TWI257962B - Single crystal silicon wafer and single crystal silicon ingot - Google Patents

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1257962 A7 B7 五、發明説明（l ) 登明背景 本發明大致係關於半導體級單晶矽之製備，用於電子組 件之製造中，特別是本發明關於單晶矽塊與晶圓，其具有 一軸向對稱區，而無凝結内在點缺陷，以及關於其製備方 法。 單晶矽係大部分半導體電子組件製造過程上之啓始材料 ，通常利用俗稱CZ〇chralski(Cz)法製備，在此方法中，聚晶 體矽（聚矽）用於坩堝且加以熔化，一晶種矽接觸於熔態矽 且一單晶體以缓慢抽拉而生長。在一頸部之生成完成後， 晶體直徑即藉由減慢拉單晶速率及/或熔化溫度以擴大，直 到取得所需或目標直徑爲止。具有大致固定直徑之晶體筒 形主體隨後藉由控制拉單晶率與熔化溫度而生長，並且補 償所減少之熔化程度。接近於生長過程末尾但是在坩堝之 熔態矽用完之前，晶體直徑需逐步減小以形成一端錐，端 錐通常係因增加拉單晶率與供至坩堝之熱而形成，當直徑 變得夠小時，晶體即脱離溶態。 經濟部中央榡準局貞工消費合作衽印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 近年來已知單晶矽中有許多缺陷會在晶體固化冷却後形 成於晶體生長室中，此缺陷有一部分係因過量（即濃度在溶 ~限度以上）之内在點缺陷存在而引起，此即習知之晶格空 位與行間充。自一熔態物生長之矽晶體一般係以過量之一 種或其他種内在點缺陷生長，即晶體格子狀之晶體空位 或矽行間充（I)。可以瞭解的是諸點缺陷在矽中之型態與初 期濃度係在固化時變成固定，且係由v/G〇比率控制，v爲生 長速度而G〇爲固化時在晶體中之瞬間軸向溫度梯度。參閲 -4- 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 1257962 A7 --—-_B7 五、發明説明（2) --- 圖1，爲了增加v/Gg値，一自減低性行間充爲主生長至增 加性晶格空位爲主生長之過渡即發生在接近於V/G。臨界値 處，此値係依大約2·1Χ 10-5cm2/SK處之資料而得。在臨界値 時’諸内在點缺陷之濃度係在平衡狀態。 v/G〇値超過臨界値時，晶格空位之濃度增加，同樣，當 V/G。値在臨界値以下時，則行間充之濃度將增加。若濃度 達到系統中之一臨界超飽和度且點缺陷之移動性相當高， 貝J 反應或一凝結現象將易於發生，石夕中之凝結内在點缺 陷在複雜且高積體電路製造中嚴重衝擊到材料之生產量。 晶格空位型缺陷公認爲此可見式晶體缺陷之原始，如D 形缺陷、流線形缺陷（FPDs)、閘氧化體（G〇I)缺陷、晶體原 始粒子（cop)缺陷、晶體原始光點缺陷（LPDs)、以及可由 紅外線散射技術觀察到之特定級大型缺陷，如利用掃描紅 外線顯微鏡與雷射掃描攝影。過量晶格空位之區域中亦存 在核狀缺陷，成爲環氧化謗發堆疊錯誤（〇ISF)。經推測， 此特殊之缺陷係因過量晶格空位存在而催化之高溫核化氧 凝結。 相關於行間充之缺陷較少研究，其通常視爲行間充錯位 環或網路之密度，此缺陷並無關於閘氧化體失效，即一項 重要之晶圓性能準據，但是其廣爲認定係其他裝置失效之 原因，一般係關於漏電問題。 此存在於Czochralski矽中之晶格空位與行間充凝結缺陷 之密度一般範圍大約爲1 * 103/cm 3至1 * 107/cm 3，諸値雖然較 低，但是凝結之内在點缺陷在裝置製造時係快速增加，事 _5一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1257962 經濟部中央標準局—工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3 ) 只上現在已成爲裝置製程中之產量限制因素。 目則主要有二種方式可處理凝結内在點缺陷之問題，第 万式包括針對拉單晶技藝之方法，用於減低錠塊中之凝 α内在點缺陷 < 密度。此方法可進一步細分爲若干方法， 即具有拉單晶條件之方法，其造成晶格空位爲主材料之生 成，以及具有拉單晶條件之方法，其造成行間充爲主材料 之生成。、例如，經建議則凝結缺陷之密度可由以下方法減 低·（1)控制v/Gg以生長出一晶體，其格子狀之晶格空位主 要馬内在點缺陷，及（ϋ)藉由改變（通常爲減缓）拉單晶過程 期間石夕塊自大約ucurcn㈣。c之冷却速率，以利影響凝 結缺陷之核成型速率。本方式雖可減少凝結缺陷之密度， 但疋我法避免其生成，由於裝置製造者之要求越來越嚴格 ’诸缺陷之存在將繼續成爲一大問題。 甚他方法亦建議在晶體主體生長期間減緩拉單晶率至大 約〇.4mm/min以下，惟，此項建議亦不合適，因爲緩慢之拉 單晶率會導致各種單晶機減產，較重要的是，此拉單晶率 會導致具有一高濃度行間充之單晶矽生成，再因此高濃度 造成凝結行間充缺陷之生成與相關於此缺陷之所有衍生問 題。 ° 第二種方式處理凝結内在點缺陷之問題時係包括針對凝 結内在點缺陷生成後之溶解或消減方法，大體上其係利用 日曰圓狀石夕之咼溫熱處理而達成，例如Fuseg㈣a等人提出之 歐洲專利申請案503,816 A1等所示，矽塊以超過〇 8 之生長率生長，並且以1150。(：至128(rc溫度範圍將錠塊裁 ~6~ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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切下來之晶圓做熱處理，以減低接近晶圓表面薄區中之缺 陷密度。所需之特定處理係依據晶圓中之凝結内在點缺陷 /辰度與位置而定，自一晶體切下之不同晶圓並無均勻之抽 向缺陷濃度，因此需要不同之後生長處理條件。此外，此 晶圓熱處理較爲筇貴，可能使金屬污物進入矽晶圓，且對 所有之晶體缺陷並無適用效果。 第一種方式在處理凝結内在點缺陷之問題時係做單晶矽 曰圓表面上之薄石夕晶層外延式沉積，此方法提供之單晶珍 係具有一大致無凝結内在點缺陷之表面。惟，外延式沉積 會增加晶圓之成本。 由諸發展以觀，有必要使用一種單晶矽之製備方法，用 於防止凝結内在點缺陷之生成，其藉由抑制製造時之凝結 反應而成，其並非簡單地限制此缺陷之形成率或在其形成 後才試以消除一些缺陷。抑制凝結反應之方法可產生一矽 材八大致上無疑結内在點缺陷，此方法亦提供單晶碎 晶圓具有增加之產量，其利用每晶圓需要之數個積體電路 即可，而無外延製程之相關高成本。 鲤濟部中央#準局員工消贽合作社印製 鳘明概述 本發明之目的中，緣是以提供一種錠塊狀或晶圓狀之單 晶矽，其具有—大致徑向寬度之軸向對稱區，大致上不具 有晶格空位或矽行間充凝結生成之缺陷；及提供一種製備 單晶矽塊之方法，纟中晶格空位與行間充之濃度係經控制 ，以防止當錠塊自固化溫度冷却時内在點缺陷在錠塊固定 直徑段之一軸向對稱段内凝結。 _ 7- 本纸張尺度適用中酬家標準（CNS ) M規格（21GX297公们 1257962 A7 、---------- B7 五、發明説明（5 ) —"—' 因此，簡言之，本發明係指一種單晶矽晶圓，具有一中 心軸線、一前側與一後側且皆大致垂直於軸線、一環側緣 、及一自晶圓中心軸線延伸至環侧緣之半徑，晶圓包含_ 軸向對稱區，其大致無凝結内在點缺陷，一軸向對稱區， 其大致無凝結内在點缺陷，軸向對稱區係自晶圓之環側緣 呈徑向向内延伸且具有一寬度，係自環側緣呈徑向朝向中 心軸線測量而得，其至少大約爲晶圓半徑長度之4〇0/〇。 本發明另指一種單晶；?夕塊，具有一中心軸線、一晶種錐 、一端錐、及一位於晶種錐與端錐之間之固定直徑段，固 定直徑段具有一環側緣及一自中心軸線延伸至環側緣之半 控’單晶矽塊之特徵在於，當錠塊生長且自固化溫度冷却 後’固定直徑段即含有一大致上無凝結内在點缺陷之軸向 對稱區，其中軸向對稱區係自錠塊之一環側緣呈向徑向向 内延伸且具有一寬度，係自環側緣呈徑向朝向錠塊中心轴 線測量而得，其至少大約爲固定直徑段半徑長度之3〇〇/〇， 及具有一長度，係沿中心軸線測量而得，至少大約爲鍵塊 固定直徑段長度之20%。 本發明又指一種生長一單晶矽塊之方法，其中錠塊包含 一中心軸線、一晶種錐、一端錐、及一位於晶種錐與端錐 之間之固定直徑段，固定直徑段具有一環侧緣及一自中心 軸線延伸至環側緣之半徑，錠塊係自熔態矽生長且依 Czochral方法而自固化溫度冷却，該方法包含以下步驟： 在晶體固定直徑段生長期間，控制一生長速度v及一瞬間 軸向溫度梯度Gg，以造成一軸向對稱段生成，其中當錠塊 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I- T 、-5 輕濟部中央榡隼局員H、消贽合作社印製 1257962 五 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 A7 B7 、發明説明（ 自固化溫度冷却時，大致上無凝結内在點缺陷，其中軸向 對稱區係自錠塊係自環側緣徑向向内延伸，具有一寬度， 係自環側緣呈徑向朝向錠塊中心軸線測量而得，其至少大 約爲錠塊半徑長度之3〇%，及具有一長度，係沿中心軸線 測量而得，其至少大約爲錠塊固定直徑段長度之。 本發明之其他目的與特性可在文後明瞭與指明。 單説明 3 1係圖表，揭示行間充與晶格空位之初期濃度⑴、[V] 何卩过著比率v/G。之値增加而變化之範例，v係生長率及〇 係瞬間軸向溫度梯度。 、圖2係一圖表，揭示凝結行間充缺陷生成所需自由能量中 又變化△ &如何隨著行間充即定初期濃度⑴之溫度τ而變化 之範例。 圖3係一圖表，其揭示凝結行間充缺陷生成所需自由能量 中之變化△ 如何透過徑向擴散而減低（溫度τ降低），造 成行間充濃度[I]之抑制之範例。實線説明無徑向擴散之例 子’而虛線包括擴散效應。 、圖4係一圖表，揭示凝結行間充缺陷生成所需自由能量中 之變化△ &如何透過徑向擴散而充份減低（溫度τ降低）， 造成行間充濃度[I]之抑制之範例，以防止一凝結反應。實 線説明無徑向擴散之例子，而虛線包括擴散效應。 圖5係圖表，揭示行間充與晶格空位之初期濃度[巧、[V] 如何在v / G 〇値因G 〇値增加而下降時沿著一錠塊或晶圓半徑 變化。應注意在v/I邊界處，一過渡現象發生自晶格空位爲 —9一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1257962 ------ A7 五、發明説明（ 王材料至行間充爲主材料。 圖6係一單晶矽塊或晶之頂 V盘^ 、 ，、視圖，分別揭示晶格空位區 V與仃間充區I爲主材料，以 打以及存在於其間之V/I邊界。 圖7a係一圖表，揭示晶格 s ^ π、 4次仃間无 < 初期濃度如何 因订間无之徑向擴散而變化做 — 欠,ϋ 1又馬钇向位置I函數之範例。 "办揭示此擴散如何令V η邊展上 #、、 4 v V/i逯界位置移近於錠塊中心（因晶 it位與行間充再次併合所 m 所玟）以及如何抑制行間充濃度 UJ 0 圖7b係做爲徑向位置函數之圖表，揭示行間充濃度 [私抑制（如圖7a所示）如何充分保持各處之π成爲一値 之範例，即小於矽行間充反應發生時之臨界値。 圖7c係一圖表’揭示晶格空位或行間充之初期濃度如何 變化做爲行間充徑向擴散所致徑向位置之另一範例。注意 相較於圖7a，此擴散使V/][邊界位置接近錠塊中心（因爲晶 格空位與行間充再次併合），造成V/I邊界外側區域中之行 間充濃度增加。 圖7d係做爲徑向位置函數之圖表，揭示行間充濃度 [I]之抑制（如圖7c)如何未充份保持各處之成爲一値之 範例，即小於矽行間充反應發生時之臨界値。 圖7e係一圖表’揭示晶格空位或行間充之初期濃度如何 因行間充徑向擴散而變化成爲徑向位置之函數之另一範例 。注意相較於圖7a，所增加之擴散造成更加抑制行間充濃 度。 圖7f係△ 做爲徑向位置函數之圖表，揭示行間充濃度 一10- 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) -訂 經濟部中央標卒局眞工消费合作社印f A7 B7 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 1257962 五、發明説明（8 ) 足更加抑制（如圖7e)如何造 、 风Δ Gi <較大抑制度之範例， 係相較於圖7b。 圖7g係一圖表’揭示晶格空 .m , 工红或仃間无初期濃度變化如 何::亍間充之徑向擴散成爲後向位置之函數之另-範例。 >王==_，所增加之擴散造成更加抑制行間充濃度。 、^係AGl做爲徑向位^數之圖表，揭示行間充濃度 <更加抑制（如圖7g)如何造，Λ 成△ Gi炙較大抑制度之範例， 係相較於圖7d。 圖7i係-圖表，揭示晶格空位或行間充初期濃度如何因行 間无徑向擴散而做爲徑向位置函數之m μ此範 例中有足量之行間充再次併人曰 、 计人1汗口印格^位，因此不再有晶格 it位爲主區域。 圖係Δ&做爲徑向位置函數之圖表，揭示行間充徑向 擴散（如圖71)如何充份保持沿晶體半徑各處抑制凝結行間充 缺陷之範例。 圖8係-單晶石夕塊之縱向橫截面圖，詳示疑塊之—固定直 徑段之一軸向對稱區。 圖9係-單晶石夕塊固定直徑段一小段之縱向橫截面圖，詳 細揭示一軸向對稱區寬度中之軸向變化。 圖10係一單晶矽塊固定直徑段一小段之縱向橫截面圖， 其具有抽向對稱區之寬度且小於錠塊半徑，詳細揭示此區 進一步包含一大致筒形之晶格空位爲主材料區。 圖11係圖10所示軸向對稱區之橫向截面圖。 圖12係一單晶石夕塊固定直徑段一小段之縱向橫截面圖， -11- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2I〇X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂 .1 I I 二·. 1257962 A7 B7 五、發明説明（9 ) 八具有軸向對稱區之寬度且等於錠塊半徑，詳細揭示此區 爲一大致無凝結内在點缺陷之筒形行間充爲主材料區。 圖13係在一系列氧沉澱熱處理後掃描一錠塊軸向切片少 數載體壽命所生之影像，詳示一大致筒形之晶格空位爲主 材料區，一大致環形之行間充爲主材料之軸向對稱區、存 在於其間之v/l邊界、及一凝結行間充缺陷區。 圖14係以拉單晶率（即晶種上昇）爲晶體長度函數之圖表 ’揭示拉單晶率如何在晶體之一段長度上呈直線下降。 圖15係在一系列氧沉澱熱處理後掃描一錠塊軸向切片少 數載體壽命所生之影像，如範例1所述。 圖16係以拉單晶率爲四故單晶矽塊各別晶體長度函數之 圖表，矽塊分別以1β4標示，用於產生一曲線v*(z)，如範 例1所述。 圖17係在熔態/固態介面處之平均軸向溫度梯度gq做爲徑 向位置之函數之圖表，用於範例2所述之二個不同例子。 圖18係晶格空位或行間充初期濃度[V]、[I]做爲徑向位 置之函數之圖表，用於範例2所述之二個不同例子。 經濟部中央標準局员工消费合作衽印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖19係以溫度爲軸向位置函數之圖表，揭示用於範例3 所述二個不同例子之錠塊中軸向溫度輪廓。 圖20係圖12所示二種冷却條件所生成且範例3詳述之行 間充濃度圖表。 Θ 21係在系列氧沉澱熱處理後掃描整個鍵塊抽向切片 少數載體壽命所生之影像，如範例4所述。 铁·倖免里复^説明 -12- 1257962 經漪部中央標準局邑< 工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（10) ~~— 本文所用之以下措辭或語句係具有既定之意旨：「凝結内 在點缺陷」係指缺陷來自於（i)晶格空位凝結而產生D形缺 陷、流線形缺陷、閘氧化積體缺陷、晶體原始粒子缺陷、 晶體原始光點缺陷、及其他此類晶格空位相關缺陷之反應 ，或（11)行間充减結而產生錯位環與網絡、及其他此類行間 充相關缺陷之反應；「凝結行間充缺陷」係指凝結之内在 點缺陷來自於秒行間充原子凝結之反應；「凝結晶格空位 缺陷」係指凝結晶格空位點缺陷由晶格空位凝結之反應產 生，「半徑」係指自一晶圓或錠塊之中心軸線至一環側緣 所測得之距離；「大致無凝結内在點缺陷」係指一小於諸 缺陷偵測限制之凝結缺陷濃度，大約爲103缺陷/公分3; 「 v/I邊界」係指沿著一錠塊或晶圓半徑之位置，在此處材料 即由晶格空位爲主」變爲行間充爲主；及「晶格空位爲主 」與「行間充爲主」係指内在點缺陷主要分別爲晶格空位 或行間充。 依本發明所示，經發現矽基質内之晶格空位反應產生凝 結晶格空位缺陷之反應以及矽基質内之行間充反應產生凝 結行間充缺陷之反應皆可抑制，在不限於任意之特定原理 下’相信晶格空位與行間充之濃度可在本發明製程中之晶 塊生長與冷却期間加以控制’使得系統之自由能量中之變 化不致超出一臨界値，臨界値即凝結反應自然發生而產生 凝結晶格空位或行間充缺陷時之値。 大體上，可驅動反應使凝結晶格空位缺陷由晶格空位點 缺陷形成或凝結行間充缺陷由單晶矽内行間充原子形成之 一 13- 本纸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}

經濟部中央標準局貝工消費合作社印¾ 1257962 A7 _________B7 五、發明説明（11 ) ~~ ~ ' '----〜. 系統自由能量中之變化係由程式⑴導出·· ί \ AGX = k T In AIL (I) meq) 其中 係自由能量中之變化， k係波茲曼常數， T係溫度，單位爲κ， ⑴係行間充在單晶㈣之空間與時間中—點處之 ，及 又 [I]eq係行間充在發生且溫度T妝能 A、曰t L J /孤反丄狀怨下，在空間與時間 中相同點處之平衡濃度。 4 依此程式’以一定之石夕行間弇洁 心< /仃间无/辰度[1；]而1，溫度降低 Τ即因[I卜隨溫度銳降而大致造成AGi增加。 -里 圖2係簡示用於一自固化溫度冷却之錠塊之矽行間充之 與濃度變化，而不使用某些裝置以抑料行間充之濃 度。當錠塊冷却時，即因[η增加超飽和而依程式⑴增 大，且用於凝結行間充缺陷生成之能量阻隔物即接近達成 ，而當冷却持續時，此能量阻隔物實際上已超量，在此點 處=發生-反應，此反應造成凝結行間充缺陷之生成以及 伴隧之△ G:減低，而超飽和系統係在釋放狀態。 行間充之凝結可在錠塊自固化溫度冷却時避免之，且藉 由保持行間充系統之自由能量爲小於凝結反應發生時之値 而達成。易言之，系統可經控制以利於不致在晶格空位或 订間充中呈臨界式超飽和。此可藉由建立晶格空位與行間 -14- 本紙張尺度適用中A4規格（210><了97公楚j-------

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本百C ^衣------^訂一---- 1257962 經濟部中央標準局眞工消f合作社印^ A7 B7 五、發明説明（12 ) 充之初期濃度而達成，使其相當地低而不致達到臨界式之 超飽和。惟，實施時此濃度係難以在跨越整個晶體半捏時 達成，因此，大體上危險之超飽和現象可因抑制晶體固化 後之初期晶格空位濃度與初期行間充濃度而避免。 圖3、4簡示當圖2之錠塊自固化溫度冷卻時，在辦 加而抑制[I]之可能效果。圖3中，[η之抑制會造成 加率降低，但是在此例中之抑制係不足以在各處保持 至一値，此値即小於發生反應時之臨界値，結果，抑制僅 用來降低發生反應時之溫度。圖4中，⑴之增加抑制足以 在各處保持叫至-値，此値即小於發生反應時之臨界値 。因此，抑制可避免瑕疵生成。 令人訝異的是，經發現由於較大行間充移動率，其可在 較大距離上達成行間充之抑制，利用行間充在晶體表面之 徑向擴散下沉或在晶體内之晶格空位爲主區域，徑向擴散 可有效地用於抑制行間充之濃度，但需假定有足夠時間可 容許内在點缺陷之初期濃度做徑向擴散。大體上，擴散時 間係取決於行間充之初期濃度中之握向變化，較少之徑向 變化則需較短之擴散時間。 通常平均轴向溫度梯μ。係以單晶砂所增加半徑之函數 而增加，其依據Cz〇chraIski法而成長，此意指wg。値在跨 越一叙塊之半徑時並非單―，此變化之結果爲内在點之型 ==度並不恒定。若圖5及6所示-邊界2所指之 界値沿著鍵槐半徑4到達某些點時，材料即由晶格 咖王而轉變爲行間充爲主。此外，鍵塊將含有行間充 -15 - (210x297公釐）

經濟部中央標準局月工消f合作社印裂 1257962 五、發明説明（l3) 爲主之材料6之一軸向 ^ , 于％ E (其中矽行間充原子之初期濃 度係以增大半徑之函數 狀 材料s夕士钤铃 曰加），即圍繞於晶格空位爲主之 ^ ? ^ ^ ^ I、中叩格空位之初期濃度係以增大 半徑t函數而增加）。 圖7a、7b簡示依本發明一奋 月貝例，當錠塊自固化溫度冷却 時’ △ Gj增大而抑制[丁 1 > 口 L ]<效果。當錠塊依Czochralski方法 單卵時錠龙即含有一行間充爲主材料之轴向對稱區， 係自鉸塊之邊緣延伸至沿著半徑以發生Μ邊界之位置， 以及含有-大致筒形之晶格空位爲主材料之區域，係自鍵 塊中心延伸至沿著半徑以發生ν/ι邊界之位置。當鍵塊自 固化溫度冷却時，行間充原子之徑向擴散會因爲行間充與 印格工位之再/人併合以及V/I邊界外側之行間充濃度顯著 抑制，致使V/I邊界内發生一徑向向内之變移。此外，⑴ 之抑制係足以保持AGi在各處皆等於一値，該値小於發生 矽行間充反應時之臨界値。 請即參閲圖8、9，在本發明製程中，一單晶矽塊1〇係依 Czochralski方法而生長，矽塊包含一中心軸線12、一晶種v 、錐14、一端錐16及一設於晶種錐與端錐之間之固定直徑段 18 ’固定直徑段具有一環側緣20及一自中心軸線延伸至環 側緣之半徑4。製程包含··在錠塊之固定直徑段生長期間， 控制晶體之生長速度v及瞬間軸向溫度梯度G。，以令—幸由 向對稱區6生成，當鍵塊自固化溫度冷却時，該區係大致無 凝結内在點缺陷。 生長條件最好係經控制以保持V/I邊界2在一位置，即車由 -16- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

丨1T J#T. !257962 鲮濟·部中央榡丰局舅H·消費合作衽印製 A7 B7 五、發明説明（14 ) 向對稱區6體積相對於錠塊10固定直徑段18體積而呈最大値 之處’因此，軸向對稱區最好具有一寬度22(自錠塊之環側 緣呈徑向朝向中心軸線而測得）及一長度24(沿錠塊之中心 軸線測得），分別等於錠塊固定直徑段之半徑4與長度26。 惟’實際上之操作條件與拉單晶機硬體限制會使軸向對稱 區佔據一小比例之錠塊固定直徑段。因此，大體上軸向對 稱區最好具有一寬度且至少大約爲錠塊固定直徑段半徑之 30% ’較佳爲40%，理想爲60%，及最理想爲80%。此外， 軸向對稱區延伸超過至少大約爲錠塊固定直徑段長度之 20% ’較佳爲40%，理想爲60%，最理想爲80%。 參閱圖9，軸向對稱區6之寬度22可沿中心軸線12之長度 而具有一些變化，因此，以一既定長度之軸向對稱區而言 ，寬度係由測量錠塊1〇環側緣20徑向趨向最遠於中心軸線 之一點處之距離而決定，易言之，測得之寬度22可使軸向 對稱區6既定長度24内之最小距離得以決定。 请即參閱圖10、11，當錠塊10之固定直徑段18之軸向對 稱區6具有一寬度22且小於固定直徑段之半徑4時，錠塊係 概呈環形，一依中心軸線12而定於中央之晶格空位爲主材 料大致筒形區係設於環形小段之徑向朝内處。參閱圖^ ’可以瞭解到當軸向對稱區6之寬度22等於固定直徑段18之 半徑4時，此區域並不含有此晶格空位爲主之區域，反之， 軸向對稱區本身概呈筒形且含有行間充爲主材料，大致上 無凝結内在點缺陷。 雖然通常晶體生長條件最好可經控制以取得最大之行間 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁j

經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 1257962 A7 A7 B7 五、發明説明（l5) 充爲主區域寬度，但是對於一既定拉單晶機之熱區設計仍 有限制。當V/I邊界移近於晶體中心轴線時，假設冷却條 件與Gg(0不變，G0(r)係％之捏向變化，則所需之最小量 徑向擴散將增加。在此狀況下，會有一最小之晶格空位爲 主區半徑，其需利用徑向擴散以抑制凝結行間充缺陷之生 成。 圖7c、7d簡示晶格空位爲主區之最小半徑超過時之範例 ，此例中之冷却條件及G〇 (r)相同於圖7a、几之晶體所使用 者，其中有足夠之向外擴散以避免所示V/I邊界位置之凝 結行間充缺陷。圖7c、7d中，V/I邊界之位置移近於中心軸 線（相對於圖7a、7b)，造成V/I邊界外側區域中之行間充濃 度增加，結果，需要有較多之徑向擴散以充分抑制行間充 濃度。若無法取得充分之外擴散，系統將增加至臨界 値以外且產生凝結行間充缺陷之反應將發生，即在ν/ι邊 界與晶體邊緣（間之環形區域中產生諸缺陷之一區域。發 生時之V/I邊界半徑係用於既定熱區之最小半徑，此最小 半徑在谷許較多之行間充徑向擴散時即減低。 圖7e、7f、7g、7h説明一增加徑向外擴散在行間充濃度 輪廓上之效應，以及用於一晶體生長且具有相同於圖〜、 7b、7c、7d所示晶體初期晶格空位與行間充濃度輪廊之系 統叫之上昇。if大之行間充徑向擴散造成一車交大之行間 充濃度抑制，因而亦抑制系統叫中之上昇至一大於圖以 、7b、7e、㈣示者之程度’此例中之系統叫並未超過 ’以用於V/I邊界之較小半徑。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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1257962 A7 ________B7 五、發明説明（16) " 圖7i、7j説明一範例，其中容許充份之徑向擴散，使最 小之半位可因確走之充份杈向擴散而減至零，以利取得沿 晶體半徑各處之凝結行間充缺陷之抑制。 在本發明製私之一較佳實例中，矽行間充原子之初期濃 度係控制在錠塊之軸向對稱、行間充爲主區域中，復參閱 圖1，大體上矽行間充原子之初期濃度係藉由控制晶體生長 速度V及瞬間軸向溫度梯度G〇而控制，使v/G。比率値較接 近於此比率之臨界値，即V/I邊界發生處。此外，瞬間軸 向溫度梯度G。可建立，以使G〇(以及v/Gq)之變化成爲錠塊 半徑函數者亦得以控制。 生長速度v及瞬間軸向溫度梯度％經由控制而使。比 値範圍在大約0.5至2.5倍之v/(V臨界値（即依WG❹臨界値資 料所取知 I 大約 1 X l〇-5cm 2/sKi 5 x 1〇_5cm 2/sK)，。比値 最好爲大約0.6至1·5倍之v/Gg臨界値（即依v/G。臨界値資料 所取得之大約1·3χ 10-5cmVsK^3x 1〇_5cm2/sK)，最理想的是 v/Gq比値範圍大約爲〇 75至125倍之v/G〇臨界値（即依v/g。 臨界値資料所取得之大約丨6 χ 2/sK至2」χ价km 2々κ) 經濟部中央標準局员工消贽合作社印製 。诸比率係藉由各別獨立地控制生長速度v及瞬間軸向溫 度梯度GQ而取得。 目拜間軸向溫度梯度GQ之控制大致可由晶體拉單晶機之「 熱區」設計而達成，即製成加熱器、絕熱器、熱與放熱罩 、其他物件等 < 石墨（或其他材料），雖然設計係特別依晶 月且拉單w機之製作與模型而變化，大體上仍可利用習知 技術中用以控制熔態/固態介面間熱傳導之任意裝置而控 -19- 1257962 經濟部中央標準局月工消f合作社印製 Μ 五、發明説明（17) ’包括反射器、放熱罩、洗滌管、光管、及加熱器。大體 而口 G。中之徑向變化可利用定位此一裝置於溶態/固態介 面上方大約一個晶體直徑内而大幅減小，G〇另可利用調整 裝置相對於溶悲物與晶體之位置而控制，此係因調整裝置 在熱區中之位置或調整熔態表面在熱區中之位置而達成。 諸万法之任一或所有者皆可在一批次Czochralski製程期間 使用’其中溶態物體積在製程期間係完全排出。 對本發明之某些實例而言，瞬間軸向溫度梯度G。最好較 爲疋’且爲錠塊直徑之函數，惟，應注意的是由於熱區 汉计中之改良可供G〇變動最少，因此相關於一固定生長率 之機械性項目即漸增爲一重要因素，此係因爲生長過程逐 漸極敏感於拉單晶率中之任意變化，再由此直接影響生長 率V。藉由製程控制，其即指有利於使&値不同於錠塊之 半徑，惟，G〇値中之顯著差異會造成大致朝向晶圓邊緣增 加之行間充孝父大濃度，藉以增加難度於避免凝結内在點缺 陷之生成上。 由前文以觀，G。之控制牽涉到減少G〇中之徑向變化與取 得有利製程控制條件之間平衡，因此，通常在大约一直徑 I晶體長度後，拉單晶率範圍大約爲〇 2至〇·8 ，拉 單晶率較佳爲〇·25至0.6 mm/min，理想爲大約〇 3至〇 $ mm^nin。應注意的是，拉單晶率係取決於晶體直徑與晶體 拉單晶機設計二者，前述之範圍一般係用於200 mm直徑晶 體。一般而言，拉單晶率將隨著晶體直徑增加而減小。 仃間充之擴散量係在錠塊自固化溫度（大約141〇。〇)冷却 -20- 本纸張尺度適用中"iiii^^y^^(2i〇x297公慶）----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) &衣 、-口 1257962 經濟部中央標準局t只工消费合作社印繁 A7 B7 五、發明説明（is) 至石夕行間充無法移動時之溫度下，藉由控制冷却率而控制 之’石夕行間充在接近於矽之固化溫度時較具移動性，即大 約l410°c，惟，此移動性會隨著單晶矽塊之溫度下降而下 降。依現有建議實驗證明，行間充之擴散缓慢至一相當程 度’使其在700T以下之一般實施時間無法移動，且甚至在 800°C、900°C、l〇〇〇°C 亦然。 在行間充似可移動之溫度範圍内，以及依據熱區中之溫 度，冷却率大致爲〇.2至2X： /min，較佳爲0.2至1.5°C /min， 理想爲0.2至1°C/min。冷却率之控制可利用先前技藝減低熱 傳導I任意裝置而達成，包括使用絕熱器、加熱器及放熱 罩。 如則所7F ’晶格空位爲主區域之一最小半徑係存在以利 達成凝結行間充缺陷之抑制，最小半徑値取決於v/GQ (r)及 冷却率’由於晶體拉單晶機與熱區之設計會改變，因此上 述用於v/GQ(r)之範圍、拉單晶率、及冷却率亦將改變，同 樣地’諸條件也可能沿著一生長晶體之長度而改變。如上 所示’典凝結性行間充缺陷之行間充爲主區域之寬度最好 爲最大値’因此必須保持此區域之寬度爲一盡量接近且不 超過晶體半徑與一既有晶體拉單晶機内沿生長晶體長度之 晶格空位爲主區域最小半徑之間差異之値。 軸向對稱區6、9之理想寬度及用於已知晶體拉單晶機熱 區设计之所需理想晶體拉單晶率輪廓可依實驗決定，大體 而口 此見驗方式係關於先在軸向溫度輪靡上取得徑向可 用資料，以用於在一特定晶體拉單晶機内生長之錠塊，以 一 21- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS ) A4規格（2ΐ〇χ 297公麓） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

1257962 A7 B7 經濟部中央標準局賀工消費合作社印製 i、發明説明（19) 及取得在平均軸向溫度梯度中之徑向變化，以用於在相同 拉單晶機内生長之錠塊。總言之，此資料係用於拉單晶一 或多牧單晶矽塊，然後分析凝結性行間充缺陷之存在，依 此，一理想之拉單晶率輪廓即可確定。 圖13係在一系列氧沉澱熱處理以發現缺陷分佈圖形後， 掃描一 2〇0腿直徑錠塊一段之軸向切片少數載體壽命所產 生之影像，其説明一範圍，其中一近乎理想之拉單晶率輪 廓係用於一已知之晶體拉單晶機熱區設計。在此範例中， 一過渡現象發生至一行間充爲主區域最大寬度超出時之 v/G〇 (r)値，造成凝結行間充缺陷區域28之生成，其來自一 軸向對稱區具有最大寬度之理想v/Gq⑴値。 除了增大G。於錠塊半徑上所生成v/Gq之徑向變化外， v/G〇亦可因v變化而在軸向變化，或因Cz〇chralski製程所 生之G。自然變化。以一標準之Cz〇chralski製程而言，v係 隨著拉單晶率在生長循環中調整而改變，以利保持錠塊爲 一固定直徑，拉單晶率中之諸此調整或變化再由此使wg。 在錠塊固定直徑段之長度上變化。依本發明之製程所示，° 拉單晶率因而可做控制，以利加大錠塊之固定直徑段寬度 ，惟，其結果是發生錠塊半徑之變化。爲了確使生成之錠 塊具有一固定直徑，因此錠塊最好生長至大於所需之長徑 ，錠塊隨後進行標準製程，以自表面去除多餘材料，藉此 使錠塊具有一固定直徑段。 對於一依本發明製程製備且具有一 V/I邊界之錠塊而言， 即一含有晶格空位爲主材料之錠塊，依經驗顯示以低氧含 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

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1257962 A7 ------------B7 五、發明説明（20) -- 量之材料爲佳，即低於大約13ppMA(依astm標準F_i2i-83 所指每百萬原子之份量），較佳的是單晶石夕含有Η p麗以 下又氧，較理想是n pPMA以下，最理想是i〇ppMA以下， 此係因爲在中至高氧含量之晶圓中，即14至18 PPMA者， V/I邊界内侧之氧謗發堆疊錯誤生成與增進氧群集帶漸爲重 要，其在已知之積體電路製程中各爲一潛在之問題源。 加強式氧群集之效應可進一步利用二種方法降低之，單 獨或併泛使用自可，氧、沉殿核心、一般會形成退火溫度大約 3 50 C至750 C之矽’因此’對某些應用上而言，最好晶體 爲一「短」晶體，亦即一晶體已在Czochralski製程中生長 ，直到晶種端已自矽之熔點（大约141〇。〇)冷却至大約75〇。〇 ，其後錠塊即迅速冷却。依此方式，花費在對核心生成上 十分重要之溫度範圍之時間係保持在最小値，且氧沉澱核 心具有不適切之時間形成於晶體拉單晶機内。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印¾ 惟’在單晶生長期間所形成之氧沉澱核心最好利用退火 單晶硬而落解’假設其尚未進行一穩定之熱處理，則氧沉 澱核心可藉由快速加熱矽至至少大約87yc而將矽退火，且 最好持續昇溫至至少l〇〇〇°C、至少1000°c、或更高。在矽 到達1000°C以前，大致上所有（例如99%以上）之諸此缺陷已 退火’重要的是晶圓係快速加熱至諸溫度，即溫度昇高率 至少每分鐘大約l〇°C且最好每分鐘至少大約50。(：，否則部 分或所有之氧沉澱核心會利用熱處理而呈穩定。平衡似乎 在較短之時間周期内到達，即大約1分鐘，據此，單晶矽中 之氧沉澱核心可藉由退火至至少大約875°C而溶解，其周期 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2ΐ〇χ 297公釐） 1257962 Μ满部中决標準局負工消費合作社印¾ A7 B7 五、發明説明（21) ~~~ 至少大約30秒，且理想爲至少大約10分鐘。溶解可在—般 之烤爐中或在一快速熱退火（RTA)系統中實施，此外，溶解 可在晶塊或晶圓上實施，而較佳爲晶圓。 雖然行間充凝結反應發生時之溫度在理論上可爲廣範圍 之溫度，但是實際上此範圍對於一般Cz〇chralski生長秒而 石似乎較窄，此係依Czochralski方法生長所取之碎中之初 期行間充濃度範圍較窄之結果。因此，大體上一行間充凝 結反應若在大約1 l〇〇°C至800°C溫度範圍即會發生。 如以下之範例所示，本發明係提供一種製備一單矽晶塊 I方法，當錠塊依Czochralski方法而自固化溫度冷却時， 内在點缺陷之凝結可避免發生於供裁切成晶圓之錠塊固定 直徑段之軸向對稱區内。 以下範例即載明一組可用於達成所需結果之條件，另有 方干方式可用於決定一既有晶體拉單晶機之理想拉單晶率 輪廊，例如不同於以多種拉單晶率生長一系列錠塊的是， 單曰EI體可利用沿著晶體長度而增減之拉單晶率生長。在 此方式中，凝結之行間充缺陷在單晶體生長期間會出現與 消失多次，然後即可在多個不同之晶體位置上決定最佳之 扭單晶率，據此，以下範例並非自我設限之型式。 範例1 用於一具有預設熱區設計之拉單晶機 之最佳程序 一第一 200 mm單晶矽塊係在以下條件下生長，即拉單晶 率在晶體長度上自大約〇·75 mm/min呈斜線至〇·35 mm/min， -24- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） !— 衣—丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-------- 經濟部中央標準局賀工消费合作社印¾ 1257962 “ A7 ^ B7 五、發明説明（22) 圖14揭示拉單晶率爲晶體長度之函數，請考量在拉單晶機 中一生長200 mm鍵塊之預先建立軸向溫度輪廓及瞬間轴向 溫度梯度G。中之預先建立徑向變化，即在熔態/固態介面處 之輛向溫度梯度，諸拉單晶率經選定以確使錠塊一端自其 中心至邊緣處呈晶格空位爲主之材料，而在錠塊另端則自 其中心至邊緣處呈行間充爲主之材料。生成之錠塊做縱向 裁切，且經分析以判斷凝結行間充缺陷開始生成之處。 圖15係在一系列氧沉澱熱處理以發現缺陷分佈圖形後， 掃描一錠塊自肩部起大約635 mm至760 mm—段之軸向切片 少數載體壽命所產生之影像；在大約680 mm之一晶體位置 處’可看見一帶狀凝結行間充缺陷28，此位置相當於 v*(68〇 mm)=0.33 mm/min之臨界拉單晶率。在此點處，軸 向對稱區6之寬度（此區係行間充爲主材料區，但是無凝結 之行間充缺陷）在其最大値，而晶格空位爲主區8之寬度 Rv (68〇)係大約35 mm，且軸向對稱區之寬度Ri*(68〇)係大 約 65 mm 〇 一列四牧之單晶矽塊隨後以穩定之拉單晶率生長，其係 略大於及略小於取得第一 2〇〇 mm錠塊軸向對稱區最大寬度 時I拉單晶率。圖16揭示拉單晶率爲標示1-4之各枚晶體 之日日版長度函數，此四牧晶體隨後分析以判斷凝結式行間 无缺陷最先出現或消失之轴向位置（及相對應之拉單晶率） ，此四牧實驗判斷而得之點（標頭*記號）示於圖Μ，在諸點 之間插値及自諸點外插即產生一曲線，標示爲圖16中之 W)，此曲線代表—第—近似値，即做爲拉單晶機中長度 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

_25~ 經濟部中央標準局月工消费合作社印製 1257962 五、發明説明（23) 函數之200麵晶體之拉單晶率，此時之^對㈣Μ最 大寬度。 ' 不同拉單晶率之其他晶體之生長以及這些晶體之進—步 分析可進一步推敲出v*(Z)之實驗定義。 G〇⑴徑向變化之減低 圖17、18説明品質之改良，係藉由溶態/固態介面軸向溫 度梯度中之徑向變化Gar)減少而達成，晶格空位與行間充 之初期濃度（大約距離熔態/固態介面lcm處）係依二個不同 例子而有不同疋G〇⑴:⑴G〇 (Γ)=2 65+5 x 1〇 4心(以叫及⑵ G。⑴=2.65+5 X卿/(K/mm)，每一例子之拉單晶率可經調 整以令富含晶格空位之梦與富含行間充之石夕之間邊界^ 咖半徑。用於例子卜2之拉單晶率分別爲HU·/* 。圖18中可清楚看出晶體富含行間充段内之行間充初期濃 度係随著初期軸向溫度梯度中之徑向變化減少而呈戲劇性 地減少，此即導致材料品質改善，因爲其較易於避免行間 无缺陷群因行間充之超飽和而生成。 範例3 增加行間充之擴散時間 圖19、2G説明品質之改良’其可藉由增加行間充擴散時 間而達成，行間充之濃度依二個不同例子而有不同之晶體 中軸向溫度輪廓dT/dz，良態/固態介面處之轴向溫度梯^ f二個广子皆相同，因此，行間充之初期濃度(大約距離溶 悲/固態介面1咖處）對二例子皆相同。在此範例中，拉單 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本瓦) “訂一----- -26- 1257962 A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 五、發明説明（24) 晶率可調整以使整個晶體富含行間充，二例之拉單晶率同 樣爲0.32 mm/min，例2中之行間充向外擴散時間較長則會 造成行間充濃度之整體下降，此導致材料品質之改善，因 爲其較易於避免行間充缺陷群因行間充之超飽和而生成。 範例4 一牧700 mm長且150 mm直徑之晶體係以一變動之拉單晶 率生長，拉單晶率呈近乎直線狀自肩部以1.2 mm/min變化 成距離肩部430 mm處之0.4 mm/min，然後再以呈近乎直線 狀回到距離肩部700 mm處之0.65 mm/min，在此條件下之該 特定拉單晶機中，整個半徑即在晶體長度上依富含行間充 條件生長於距離晶體肩部大約320至525 mm處。在大約525 mm之一軸向位置處且大約0.47 mm/min之拉單晶率，晶體於 跨越整個直徑上並無凝結之内在點缺陷群，易言之，有某 一小段之晶體中，軸向對稱區之寬度係等於錠塊之半徑， 即大致無凝結缺陷區域。 由上以觀，可看出本發明之多項目的皆可達成。 由於多種變化仍可在上述組合物與製程中達成且未脱離 本發明之範疇，因此前文中之所有事項應視爲用於説明， 而非具有設限之意味。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. A8 B8 年n修正 18 其中晶圓具有一無氧沉 ^ ο财Γ05357號專利申請案 請專利範圍替換本(93年6 申請專利範園 •—種單晶矽晶圓，其係將一單晶矽塊予以切割所生成， 邊矽塊係依Czochralski方法長晶，且矽塊之最小直徑 至少為150 mm，該晶圓具有一中心軸線、大致垂直於 轴線之-前側與一後侧、一環側緣、及—自晶圓中心軸 線延伸至環側緣之半徑，晶圓包含 一軸向對稱區，其含有之凝結内在點缺陷小於Μ、立方 公分，軸向對稱區係自晶圓之環側緣呈徑向向内延伸且 具有一寬度，係自環側緣呈徑向朝向中心軸線測量而 得5其至少為晶圓半徑長度之4 〇 〇/0。 2·如申請專利範圍第·丨項之晶圓，其中矽塊之最小直徑至 少為 2 0 〇 mill。 3·如申請專利範圍第1項之晶圓，其中軸向對稱區概呈環 形且晶圓另外包含一大致筒形區’係由位於環形區徑： 向内處之晶格空位為主材料組成。 4·如申請專利範圍第1項之晶圓，其中晶圓具有一低於13 PPMA之氧含量。 如申請專利範圍第丨項之晶圓，其中晶圓具有一低於” PPMA之氧含量。 ' 6.如申請專利範圍第1項之晶圓 殿核心。 7· —種單晶矽塊，係依Cz〇chra】ski方法長晶，具有一中 心軸線、-晶種錐、-端錐、及—位於晶種錐與端錐之 間之固定直徑段，固定直徑段具有一環侧緣及一自中心 轴線延伸至環側緣之半徑 單晶 矽塊之特徵在於 ，當

   1257962 A BCD 「^：、申請專利範圍 塊生長且自固化溫度冷却後，固定直徑段之最小直栌衣 少為1 50 mm，該軸向對稱區含有之凝結内在點缺陷j 於104/立方公分，其中軸向對稱區係自矽塊之一環側綠 王向徑向向内延伸且具有一寬度，係自環側緣呈徑向朝 向矽塊中心軸線測量而得，其至少為固定直徑段半禋長 度之30%，及具有一長度，係沿中心軸線測量而得，至 少為矽塊固定直徑段長度之20%。 8·如申請專利範圍第7項之單晶矽塊，其中矽塊之最小直 徑至少為2〇〇mm。 9·如申π專利範圍第.7項之單晶矽塊，其中軸向對稱區之 長度至少為矽塊固定直徑段長度之4〇0/〇。 10·如申請專利範圍第9項之單晶矽塊，其中軸向對稱區之 長度至少為矽塊固定直徑段長度之6〇%。 11.如申請專利範圍第7項之單晶矽塊，其中軸向對稱區具 有一寬度，係至少為固.定直徑段半徑長度之6〇%。 12·如申請專利範圍第η項之單晶矽塊，其中軸向對稱區 具有—寬度，係至少為固定直徑段半徑長度之8〇%。 -2 - 夺H尺戽適用中國國家標苹(CNS) A4規格(210 X 297公釐）