TW587106B - Method for manufacturing dislocation-free silicon single crystal - Google Patents

Description

587106 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 ) 相關申請案之交錯參照 本申請案係將基礎建立於並且請求先前日本專利公開 公報申請案號2000-049667之優先權’ 2000年，二月25日 申請，在此全部倂入本文中以爲參考。 發明之背景 本發明關於一種製造大型積體電路（LSI)用之無位錯矽C Si)單晶的方法。 現在，用於LSI製造方法中的矽單晶通常係利用 Czochralski (CZ)法或浮動區域（FZ)法形成。更精確的話， 大部份矽單晶係利用CZ法形成。CZ法係一種藉著將種晶 引入與矽熔融物接觸（這個步驟叫做”蘸浸法”）然後拉出種晶 而長成矽單晶的方法。FZ法係一種藉著加熱複晶矽所形成 原料棒之一端熔融彼，將矽種晶引入與熔融部份接觸，並 且沿著棒子縱長方向移動熔融區域。 在CZ法中，W.C. Dash在1 959年提出的勒頸法係用於 生長無位錯單晶。勒頸法係於蘸浸法形成一個直徑3-5毫米 之長的細頸部份之後進行。勒頸法防止位錯，其係產生於 種晶中因爲蘸浸法期間的熱衝擊，長入長成晶體中。因此 ，勒頸法係生長無位錯單晶的有效方法。無論如何，利用 勒頸法生長無位錯單晶的機率並非100%。除此之外，該長 的細頸部份無法支撐大於1 00公斤重的大型單晶最近LSI製 造法中需要彼。該FZ法也使用勒頸法所以其具有上述相同 的問題。 表纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）~" " -4- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝： 訂： ;線· 587106 A7 B7 五、發明說明（2 ) 發明總結 -------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之目的在於提供一種用於製造無位錯矽單晶之 方法而無需使用勒頸法。 根據本發明，提供一種用於製造無位錯砂單晶的方法 ，其包含的步驟有： 製備一個無位錯單晶形成具有硼濃度爲1 x 1 〇18原子/ 個數/立方公分或更多之砍種晶； 製備一種具有硼濃度有別於種晶達7 X 1018原子個數/ 立方公分或更少之矽熔融物；並且 將種晶引入與矽熔融物接觸長成矽單晶。 在本發明中，矽單晶宜根據Czochralski法或浮動區域 法長成。 丨線· 在本發明中，種晶之硼濃度宜分布於1 X 1 018原子個 數/立方公分至7 X 1018原子個數/立方公分之間’更佳者3 X 1018原子個數/立方公分至5 X 1018原子個數/立方公分 之間。 再者，在本發明中，矽熔融物宜爲未摻雜硼者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明另外的目的及優點將說明中陳述接著，部份可以 從說明中看出，或者由發明之實踐學到。發明之目的及優 點可藉由其後指出的工具及合倂得知並且獲得。 圖形之簡單說明 附圖，其係插入並且構成標準之一部份，列示當前發 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 587106 A7 B7 _ 五、發明說明（3 ) 明之適當體系，連帶以上提供的說明及以下適當體系之詳 細說明，用於解釋發明之原理。 圖1係種晶中的硼濃度與本發明實施例及比較實施例 中長成晶體中的硼濃度之間的關係圖； 圖2A-2C係先前技藝及本發明之實施例及比較實施例 中矽單晶的X射線形貌影像；而 圖3係本發明之實施例中另一個矽單晶的X射線形貌-影像。 發明之詳細敘沭 本發明在硏究期間已致力於磊晶晶圓下基材用摻雜著 濃密硼之晶體的生長技術。磊晶晶圓大約佔目前所有用於 LSI製程矽晶圓之20個百分比。更明確地說，本發明係以 下列硏究工作期間實際實驗發現的爲基礎。 (1 )當摻雜不純物硼在1018原子個數/立方公分或更 多之無位錯單晶係用作種晶時，將不會產生由於種晶摻雜 過程當中熱衝擊造成之位錯。 (2 )雖然種晶及長成晶體（尤其是摻雜後刪長成之 晶體）之間的硼濃度不同經常會產生晶格不符而造成之位 錯，由於晶格不符，高達7 X 1 0 1 8原子個數/立方公分 之硼濃度差距可能還無法形成位錯。 結合以上兩個事實，無位錯矽單可以不同勒頸法生長 。除此之外，因爲種晶及長成晶體之間的硼濃度可能不同 達某個程度以了解以上說明之無位錯晶體，可能長成合倂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210>< 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-6- 587106 A7 B7 _ 五、發明說明（4 ) 摻雜濃密硼之種晶及未摻雜硼之矽熔融物之無位錯矽單晶 ，其導致未摻雜硼之無位錯矽單晶。 當本發明係用於C Z法時，矽種晶及矽熔融物，每種 都包含預定量的硼，係製備，而種晶係引入與矽熔融物接 觸，然後拉起種晶使晶體生長。當本發明係用於F Z法時 ，矽種晶及複晶矽原料棒，每種都包含預定量的硼，係製 備，棒子的一端係加熱直到熔融，種晶係引入與熔融部份" 接觸，而熔融區域係沿著棒子縱長移動。在本發明中，勒 頸法在任何過程中都無需使用。 種晶內硼的濃度宜從1 X 1 0 1 δ原子個數/立方公分 至7 X 1 0 1 8原子個數/立方公分。在此範圍內，未摻雜 硼之無位錯矽單晶可以由未摻雜硼之矽熔融物長成。尤其 ，種晶內硼濃度落於3 X 1 0 1 8原子個數/立方公分至5 X 1 018原子個數/立方公分。在這個範圍內，未摻雜硼 之無位錯矽單晶可以成功地由未摻雜硼之矽熔融物長成。 關於在此所用的， ''未摻雜硼之矽熔融物〃該詞指的是包 含普通摻雜物濃度硼之矽熔融物，例如1 X 1 〇 1 5原子個 數/立方公分或更多’宜爲1 χ 1 〇15原子個數/立方公 分至9 X 1 015原子個數/立方公分，更佳者1 X 1 〇15 原子個數/立方公分至3 χ 1 0 15原子個數/立方公分。 再者，未摻雜硼之矽熔融物可能含有硼以外相同於上述硼 含量之摻雜物’如磷（ρ)、砷（As)或鍊（Sb) ° 實施例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) ~ ------------Η 裝11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 587106

五、發明說明（5 ) 現在，本發明用於CZ法之實施例將加以說明。無論如 何，應該注意本發明也可以用於FZ法。 矽單晶係由矽熔融物製造，其藉著使用一種摻雜硼之 無位錯矽單晶種晶，依照CZ法。無論如何，勒頸法並非進 行。種晶及長成晶體產生之錯位係利用X射線照相法觀察 種晶及矽熔融物中初始硼濃度之不同組合。晶體製造條件 及結果都展示於以下表1中。 ----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8- 587106

7 A 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 ) 表 1 實施例/ 種 晶 矽熔融1 長成晶體 石英坩 堝直徑 (mm) 長成晶 體內位 錯 比較實 施例 硼濃度 (atoms/ cm3) Sc® (mm χ mm) 硼濃度3 (atoms/cm3) 熔融物 重量（ 克） 直徑 (mm) 長度 (mm) 種晶內 位錯 實施例 1 4x10 丨l) 4x10 丨9 沒看到 沒看到 實施例 2 8xl〇's ΙχΙΟ19 沒看到 沒看到 實施例 3 8xl〇's 3χ1018 沒看到 沒看到 實施例 4 8χ1018 1x10 丨8 沒看到 沒看到 實施例 5 3χ1018 7x7 8x10 丨8 2000 70 50至 100 150 沒看到 沒看到 實施例 6 3χ1018 3xl0ls 沒看到 沒看到 實施例 7 3χ1018 0 沒看到 沒看到 實施例 8 1χ10 丨8 8χ1018 沒看到 沒看到 實施例 9 ΙχΙΟ'8 ΙχΙΟ18 沒看到 沒看到 實施例 10 ΙχΙΟ18 12.5 φ ΙχΙΟ18 2000 70 70 150 沒看到 沒看到 實施例 11 5χ1018 12.5 φ 5χ1018 45000 150 810 400 沒看到 沒看到 實施例 12 3χ10，Η 7x7 0(P:5xl015) 2000 70 80 150 沒看到 沒看到 比較實 施例1 4χ1019 ΙχΙΟ19 沒看到 有看到 比較實 施例2 4χ1019 ΙχΙΟ18 沒看到 有看到 比較實 施例3 4χ1019 0 沒看到 有看到 比較實 施例4 8xl0ls 7 y 7 8xl017 2000 70 50至 150 沒看到 有看到 比較實 施例5 3χ1018 / χ / 4xl019 100 沒看到 有看到 比較實 施例6 ΙχΙΟ'8 ΙχΙΟ19 沒看到 有看到 比較實 施例7 8χ1017 8xl01H 有看到 有看到 比較實 施例8 8χ1017 7xl017 有看到 沒看到 在以上表1中，未摻雜硼之矽熔融物係用於實施例7及 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9 - 587106 A7 B7___ 五、發明說明（7 ) 比較實施例3。在實施例1 2中，含磷在5 X 1 015取代硼之矽 熔融物，係使用。 表1顯示，在每個實施例中，不會由於種晶內產生熱 衝擊而產生錯位而且不會由於長成晶體內產生晶格不合而 產生錯位。因此，證實了無位錯晶體能依本發明成功地長 成而無需勒頸法。另一方面，在比較實施例中，錯位產生 於種晶及長成晶體其中一者以上所以無位錯晶體無法獲得- 〇 列於表1中之實施例1-9及比巌實施例1-8的結果係總 結於圖1中。由圖中展現的，無位錯矽單晶可以在種晶擬 定區域及矽熔融物（其包括未摻雜硼之例子）之硼濃度範圍內 成長而無需勒頸法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -·線- 圖2A至2C及3係展示利用CZ法製造矽單晶內產生錯 位之X射線外貌影像之實施例。圖2A係利用傳統CZ法製 造砂單晶之X射線外貌影像之實施例。圖2B、2C及3係上 述比較實施例及實施例中獲得之矽單晶之X射線外貌影像 。圖2A至2C展示種晶及長成晶體邊界附近的部份。邊界 由每個影像中箭頭牽引所指。在箭頭以上的部份係種晶， 而箭頭以下的部份則爲長成晶體。圖3展示整個晶體。每 個影像上指示之數字係種晶之硼濃度，而每個影像下指示 之數字係矽熔融物之初始硼濃度。再者，入射X射線之方 向由每個影像上方的向量g表示。 在圖2A中展示之傳統技術，許多源於熱衝擊之錯位係 產生於種晶內並且長入長成晶體中。然後頸部（照片下面的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -10- 587106 A7 B7 五、發明說明（8 ) 部份）的錯位係移除，而製成無位錯晶體。 在比較實施例3中製造之單晶（展示於圖2B中）中，發 現種晶中並未產生位錯；無論如何，不合位錯係產生於長 成晶體中。 在實施例4中製造之單晶（展示於圖2c中）中，無論種 晶或長成晶體中都並未產生位錯。顯然無位錯晶體係成功 地長成。 實施例1中製造之單晶的整個影像也由圖3列示，其中 無位錯矽單晶係根據本發明成功地長成。 如以上詳述的，根據本發明，提供一種製造無位錯矽 單晶而不用勒頸法之方法。本發明還具有以下的效應。 (1) 不需要一根長的細頸部份，所以頸部的機械強度會 增加。因此，可以製成更大並且更重的無位錯單晶。 (2) 不需要該長的細頸部份，所以可以節省時間，藉而 ，晶體之製造效率會增加。再者，單晶部份其係傳統用於 頸部者，可以用於長成晶體，所以更大的長成晶體得以獲 得。 (3) 長晶專家不需檢查勒頸法製成之無位錯晶體，如傳 統例子中，所以即使非專家無位錯晶體也可以輕易地製成 〇 再者，本發明可以長成未摻雜硼之無位錯矽單晶，藉 以應用於廣大變化之LSI製造方法中。 熟於此藝之士將可輕易地發現另外的優點及改良之處 。因此，發明以其更寬廣的角度並不限於此中展示並且說 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）_ •裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 587106 A7 B7_ 五、發明說明（9 ) 明之指定的細節及代表性的體系。因此，不同的改良可以 完成而不背離附屬申請專利範圍及其同義語所定義的大略 發明架構之精神或範圍。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1. 587106 Ί. A 8 Β8 C8 DS φ- y 六、申請專利範圍 第90 1 02765號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國93年2月6日修正 1 · 一種製造無位錯矽單晶之方法，其包含步驟：^ 製備一種由硼濃度爲1 X 1018原子個數/立方公分或 更高之無位錯矽單晶形成的種晶； 製備一種硼濃度與該種晶相差7 X 1〇18原子個數/立 方公分或更少之矽熔融物；及 將該種晶與該矽熔融物接觸而長成矽單晶’ 其中該矽熔融物並未摻雜硼。 2 .如申請專利範圍第‘1項之方法，其中使用Czoch ralski法或浮動區域法於生長矽單晶。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該種晶之硼 濃度係於1 X 1018原子個數/立方公分至7 X 10]8原子 個數/立方公分之間。 4 ·如申請專利範圍第3項之方法，其中該種晶之硼 濃度係於3 X 1018原子個數/立方公分至5 X 1018原子 個數/立方公分之間。 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該矽熔融物 包含至少一種選自磷、砷及銻之元素。 Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） I-------------II (請先閲讀背面之注意事項再填寫本買) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製