TWI222470B - Method for producing a silicon single crystal having few crystal defects, and a silicon single crystal and silicon wafers produced by the method - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 A'? 1Γ 1 1 -------1 ~ ---------------- -------------- -------------------------------- ----- -- _______ 五、發明説明（3 ) 電壓特性之單晶。 爲了達成上文所述的目的，本發明提供依據C Z法製 造矽單晶之方法，其中以通過1 1 5 0 — 1 〇 8 0°C溫度 區的時間爲2 0分鐘以內的原則使單晶成長。 本發明之發明者發現到如果在通過1 1 5 0 -1 0 8 0 °C溫度區的時間爲2 0分鐘以內的原則，來快速 冷卻成長中的單晶，則會有局部區域由於通過時間之縮短 而使流動圖案缺陷的密度開始減少。在縮短通過溫度區域 的時間時，流動圖案缺陷密度與缺陷尺寸皆下降，導致以 氧化物介電崩潰電壓特性來表示的晶片良率的提升，吾人 把該特性當作評估設備特性用的參數。因此，可以C Z法 穩定地製造矽單晶，而在結晶的整個橫切面具有極低缺陷 密度之結晶的晶片仍維持著高產率。 本發明也提供依據C Z法製造矽單晶的方法，在該法 中單晶以對應1 1 5 0 - 1 0 8 0 °C溫度分佈之單晶部份 之長度爲2 · 0 cm以下的原則成長。 本發明之發明者發現到如果對應1 1 5 0 — 1 0 8 0 °C溫度區之單晶部份之長度變成2 · 0 c m以下，即使在 以一般的拉晶速度使單晶成長的時候，也能縮短通過 1 1 5 0 — 1 0 8 0 °C溫度區的時間，則會有流動圖案缺 陷的密度開始減低的局部區域。當爲縮短通過溫度區所需 之時間起見，而減低對應該溫度區之單晶部份的長度時， 流動圖案缺陷密度與缺陷的尺寸皆減低了，使得以氧化物 介電崩潰電壓特性的形式來表示的晶片良率因而提高了。 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNsTa4規格（210X297公釐） ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 to \v 五、發明説明（4 ) 因此，當要保持高產量時，便可以穩定地製造矽單晶與晶 片，該結晶在整個結晶橫截面上擁有極低的缺陷密度。 上文所述本發明之製法中，單晶係以將上述的溫度區 快速冷卻，以及通過1 2 5 0 — 1 2 0 0 °C溫度區的時間 在2 0分鐘以內的原則，或以對應於溫度分佈1 2 5 Ο-ΐ 2 0 0 t 溫度區 之單晶 部份的 長度爲 2 · 0 c m 以下的 原則來成長。 亦即，在合宜的製造方法中，依據C Z法的製造方法 ，單晶依通過1 1 5 0 - 1 0 8 Ot溫度區的時間在2 0 分鐘以內的原則，或依單晶對應於溫度分佈1 1 5 0 -1 0 8 0 °C溫度區之部份的長度爲2 · 0 c m以下的原則 來成長，結合了依據C Z法的製法方法，即單晶依通過 1 2 5 0 — 1 2 0 0 t：溫度區的時間在2 0分鐘以內的原 則，或依對應於溫度分佈1 2 5 0 - 1 2 0 0 °C溫度區之 單晶部份的長度爲2 . 0 c m以下的原則來成長。 在將成長中的單晶快速冷卻，依通過1 2 5 0 — 1 2 0 0 t溫度區的時間在2 0分鐘以內的原則，或依對 應溫度分佈1 2 5 0 - 1 2 0 0 °C加溫區之單晶部份的長 度爲2 · 0 c m以下的原則的時候，防止了結晶缺陷核心 的生成，以使得流動圖案缺陷密度下降。同理，吾人確定 在縮短通過溫度區的時間時，或在縮短對應加溫區之單晶 部份的長度時，不僅結晶缺陷（如流動圖案缺陷）的數目 減少，這類缺陷的尺寸也會減低，而導致以氧化物介電崩 潰電壓特性的形式來表示的晶片良率上昇（見日本專利申 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ——U.----0^------1T—·----Λ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 B1 ___ 五、發明説明（5 ) 請案公告（公開）第9 一 202684號）。 因此，當把在1 2 5 0 — 1 2 0 0°C溫度區內實施快 速冷卻的方法與上述的在1 1 5 0 — 1 0 8 0°C溫度區內 實施快速冷卻的方法相結合的時候，可以更進一步降低缺 陷的密度與尺寸。 亦即，依據本方法，快速地把高加溫區及低加溫區冷 卻，以便把通過這些溫度區的時間縮短至足以預防凝結與 結晶缺陷的增長，並且可以抑制結晶缺陷核心的形成。照 這樣，兩段式快速冷卻之共同合作效應進一步降低了缺陷 (如流動圖案缺陷）之密度與尺寸，以便可以提昇以氧化 物介電崩潰電壓特性來表示的晶片良率。 本發明亦提供依據本發明之製造方法之一的方法所製 得之矽結晶。 當把上述的快速冷卻法-傳統上未實施的一應用於結 晶成長時，可降低結晶缺陷（如流動圖案缺陷）之密度及 尺寸，以便可以獲得擁有遞增的以由結晶構成的晶片之氧 化物介電崩潰電壓特性表示的晶片良率之矽單晶。 本發明進一步提供矽晶片，它的流動圖案缺陷密度最 多不超過1 0 0個缺陷/ c m 2，它的以氧化物介電崩潰電 壓特性表示的晶片良率爲8 0 %以上，並且其結晶起始的 顆粒之密度最多不超過1 〇個缺陷/ c m 2。 這樣，當矽晶片係由依據本發明之製作方法之一的方 法所製成之矽結晶所切割而成，並於隨後作鏡面磨光處理 時’吾人可製作出筒良率的晶片’而該晶片具有極低的缺 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公漦） .8 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 五、發明説明（8 ) 以氧化物介電崩潰電壓特性的方式表示的失敗率有關，所 以這些種類的缺陷全部是使氧化物介電崩潰電壓特性退化 所考慮到的因素。於是，爲了要改良依據c z法而製作的 矽單晶之氧化物介電崩潰電壓特性，我們必須要減低流動 圖案缺陷，雷射散射斷層攝影缺陷與結晶起始的顆粒。 爲了降低缺陷之尺寸，本發明之發明者首先加以硏究 。結果，發明者認爲缺陷之凝結無疑地發生於1 1 5 0 -1 0 8 0 °C溫度區內，因此如果缺陷沒有時間凝結的話， 則可以降低缺陷之尺寸；並且缺陷這種的附聚作用可以透 過縮短通過1 1 5 0 - 1 0 8 0 °C溫度區的時間來預防， 傳統上該時間被設定爲6 0分鐘以上，以便逐漸冷卻。然 而，很明顯的，通過時間的些微變化造成結晶缺陷密度的 增加，及氧化物介電崩潰電壓特性的減低。 鑒於前文所述，本發明之發明者們建立一假說。本發 明者們認爲在偵測流動圖案缺陷，雷射散射斷層攝影缺陷 與結晶起始的顆粒的時候，我們觀察不到原子級的點缺陷 ，但卻偵測到具有相對大尺寸的缺陷。亦即，偵測流動圖 案缺陷，雷射散射斷層攝影缺陷及結晶起始的顆粒或許存 在著下限。因此，如果使單晶的冷卻速度較傳統法的冷卻 速度還快藉以將缺陷之尺寸降低至某水平以下的話，流動 圖案缺陷，雷射散射斷層攝影缺陷，則結晶起始的顆粒等 之尺寸變得很小，因此所偵測到的密度會下降，並且可以 改良氧化物介電崩潰電壓特性。 爲了確認上述的假說，本發明之發明者們進行了以下 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) |裝·

、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公髮） -11 - 1222470

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（10 ) 增加了。 圖2顯示通過結晶之快速冷卻的溫度區的速度與以氧 化物介電崩潰電壓特性來表示的晶片良率之間的關係。當 通過的速度由4 mm/m i η遞增或遞減時，則晶片良率 劇烈地上升。此圖指出可以藉由提高冷卻的速度，以每一 份結晶通過1 1 5 0 - 1 0 8 0°C溫度區在2 0分鐘以內 的原則，來改良氧化物介電崩潰電壓特性。 此外，本發明者們發現到當每一份砂單晶通過 1 1 5 0 — 1 0 8 0°C溫度區的速度提高到8mm/ mi η以上時，也就是說當通過1 1 50 - 1 080 °C溫 度區的時間縮短爲1 0分鐘以下時，矽單晶內所產生的缺 陷之尺寸更進一步降低，因而可以獲得具有極佳的氧化物 介電崩潰電壓特性之矽單晶，以及流動圖案缺陷密度最多 不超過1 0 0個缺陷/ c m 2之低缺陷結晶及以氧化物介電 崩潰電壓特性表示的晶片良率爲9 0 %以上。 然而，單晶不能在等於或大於4mm/m i η或8 mm/m i η的速度下成長。在這類場合中，可把結晶成 長裝置爐之內部構造依對應於使1 1 5 0 - 1 0 8 0 t溫 度區的部份之長度爲2 · 〇cni以下的原則來g周整。如果 使對應1 1 5 0 - 1 0 8 0 °C溫度區的單晶部份之長度爲 2 · 〇cm以下的話，可把通過1 1 50 — 1 080 °C溫 度區的時間縮短爲2 0分鐘以下，即使是在普通的拉晶速 度下使單晶成長的時候。因此結晶缺陷之密度與尺寸可降 低至所需的水平。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) --呑 •13- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 五、發明説明（13 ) 1 4 2 0 °C )以上，而矽於坩鍋3 2內熔化。其次，放開 纜索7直到種晶5之頂端接觸到熔融物2中央部位的表面 ，或浸入熔融物2中央的部位。接下來，以合適的方向來 旋轉坩鍋承軸3 3。此時，旋轉並繞緊纜索7拉伸種晶5 。開始單晶的成長。然後，藉由適當的調整拉伸的速率以 及溫度，可以獲得實質圓柱狀的單晶錠1。 爲達到本發明之目的，本發明應用了以下的結構特性 。如圖3所示，拉晶室3 1中配置了環狀的固一液界面絕 緣體9，因而固-液界面絕緣體9環繞著單晶1，並且自 熔融物表面附近的點延伸至拉晶室的最高限度。除此之外 ，上部絕緣體8被配置於加熱器3 4的上方。此外，當有 需要的時候，可以把結晶冷卻設備，如未加以說明的氣體 導流圓筒配置在絕緣體的上方。冷卻用氣體從上方吹過氣 體導流圓筒以冷卻單晶1。氣體導流圓筒可包括附在整流 管下部的輻射熱反射器。 如上文所提及的，絕緣體直接配置在熔融物表面的上 方，而之間有預定的縫隙形成，而且絕緣體的構造提供成 長的單晶與絕緣體上部之間的縫隙，而該縫隙持續向上增 大。此構造提供由輻射熱造成的結晶成長界面附近的熱維 持效果。在絕緣體的上部，在特定溫度區內的冷卻是快速 有效的。除此之外，保護結晶的上部使不受加熱器等的輻 射熱影響。結果，配合控制結晶的拉晶速度來建立本發明 之製作方法的操作條件。 除了氣體導流圓筒之外，可以把氣冷導管，水冷管或 裝 訂 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1222470 Λ? ―1**11 11 - ....... . .... — - 丨一…，一一一 .·、,.， —*·— " —*-·* 一一 ~一 "—一,， | I, 五、發明説明（14 ) 類似的設備充作結晶冷卻用設備，而該設備環繞著成長中 的結晶，以便建立結晶之中所需的溫度梯度。 爲與本發明中所用的快速冷卻型拉晶裝置相比較，傳 統的逐步冷卻型矽單晶拉晶裝置係展現於圖4中，而傳統 的矽單晶拉晶裝置係展現於圖5中。它們的基本構造與本 發明中所用的快速冷卻型拉晶裝置的構造（見圖3 )相同 。然而，圖4與5中所示的裝置不同於本發明中所用的裝 置，相異處在於有無固-液界面絕緣體與加熱器上方的上 部絕緣體，以及絕緣體的位置。 實施例 下面將藉由實施例來描述本發明，而不應受其詮譯而 限制了本發明。 實施例1 : 藉使用圖3所示的結晶製作裝置3 0來拉伸矽單晶， 該裝置的爐子構造適於快速冷卻。把4 0 k g的多晶矽充 入直徑1 8英吋的石英坩鍋。直徑6英吋且< 1 〇 〇 >取 向的單晶錠依照C Z法來拉晶。 以預先調整的成長條件，通過1 1 50 - 1 〇80 °C 溫度區的時間爲1 2分鐘，1 1 5 0 _ 1 0 8 0 t溫度區 的長度爲2 · 0 cm，及通過1 1 50 — 1 08〇°c溫度 區的速度（拉晶速度）爲1 · 67mm/mi η，來拉伸 單晶錠。 ^^裝 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -17- 1222470 A7 B7 五、發明説明（15 ) (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 晶片係由如此方法獲得的單晶錠切割而得。該晶片磨 光成鏡面般，獲得單晶矽的鏡面晶片。量測如此獲得的鏡 面晶片，測定出內增長的缺陷及氧化物介電崩潰電壓特性 (C模式）。表1展現出如此測得的流動圖案缺陷，結晶 起始的顆粒，及零時介電崩潰（以氧化物介電崩潰電壓特 性來表示的晶片良率）之數値。 於氧化物薄膜厚度爲2 5 mm，量測電極爲摻入亞磷 的聚矽，電極的面積爲8 m m 2，判斷用的電流爲1 m A / c m 2的條件下量測氧化物介電崩潰電壓特性（C模 式），而且把不會在8MV/cm以下的電場中發生介電 崩潰的晶片判斷爲良好的晶片。 實施例2 : 以實施例1的條件，並使用實施例1所使用的裝置來 、拉伸單晶錠，除了把拉晶條件設定爲通過1 2 5 0 — 1200 °C溫度區的時間爲12分鐘，1250 — 1200 °C溫度區的長度爲2 · 0cm，而且通過 1 2 5 0 - 1 2 0 0°C溫度區的速度（拉晶速度）爲 1 · 6 7 m m /m i η不同以外。如此獲得的矽晶片之流 動圖案缺陷，結晶起始的顆粒，與零時介電崩潰之數値亦 顯示於表1之中。 比較例1 : 使用圖4所示之拉晶設備4 0，以1 · 1 m m / ^紙州中國國家標準（CNS )_A4規格（210X297公釐) 77〇1 ~ 1222470 Α7 Β7 五、發明説明（16 ) m i η的拉晶速度來拉伸單晶錠，該裝置的爐子構造適合 於1 1 5 0 — 1 0 8 0 t溫度區內逐漸冷卻。接著將如此 成長的單晶錠製成鏡面磨光的晶片，並以實施例1的方法 來量測。測量所得的結果亦展示於表1之中。 圖4所示的拉晶裝置4 0基本上擁有與實施例1與2 中所使用的拉晶裝置3 0相同的構造。然而，爲了要使 1 1 5 0 - 1 0 8 0 °C溫度區有效率地逐漸冷卻，把環繞 在加熱器3 4周圍的絕緣圓筒3 5向上延伸，把碳環1 1 置於其上以防止熱從結晶的表面輻射出去，因而降低了冷 卻的速度。此外，把圍繞著加熱器3 4的絕緣圓筒3 5切 去部份，成爲分開的部份1 0，而把絕緣圓筒3 5分爲上 部與下部，因而將熔點與1 2 0 0 °C之間的高溫區快速地 冷卻。與比較例2傳統的快速冷卻法相較之下，具有上述 構造的爐子可縮短通過高溫區的時間，並且加長通過 1 1 5 0 — 1 0 8 0 °C溫度區的時間。 比較例2 : 使用圖5所示具有傳統構造的拉晶裝置5 0，以 1 · 2 5 m m /m i η的拉晶速度來拉伸單晶錠。不另設 定另外的拉晶條件。在此場合中，拉晶設備中不配置冷卻 設備。接著用如此成長的單晶錠製作鏡面磨光晶片，並以 實施例1之方法加以量測。量測的結果亦展示於表1之中 -19- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適州中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1222470 A7 B7 〜〜〜 __ -〜---------------------.........— — 發明説明（17 ) 表 1 次 拉晶設備 之型式 FPD (缺陷/cm2) TZDB (%) COP(0.16/z m) (缺陷/cm2) 實施例1 1 1 50- 1080。。 快速冷卻型 大約200 大約90 大約1 0 實施例2 1250-1200〇C 快速冷卻型 大約3 大約93 大約8 比較例1 1 150-1080〇C 逐漸冷卻型 大約400 大約80 大約100 比較例2 傳統冷卻型 大約1000 大約50 大約10 --------0^ — (誚先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 本發明不侷限於以上所述的實例。以上所述的實例僅 是例子而已，而且擁有與附於後的申請專利範圍中所敘述 的構造實質相同的構造，以及提供相似的作用及效果的實 例乃包括在本發明之範圍之內。 圖之簡述 圖1是展現出通過結晶快速冷卻的溫度區之速度與製 得之晶片之流動圖案缺陷之密度之間的關係之圖； 圖2是展現出通過結晶快速冷卻的溫度區之速度與製 10 ::部中呔打^-χ;η〈 Τ,消贽合竹#印％ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -20 -

Claims (1)

1. —____________A8 B8

   1222470 々、申請專利範圍 第87 1 1 6 1 06號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國93年2月13日修正· 1 · 一種依照索氏（C ζ 〇 c h r a 1 s k i )法製作矽單晶的方 法，其中單晶係以通過2丄5 〇 — i 〇 8 〇它溫度區的時 間爲2 0分i或更少的方式成長。 2 · —'種依照索氏（Czochralski )法製作砂單晶 时方法，其中單晶係以對應溫度分佈1 1 5 〇 — 1 〇 8 〇 °C溫度區的單晶部份的長度爲2 · 〇 c m或以下的方式成 長。 3 ·如申請專利範圍第1項之製作矽單晶的方法，其 中單晶係以通過1 2 5 0 — 1 2 0 0 °C溫度區的時間爲 2 0分鐘或更少的方式成長。 4 ·如申請專利範圍第2項之製作矽單晶的方法，其 中單晶係以通過1 2 5 0 - 1 2 0 0 °C溫度區的時間爲 2 0分鐘或更少的方式成長。 5 ·如申請專利範圍第1項之製作矽單晶的方法，其 中單晶係以對應溫度分佈1 2 5 0 — 1 2 0 0 °C溫度區的 單晶部份的長度爲2 · 0 c m或以下的方式成長。 6 ·如申請專利範圍第2項之製作矽單晶的方法，其 中單晶係以對應溫度分佈1 2 5 0 — 1 2 0 0 °C溫度區的 單晶部份的長度爲2 · 0 cm或以下的方式成長。 7 · —種矽晶體，係以如申請專利範圍第1項之方法 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — " ---------Φ------、玎------ (請先閲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 1222470 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 製作的。 8 · —種矽晶體，係以如申請專利範圍第2項之方法 製作的。 9 · 一種矽晶體，係以如申請專利範圍第3項之方法 製作的。 1 0 . —種矽晶體’係以如申請專利範圍第4項之方 法製作的。 1 1 · 一種矽晶體，係以如申請專利範圍第5項之方 法製作的。 1 2 · —種矽晶體，係以如申請專利範圍第6項之方 法製作的。 1 3 · —種由如申請專利範圔第3 一 6項中任一項 之方法所製得之矽晶圓，它的流動圖案缺陷密度最高不 超過1 0 0個缺陷/cm2 ’它的以氧化物介電崩潰電壓 特性來表示的晶片良率爲8 0 %以上，而且它的結晶起始 的顆粒之密度最多不超過1 〇個缺陷/cm2。 (請先閲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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X297公釐） -2 -