，不做進一步描述。 在本發明的拉晶裝置121使用之一電阻加熱器丨23包含在殼 m 125的上層拉晶室129内安置之一大致管狀加熱元件15 1。 當生長晶錠I經過拉動器121的殼體125而向上拉時，該加熱 元件15 1的一中間開孔153允許生長晶錠I藉由加熱元件在中 〜通過。在描述的具體實施例中，該加熱元件1 5 1較佳為向 下擴展一小距離至晶體生長室127，實質在包含熔化源物料 Μ的掛鍋13 1上方終止。更明確而言，該加熱元件15丨的底部 疋在丨谷化表面之上的足夠間隔，所以該加熱元件不會妨礙 到經由觀看孔14 8的晶錠直徑控制裝置之視線l。如一範例 所示’在一拉晶裝置用以生長晶錠I具有2〇〇公釐的直徑， 該加熱器的加熱元件15 1理想上是在熔化表面上的大約3〇〇 公I終止。可了解到該加熱元件15 1不需要向下擴展至生長 O:\59\59069-920r.27.DOC\4\LAN 一 47 本紙張尺^格(210 X 297公釐 Γ ^/^9α9·99999β :線 575697 五、發明説明（44

129中沉積，而不會 室127，所以整個加熱元件是在拉晶室 達背本發明的範圍。 ㈣熱元件⑸的長度是基於熱會放射至生長晶鍵工的所需 熱I與放射熱的晶錠軸部分而在拉晶室I” 預定高度。大體上，當該加熱元件151增加長度時擴= 過刪。C的停留時間亦會增加。如一範例所示，該加熱元 件較佳為具有一大於約3〇〇公釐的長度。然而，所要注音的 是該加熱元件151會按大小處理，以實質擴充拉晶室二的 整個高度、’所以在拉晶室中擴展的完全生長晶錠！的整個長 度會在溫度1050°C以上的整個生長期間拉晶室中保留。 如圖2所示，該加熱元件151包含並排的垂直方向"加熱片 155，而且彼此連接，以形成一電路。更明確而言，毗連加 熱片155而分別指定157和159的上層與下層端是交互連接至 在形成一封閉幾何形狀的一連續彎曲結構中的彼此；在二 述的具體實施財，相對於安置架161的_圓柱體係連接至 與加熱片155相連的加熱元件151的頂端，而且從在拉晶室 129的殼體125上用以安裝加熱器123的加熱元件向上擴展。 殼體125内的孔口（圖中未示）允許安裝架161藉著經由與安裝 架連接的孔口所延伸的傳統電極而連接至電流源（圖中未示 )，以便將電流導通經過加熱元件151。理想上石墨所構成 的一管狀热保護件163大致沉積在加熱元件1 5 1與上層拉晶 室的牆壁之間，以便藉由殼體125抑制加熱元件的冷卻。 該加熱元件151是由一未污染的電阻加熱材料所構成，此 材料可提供由此電流流通的電阻；由加熱元件所產生的電 -48 -

O:\59\59069-920627.DOCU\LAN 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐） 575697 五、發明説明

力輸出會隨著材料的電阻增加。一 e古洛…彳丨 狩洙較佳電阻加熱材料 疋问度甲化的萃取石墨。然而， 化物涂声石里一# 邊加熱兀件15丨可以是矽碳 土曰、-、寺麵形石墨、炭纖維合成物、嫣、金或並 他通當的材料構成，而不會達背本發明的範圍。同樣要^ ;ΓίΓ;::熱元件151可由在石英管上包裹的電線，諸如鶴 或钮廷、、泉所構成，、义#犯& 便开y成—加熱線圈（在圖中未顯示出） 間的間隔可改變，以塑造該加熱元件⑸的 “輸出輪廓。該加熱元件151理想上在1()崎至11〇代範 圍的溫度上能夠放射熱。然而，解到能夠產生較高溫 度的加熱元件皆可以使用，而依然在本發明的範圍内。 圖3 4和3 5疮逑加熱器123的另一具體實施例，其中該加熱 裝 元件151的加熱片155是會隨著在加熱元件頂端上的加熱元 件關附近共面的該等片段上層端157與因為該等片段長度 =改夂而彼此垂直搖晃的該等片段下層端1 來改變長度。 訂 f1長片& 6 5的下層端^ 5 9是定義加熱元件1 $ 1的底部。以此 方法改變該等加熱片的長度可沿著加熱元件151的高度而提 仏輪廓的加熱電力輸出；從加熱元件的底部至上端的增加 線， 的加熱電力輸出係用以最佳化該生長晶錠I的冷卻率。 在加為元件1 5 1結構的一較佳方法中，垂直擴展的槽會切 成電阻加熱材料所構成的一管（在圖中未顯示出），以定義 彎曲結構。更明確而言，向下擴展槽169會從加熱元件151 的頂响向下擴展’而限制該等片段丨55下層端1 %的缺乏， 留下連接至在下層端上彼此的毗連片段。向上擴展槽1 7丨是 乂遠等片段1 55的下層端向上擴展，而限制住該加熱元件

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN -49 本紙依尺度通財關冢標率(CNS) A4規袼(21〇X 297公釐) 151上端的不足，留下連接至這些片段上層端i57上彼此的 毗連片段。有關加熱元件151周圍的向下與向上擴展槽169 、m互替會產生加熱元件的彎曲結構。在該等加熱片段 155的長度是諸如在圖34和3 5的具體實施例中所示不一致， 該管（圖中未示）的部分會被切除，以便在切除管中該等垂 直擴展槽169、Π1之前，可大體上定義該等加熱片段155下 層端159的步階結構。 貫施上，多晶性矽（”多晶矽”）是在坩鍋13丨沉積，並由來 自掛鋼加熱态13 7放射的熱量所溶化。該晶粒丨49會與炫化 矽Μ接觸，而一單晶錠；[是經由該拉晶裝置的慢萃取而生長 。當薇晶錠從熔化向上拉時，該晶錠j立即開始冷卻，而且 在該晶錠經由下層晶生長室127向上拉之時，便會持續冷卻 。當孩晶錠I部分開始與加熱元件15丨的底部放射調整之時 ，熱便會藉著將元件加熱至該晶錠的這些部分而放射，以 減少進一步冷卻率。 藉由至少1000 C _ 11001：的溫度將熱放射至該晶錠J，在凝 結溫度（例如，超過1400。〇與l〇5〇°C之間的晶錠冷卻率會實 質減少，藉此增加在溫度超過1〇5〇它晶錠存在的時間。當 該晶錠部分以超過l〇5〇°C溫度停留相當長時間，自我間隙 性便會發生，以便在低於間隙性缺陷聚集所需的決定性濃 度能抑制濃度。同樣地，一晶錠會產生，其中該晶錠的一 實質半徑部分是自我間隙性為主，而且沒有聚集本質點缺 陷。如上所討論，該晶錠存在溫度超過1〇5(rc越久，缺乏 聚集本質點缺陷的晶錠;半徑部分便會增加。 50 -

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN 本紙張尺度適標準 575697 A7 B7 五、發明説明（47 ) 如一範例所示，根據上述一拉晶裝置121類型的 Czochralski方法，一有限元素模型分析可用來模擬3個單晶 體矽晶錠的生長’每個具有2〇〇公f的直徑。每一晶鍵是以 母分鐘0.3公|的拉晶率生長。該第一晶鍵I的生長是在拉 晶裝置殼體125的上層拉晶室129中沒有加熱器123來模擬。 上述的一電阻加熱器123係經模型化，以模擬該第二晶錠工 的生長。該加熱器123具有大約350公釐的長度，將該生長 ▲ 127向下擴展至超過溶化表面的493公董高度。該第三晶 錠I是在一拉晶裝置121中生長，包括一實質較長的加熱器 123 ;具有大約500公釐的長度，並將該生長室127向下擴展 至超過熔化表面的493公釐高度。 請即參考圖36、37、和38，其記錄在殼體中的該晶錠與 各種不同結構的溫度，而且以等溫線繪出，以指示該等晶 的冷卻圖案。在每一圖式中，出現的溫度是以0 K為單位 。沒有等溫線直接轉換成1050°C。然而，為了比較，1050 C等溫線的大約位置是在每一圖式以虛線表示，而符號數 字1 〇和1 1所示的等溫線號1 〇和1 1之間。 在圖3 6 (符合於在上層拉晶室中無需額外加熱器的生長晶 錠）中’表示10 5 0 °C等溫線是在溶化表面上間隔大約2 5 0公 董’其指示該晶錠的迅速冷卻。對於每分鐘〇 . 3公釐的拉晶 率而言，此表示大約14小時超過1050°C的存在時間。 當該加熱器12 1使用在如圖3 7所示的第二生長模擬時，表 示10501等溫線是在熔化表面上間隔超過6〇0公釐。在每分 鐘0.3公釐的拉晶率上，該生長晶鍵的溫度會在1 〇 5 〇 t以上 OA5^59069-92<)627 D〇Q4\LAN - 51 ) 1 11 _lh_ ______ ,, 尽紙張尺度通用中國國家標準X 297公釐）

裝 訂

575697 A7 ——一~~^ B7 五、發明説明（48 存在超過33小時。如參考範例7中的討論，此時間是在用以 ft:晶鍵所需的範圍内，其中該晶鍵是實質沿著晶錠整 口m缺之聚集本質點缺陷。如圖38所示，增加該加熱 β勺長度g進步I超過溶化表面的105(rc溫線的高度增 加到大約900公釐，造成該晶錠在i〇5〇r以上存在大約50小 寺圖3 9疋比車乂於在彳限元素分析中所|生3個晶鍵的轴向 溫度構型圖式。 從前文可看出在此所述的拉晶裝置可滿足本發明的各種 不同目的，並達到其他有利的結果。具有安置的一加熱元 件151與在上層拉晶室之中擴展的加熱器123會適當地定出 尺寸^以便使熱量能沿著該生長晶錠的一充分軸部分放射 ，以貫質減少孩晶錠的冷卻率，並在晶錠溫度超過1〇5〇它 期間增加存S的時間。更日月確而言，該加熱元件151會做大 小處理，以致於在該晶錠；[在超過1〇5〇t：期間的時間能足夠 長，藉此使该晶錠在實質沿著該晶錠的整個半徑無聚集本 質點缺陷。增加該加熱元件151的長度亦允許該晶錠的拉晶 率增加（但是保持在拉晶率的範圍内，其中生長間隙性為主 之矽），以改良製造能力。 重要地，藉由在殼體125的上層拉晶室129中安置及擴展該 加熱器123，該加熱元件151能將大小製成意欲的長度，而 不會在下層生長室127中佔據實質的空間。此允許加教哭 #、、、 口口 123安置在傳統的拉晶’而不會在生長室127需要額外的空 間，而且不會妨礙來自液態/固態界面觀看口 148的视線。 在殼體生長室中缺乏空間的大小限制如此便可克服。 -52 -

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN 本紙張尺度適用中國國家標準(C:NS) A4規格(210 X 297公澄)— 575697 A7 B7 五、發明説明（49 ) 各種不同的變化可在上述結構中達成，而不會達背本發 明的範圍，上述所包括或在附圖中所示之所有内容係用於 舉例說明，而不是限制。 53 -

O:\59\59069-920627.DOC\4\LAN 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. 575697 AB c D 六、申請專利範圍 2 _如申請專利範圍第1項之拉晶裝置，其中該加熱元件向 下延伸入該殼體的該下層生長室。 3 ·如申請專利範圍第2項之拉晶裝置，進一步包含在該殼 體中的一孔口，用以當該晶錠從該熔化矽向上拉時，可 • 從該殼體的外部看到該生長晶錠，該加熱元件的下層端 較高於該熔化矽的高度，以致於經由該殼體的該孔口觀 看該生長室内之該生長晶錠不會被該加熱元件阻礙。 4 . 一種以柴式法（Czochralski)生長單晶矽錠之拉晶裝置， 在該生成晶錠半徑範圍之顯著的一部分中，並無聚集的 本質點缺陷，該拉晶裝置包含： 一殼體，其定義一内部而具有一下層生長室與一上層 拉晶室，該拉晶室具有一小於該生長室的橫斷面積； 一坩鍋，係位於該殼體的該生長室内，用以容置熔化 矽； 一拉晶機構，其用以將一生長晶錠從該熔化矽經過該 生長室與該拉晶室向上拉；及 一電阻加熱器，其具有一大小與形狀適可至少部分地 配置在該殼體的上層拉晶室内的加熱元件，該殼體是與 生長晶錠的外表面成徑向間隔關係，用以當該生長晶錠 在相關於該溶化矽的拉晶室中向上拉時，可將熱輻射至 該晶鍵’該加熱元件具有一上層端及一下層端，當該加 熱元件設置於殼體内時，該加熱元件的下層端係實質配 置在比上層端更接近於該溶化珍處； 該加熱元件係建構使得由該加熱元件所產生的加熱電 〇a59\59069-92()627.DOC\5\LAN - 2 - 用中國國家標準(CNS) A4規格(210乂297公蔆) 575697

   A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 力輸出係逐漸從該加熱元件的下層端往上層端增加。 ’如申請專利範圍第4項之拉晶裝置，其中該第一及第二 加熱元件各具有一上層端與一下層端，該第二元件具有 貫質大於該第一元件的長度，而且在配置上相關於該 第一元件’使得當該加熱元件設置在殼體内時，該第二 元件的下層端位在比該第一元件的下層端更接近於坩鍋 中的溶化矽。 6 ’如申請專利範圍第1至5項中任一項之拉晶裝置，其係用 於生長具有大約200公釐直徑的矽晶錠，該加熱元件具有 又尺寸可將'足夠的熱量輻射至該生長晶錠，藉使該晶錠 的溫度在超過l〇50°C之時間能有25小時以上。 7 .如申請專利範圍第6項之拉晶裝置，其中該加熱元件具 有之尺寸可將足夠的熱量輻射至該生長晶錠，藉使該晶 鍵的溫度在超過105(TC之時間能有35小時以上。 8·如申請專利範圍第7項之拉晶裝置，其中該加熱元件具 有之尺寸可將足夠的熱量輻射至該生長晶錠，藉使該晶 鍵的溫度在超過1050。〇之時間能有5〇小時以上。 9 . 一種用於以一柴式法（C ζ 〇 c h r a 1 s k i)生長單晶矽錠之拉 晶裝置中的電阻加熱器，該拉晶裝置具有一殼體，一設 於該殼體中之坩鍋，用以容置熔化矽，及一拉晶機構， 用以將一生長晶錠從該熔化矽向上拉，該加熱器具有一 加熱元件，其大小與形狀使其可置於拉晶裝置之殼體 中，該殼體大致位於坩鍋上方’並與生長晶錠之外表面 成間隔關係，用以當該生長晶錠在該殼體中相對於溶化 0:\59\59U(,9-92U627.D〇C\5\LAN ~ 3 - 尽紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Μ規格(21〇><297公釐) 575697 A8 B8 __C8 六、申請專利^^ —^~---*-- 夕而向上拉時，可將熱輻射至該晶錠，該加熱元件具有 '上層端；5 一 了 BL、 下層端’當該加熱元件設置於殼體中時， I 冑加熱元件❸下層端係實質地配置在比上層端更接近於 Θ k化矽處，該加熱元件係建構使得由該加熱元件所產 生的加為％力輸出逐漸從該加熱元件的下層端往上層端 增力口。 ίο.如中請專利範圍第9項之加熱器，其中該加熱元件包括 概王並排且以電氣性連接所配置的第一及第二垂直方向 加熱兀件，孩第一及第二加熱元件各具有一上層端與一 下層端，該第二元件具有一實質上大於該第一元件的長 度，而且在配置上相關於該第一元件，使得當該加熱元 件設置在殼體内時，該第二元件的下層端位在較該第一 凡件的下層端更接近於坩鍋中的熔化矽。 11_如申請專利範圍第10項之加熱器，其中該第一及第二加 …元件之上層端係大致與該加熱元件之上層端呈同一平 面’ 1¾第二加熱元件之下層端與該加熱元件之下層端重 合。 1 2 _如申請專利範圍第丨丨項之加熱器，其中該加熱元件包括 復數片段，其係緊密地配置且彼此電氣連接，用以傳導 電流而環繞該加熱元件，該等片段係由電阻材料製 成’使其可於電流流通時藉其電阻產生熱量。 1 3 .如申請專利範圍第9項之加熱器，其中該加熱元件係定 -4 - 〇：li59\59〇r>9-92()627.D〇c\5\LAN 本紙痕尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 575697 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 出尺寸與形狀，以利於當其設置於該拉晶裝置内時，可 延伸環繞該晶錠周圍之至少一部分，該加熱元件之上層 端係定出尺寸與形狀，以利實質上較該加熱元件之下層 •端環繞更大部分之該晶錠周邊。 O:\59\59069-920627.DOC\5\LAN - 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）