容許工藝條件變動而製備無缺陷矽晶體的工藝的製作方法

2023-05-28 05:59:41 2

專利名稱：容許工藝條件變動而製備無缺陷矽晶體的工藝的製作方法
背景技術：
本發明一般地涉及用於製造電子組件的半導體級單晶矽的製備。特別具體地說，本發明涉及一個生產單晶矽錠的工藝，其中該矽錠的恆定直徑部分的至少一段基本上缺少團聚本徵點缺陷，其V/Go容許隨該段的長度而變動，辦法是控制該段冷卻到團聚本徵點缺陷不會形成的溫度。
製造半導體電子組件的大多數工藝所用起始材料單晶矽，普通地是用所謂左克拉斯基(「CZ」)方法製備。在這個方法中，多晶矽(「polysilicon」)被裝進坩鍋裡熔化，籽晶拿來跟熔矽接觸，而後通過緩慢淬取來生長單晶。在晶頸的形成完成後，晶體的直徑通過減低拉制速率和/或熔體溫度而增大，直到達成預期直徑或目標直徑。具有一近似恆定直徑的晶體圓柱形主體而後通過控制拉制速率和熔體溫度以補償漸減的熔體水平面而生長。在生長工藝的末尾但在熔矽在坩鍋裡完卻之前，晶體直徑必須漸漸減少而形成一個尾晶錐。典型地，尾晶錐是通過增大晶體拉制速率和向坩鍋供給熱量而形成。當直徑變成足夠小時，那麼，晶體就從熔體分離開來。
在近些年裡，我們已經認定隨著晶體固化後冷卻，在晶體生長艙裡，許多缺陷在單晶矽裡形成。這樣些缺陷部分地是由於在晶格裡存在過量(即高於溶解度極限的濃度)的本徵點缺陷，它們是空位和自填隙原子。從熔體生長的矽單晶典型地生長出來過量的這一種或那一種類型的點缺陷，或者是晶格空位(「V」)，或者是矽自填隙原子(「I」)。
空位型缺陷被認定為這樣些可以觀察到的晶體缺陷如D-缺陷、流圖缺陷FPDS、柵氧化物整體GOI缺陷、晶體源粒子COP缺陷、晶體源光點缺陷CPDs以及某些等級和種類的體缺陷，它們是通過紅外光掃描技術如掃描紅外顯微照相和雷射掃描層析而觀察到的。在過量空位區域還出現有起著環氧化導致的堆垛層錯(OISF)核作用的缺陷。我們認定這個特殊缺陷是由出現過量空位催化而成的一種高溫核化氧團聚物。
有關自填隙原子的缺陷研究較差。它們一般被看成是低密度的填隙型位錯環線或網絡，這樣些缺陷不是作為晶片性能重要標準的柵氧化物整體失效的緣由，但人們廣泛地認為它們是通常跟當前漏電問題相關聯的其它類型器件失效的原因。
我們相信矽內這些點缺陷的類型和初始濃度取決於矽錠從固化溫度，即約1410℃，冷卻到大於約1300℃。那就是，這些缺陷的類型和初始濃度是由V/Go比控制的，這裡V是生長速度而Go是在這個溫度範圍內的平均軸向溫度梯度。參見

圖1，在V/Go值增大的時候，一個從漸減自填隙原子為主的生長到漸增空位為主的生長的躍遷或過渡在V/Go靠近臨界值的時候發生，這個臨界值，根據當前已有信息，看來是約2.1×10-5cm2/sk，其中Go是在上面界定的溫度範圍之內軸向溫度梯度恆定的諸條件下測定的。在這個臨界值，這些本徵點缺陷的諸濃度是平衡的。然而，隨著V/Go值超過這個臨界值，空位的濃度增加。同樣，隨著V/Go降至這個臨界值以下，自填隙原子的濃度增加。如果空位或自填隙原子的濃度達到系統中臨界超飽和程度，且如果點缺陷的遷移率足夠高，一個反應或一個團聚現象就可能將發生。在傳統左克拉斯基型生長條件下，空位和自填隙原子團聚缺陷的密度典型地是在約1×103/cm3到約1×107/cm3範圍之內。一方面這些值是相對地低，一方面，這些團聚本徵點缺陷對器件製造廠家的重要性卻迅疾地在增長，且事實上現在被看成是製造複雜電路和高度集成電路中限制成品率的因素。
防止團聚本徵點缺陷的形成可以通過控制生長速率V和平均軸向溫度梯度Go而達成，這樣V/Go比被保持在靠近V/Go臨界值的一個非常狹窄的範圍值之內(見如圖1，一般以範圍X表示)，從而保證了自填隙原子或空位的初始濃度不超過在其發生團聚的某臨界濃度。然而，如果單獨依靠V/Go的控制去防止形成團聚本徵點缺陷，那就必須滿足嚴格工藝控制要求和晶體拉制器設計要求方能保持V/Go值在這個狹窄範圍之內。
保持V/Go值在一個狹窄範圍之內由於許多理由不是防止團聚本徵點缺陷形成的商業性最實用途徑。例如，為了保持矽錠直徑恆定，我們時常在生長工藝過程期間變換拉制速率。可是，變換拉制速率產生V的種種變化從而影響V/Go使之在矽錠的全長度上軸向變動。類似地，Go的變化也可以由於其它工藝參數方面的變化而發生。再者，我們應該注意到由於熱區組件的老化或由於熱區的內側例如變得被二氧化矽所被覆，Go時常隨著時間而變化。
V和Go的諸變化同樣引起一除非Go或V分別給予一種相應的、補償的改變一V/Go在「目標」範圍(即限制本徵點缺陷初始濃度以不發生團聚的範圍)內的種種變化。因此，如果給定的晶體拉制器要使用來生長一系列矽錠，該晶體拉制器的溫度分布必須連續地監控且工藝條件必須反覆地主要依據V或Go方面的變化而加以修正。這樣一個途徑是既耗時又昂貴的。
簡短地，因此，本發明涉及一種生長單晶矽錠的工藝，該矽錠具有一個中心軸、一個籽晶錐、一個尾晶錐、一個在籽晶錐和尾晶錐之間的恆定直徑部分和一個包含恆定直徑部分的一部分且基本上沒有團聚本徵點缺陷的錠段。該工藝包括(ⅰ)容許V/Go比作為錠段長度的函數隨著矽錠生長而變化，(V/Go)容許在一個最小值(V/Go)min和一個最大值(V/Go)max之間變化，其V是生長速度且Go是固化溫度和中心軸處約1300℃之間的平均軸向溫度梯度，(V/Go)min不大於(V/Go)max的95％；和(ⅱ)將錠段從固化溫度冷卻到約1050℃和約900℃之間的一個溫度，停留時間是tdw這足以防止在該段之內團聚本徵點缺陷的形成。
本發明進一步涉及的是一個生長單晶矽錠的工藝，該單晶矽錠具有一個中心軸、一個籽晶錐、一個尾晶錐、一個籽晶矽和端晶矽之間恆定直徑部分，該恆定直徑部分具有一個外周邊和一個從中心軸伸展到外周邊的半徑，該矽錠的特徵在於在矽錠按照左克拉斯基方法從矽熔體生長並從固化溫度冷卻後，直徑恆定部分包含一個基本上沒有團聚本徵點缺陷的軸向對稱區。該工藝包括控制(ⅰ)在一個從固化溫度到約1300℃的溫度範圍內生長矽錠恆定直徑部分期間的生長速度V和平均軸向溫度梯度Go和(ⅱ)軸向對稱區的冷卻速度，該軸向對稱區從一個約在1400℃和約1300℃之間的第一溫度T1被冷卻到在約1050℃和約800℃之間的第二溫度T2，其從T1到T2的溫降速率控制得在T1和T2之間的每個中間溫度Tint上，軸向對稱區具有的矽自填隙原子本徵點缺陷濃度小於團聚本徵點缺陷形成的臨界濃度；軸向對稱區的寬度，如從外周邊向中心軸方向測量是矽錠恆定直徑部分的寬度的至少約30％，其長度是矽錠恆定直徑部分長度的至少約20％。
本發明的其它目的和特徵部分將自明、部分將在此之後指出。
附圖的簡短說明圖1表明自填隙原子[I]和空位[V]的初始濃度怎樣隨著V/Go比值的增大而變化，其V是生長速度，Go是平均軸向溫度梯度。
圖2如本文將進一步所討論，是舉例說明作為溫度函數的平衡濃度和臨界濃度(即團聚缺陷在其形成的濃度)。
圖3A如實例中所說明，表示作為晶體長度函數的規範化生長速率。
圖3B如實例中所說明，表示矽錠段軸向切割的一系列照片，從晶肩到尾晶錐生長開始處，這些照片是在銅染色和缺陷輪廓腐蝕之後獲得。
圖3C如實例中所說明表示矽錠段軸向切割的一系列照片，從籽晶錐到尾晶錐，這些照片是在銅染色和缺陷輪廓腐蝕之後獲得。
圖4是舉例說明自填隙原子本徵點缺陷規範化濃度和規範化生長速度之間的關係。
圖5是舉例說明不同停留長度規範化生長速度和自填隙原子本徵點缺陷的規範化濃度之間的關係。
圖6是舉例說明200mm晶體直徑對於不同臨界生長速度，生長速度的變化(與臨界生長速度相比)和為了避免團聚缺陷形成所需的停留長度二者之間的關係。
圖7是舉例說明150mm晶體直徑對於不同臨界生長速度，生長速度的變化(與臨界生長速度相比)和為了避免團聚缺陷形成所需的停留長度二者之間的關係。
圖8是舉例說明300mm晶體直徑對於不同臨界生長速度，生長速度的變化(與臨界生長速度相比)和為了避免團聚缺陷形成所需停留長度二者之間的關係。
圖9是舉例說明不同直徑矽錠臨界停留長度和臨界生長速度之間的關係。
圖10是舉例說明在臨界溫度矽自填隙原子規範化濃度和Go實際值與Go臨界值比例二者之間的關係以及改變停留長度對它的影響，這是對150mm直徑單晶矽錠而言。
圖11是舉例說明在臨界溫度矽自填隙原子的規範化濃度和Go實際值與Go臨界值的比例二者之間的關係以及改變停留長度對它的影響，這是對200mm直徑單晶矽錠而言。
優選實施方案的詳細說明按照本發明，我們已經發現可在製備基本無缺陷的矽時使用控制的冷卻，以提供足夠的工藝控制靈活性或彈性，從而使得V/Go能在狹窄的目標值範圍外側變換或「遊移」，它們是現有技術為了避免團聚本徵點缺陷的形成不得不加以運用的。生長條件的控制之前，人們已經報導在按照左克拉斯基方法製備單晶矽錠的生長期間，工藝條件能夠加以控制以使矽錠的恆定直徑部分包含一個區域或一段基本上沒有團聚本徵點缺陷(見例如PCT/US98/07356和PCT/US98/07304)如那裡邊所公開揭示，生長條件，包括生長速度V、固化溫度和大於約1300℃的溫度之間平均軸向溫度梯度Go和從固化到約1050℃的冷卻速率被加以控制以促使形成一個基本上沒有團聚本徵點缺陷的軸向對稱區。
這些生長條件最好是控制得使這個軸向對稱區的體積相對於矽錠恆定直徑部分的體積為最大。當矽自填隙原子是壓倒性主導型本徵點缺陷時，軸向對稱區典型地具有一個等於矽錠半徑至少約30％的寬度，優選的是至少約40％、60％、80％、90％和95％。類似地，當空位是壓倒性主導型本徵點缺陷時，軸向對稱區具有一個至少約15mm的寬度。然而，較優選地是，這個區域具有一個等於矽錠半徑至少約7.5％的寬度，更優選的是至少約15％、25％和50％。不管哪種本徵點缺陷是壓倒性主導，最優選的是該區的寬度是約等於該矽錠的半徑。再者。此軸向對稱區典型地伸展過該矽錠恆定直徑部分至少約20％的一個長度，更優選地是至少約40％、60％、80％、90％和直至約100％。
如別處所描述(見例如PCT/US98/07356和PCT/US98/07304)，人們一般相信這樣一個軸向對稱區的形成是通過抑制矽自填隙原子或晶格空位本徵點缺陷互相作用而產生團聚本徵點缺陷的種種反應去達成的。這種抑制的達成是通過在該矽錠的生長和冷卻期間控制此軸向對稱區的這些本徵點缺陷濃度以保證此區域絕不變成臨界超飽和。建立一個由V/Go(r)控制-其Go是半徑的函數-的初始濃度並使之足夠低而臨界超飽和絕不產生，能夠防止臨界超飽和或本徵點缺陷的團聚。然而，這樣一個途徑或方案需要的是V/Go的實際值保持在一個非常接近V/Go臨界值的狹窄的目標值範圍之內。
如果V/Go(r)要保持在此目標值範圍之內，那就必須連續地滿足嚴格工藝控制要求和系統設計要求，因為甚至V或Go的小小變化就可以促使V/Go的實際值移動到此範圍之外。以另一方式來加以敘述，那就是，如果沒有控制性冷卻來提供在發生團聚的溫度以上的溫度的充分的停留時間以容許空位或填隙原子擴散到熱沉而湮滅，V/Go就必須在從大約中心軸伸展到離該矽錠外周邊少許幾釐米，即約1-2cm，之內的半徑上面保持在如此狹窄的「窗口」之內。這樣些工藝條件可以用方程(1)加以表示[(V/Go)cr+δ]＞V/Go(r)＞[(V/Go)cr-Δ](1)其中[(V/Go)cr+δ]是V/Go臨界值加某個δ的和，基於至今為止的實驗證明，人們相信它小於臨界值的約5％就可以產生一個基本上無團聚缺陷的空位主導材料的區域；V/Go(r)是在一個從中心軸伸展到離該矽錠外周邊少許幾釐米之內的一個給定徑向位置上V/Go的實際值；且[(V/Go)cr-Δ]是V/Go的臨界值減去某個戴爾他Δ的差，基於迄今為止的實驗證明，人們相信它小於臨界值的約5％，就可以產生一個基本上無-團聚缺陷的自填隙原子主導材料的區域。
實踐上，要滿足這樣些嚴格工藝控制條件是難以達成的，它被以下事實所複雜化，即V/Go可接受值的這個窗口在一給定晶體拉制器內可能隨時間而變化。因此，最好是，系統變成臨界地超飽和的防止以及由而團聚本徵點缺陷形成的防止，是通過抑制繼晶體固化之後的矽自填隙原子或空位的初始濃度而達成，即繼建立由V/Go(r)測定的初始濃度之後。如PCT/US98/07356和PCT/US/98/07304所提到，人們發現由於自填隙原子相對大的遷移率，有可能有效地在相對大的距離上面，即約5cm到約10cm或更大的距離上面，通過自填隙原子擴散到位於晶體表面的熱沉或到位於晶體之內的空位主導區域抑制自填隙原子的濃度。擴散能夠有效地用來抑制自填隙原子的濃度，只要容許有充分的時間。一般地說，擴散時間將依賴於自填隙原子初始濃度的徑向變化，較為小些的徑向變化需要的擴散時間較短。
自填隙原子擴散的總量是為了商業實用目的由控制該矽錠從固化溫度冷卻到矽自填隙原子變成不遷移的溫度所需時間來控制的。矽自填隙原子看來在靠近矽的固化溫度即約1410℃的溫度是極其移動的。然而，這個遷移率隨著單晶矽錠的溫度減小而減小。一般地，自填隙原子擴散速率減慢的巨大程度是要在商業實用時間段落裡在小於900℃的溫度使它們實質上不動。可是，一方面自填隙原子團聚反應發生的溫度在理論上是可以在一個寬的溫度範圍裡變化，一方面在實際上卻由於按照左克拉斯基方法生長的矽典型地所獲得的初始自填隙原子濃度範圍相對地窄，上述範圍看起來是相對地狹窄。一般地，因此，一個自填隙原子團聚反應籠統地說可以發生在約1050℃到約900℃的溫度範圍之內，典型具體地說是在一個約925℃或約950℃的溫度。擴散的效果在自填隙原子呈現為移動的溫度範圍之內時，視熱區內溫度而定，冷卻時間典型地將控制得在此溫度範圍之內矽錠停留的時間要足以容許足夠自填隙原子擴散而臨界超飽和不致發生。通過控制此持續或停留時間tdw，沒有該控制時的嚴格V/Go要求就放鬆了，一個相對於臨界值的較大範圍的V/Go諸值就可以得到用來防止諸團聚缺陷的形成了。這樣一個關係可以用方程(2)來表示[(V/Go)cr+δ]＞V/Go(ro)＞[(V/Go)cr-Δ(t)cr](2)其中[(V/Go)cr+δ]跟上面方程(1)裡的相同；[(V/Go)cr-Δ(t)cr]是V/Go的臨界值減去某個戴爾他Δ的差，Δ是一個因子表示矽錠之內一個給定軸向位置容許持續或停在臨界溫度以上(即團聚不會發生的溫度)多少時間。
從方程(2)可以觀察出隨著持續或停留時間增加，V/Go實際值在基本上無缺陷的錠段之內軸向變化的機會就愈多；也就是，隨著持續時間增加，V/Go的實際值就可以從如果沒有應用擴散否則會形成矽錠基本上沒有缺陷錠段的目標值範圍進一步偏離。再者，人們可以觀察出焦點是在靠近中心軸的V/Go上，因為在這個點上擴散距離典型地為最長。
有鑑於前述並如在PCT/US98/07356和PCT/US98/07304內所提及，典型地軸向對稱區將被容許在固化溫度和約1050℃到約900℃一較好地約1025℃到約925℃-間的一個溫度之間的一個溫度上持續或停留一段時間(ⅰ)至少約5小時，較好地至少約10小時，更較好地至少約15小時，這是對於150mm標稱直徑矽晶而言；(ⅱ)至少約5小時，較好地至少約10小時，更較好地至少約20小時，再較好地至少約25小時，最較好地至少約30小時，這是對200mm標稱直徑矽晶而言；(ⅲ)至少約20小時，較好地至少約40小時，更較好地至少約60小時，最較好地至少約75小時，這是對標稱直徑大於200mm的矽晶而言。然而，要提到的是矽錠冷卻的精確時間和溫度至少部分地是本徵點缺陷濃度、為了防止超飽和和團聚發生必須擴散的點缺陷數目、給定本徵點缺陷擴散的速率(即本徵點缺陷的擴散率)的函數。
持續或停留時間或矽錠冷卻的方式至少部分地是生長速度和晶體拉制器熱區設計的函數；也就是，矽錠冷卻可能受到拉制速率變化以及熱區構造變化的影響。造成熱區構造的變化可以使用已有技術中現知的把熱區熱量傳輸減至最小的任何手段，包括反射器、輻射屏、清洗管、光管道、絕緣器、加熱器和磁場。工藝可變性為了本徵點缺陷可以擴散到熱沉把它們加以消滅由而防止在那裡形成團聚缺陷，我們控制矽錠恆定直徑部分給定錠段的持續或停留時間來容許V/Go比進行軸向的變化；也就是，經由控制這個錠段冷卻的方式，V/Go比可以作為軸向對稱區長度的函數變動。因此，按照本工藝，V/Go比的實際值可以被容許隨著矽錠在一個最小值(V/Go)min和一個最大值(V/Go)max之間生長時作為軸向對稱區長度的一個函數而變化。在本工藝的一個實施例中，(V/Go)min不大於(V/Go)max的約95％，而在其它實施例中(V/Go)min不大於(V/Go)max的約90％、85％或甚至80％。用另一種方式來敘述，在一個實施例中，V/Go的實際值可以在(V/Go)min和(V/Go)max之間變化至少約5％，而在其它實施例中V/Go可以在(V/Go)min和(V/Go)max之間變化至少約10％、15％、20％或更多。
如我們這裡所使用過的並如上面方程(2)所描述的，(V/Go)max意圖是指(V/Go)cr加上某個戴爾他△以造成所述基本上沒有團聚缺陷的空位主導材料的區域。再者，如果生長條件要求使得矽錠包含基本上沒有團聚缺陷的空位和填隙原子二者主導的材料，那麼，(V/Go)max意圖是指[(V/Go)cr+δ(t)cr]，如以下將參考方程3進一步討論的，它代表V/Go的臨界值加上某個戴爾他的和，戴爾他因子是矽錠之內一個給定軸向位置被容許持續或停留在臨界溫度以上(即團聚否則會在其發生的溫度)的時間。
我們要提到的是V/Go比軸向變化的上述範圍是指在基本上沒有團聚本徵點缺陷矽錠軸向對稱區之內V/Go的值。再者，V/Go也可以徑向變化，即(V/Go(r))。因此，大家要理解的是(V/Go)min和(V/Go)max一般地分別參考軸向對稱區之內V/Go(r)的最小值和最大值。可是，當生長條件控制得使軸向對稱區從中心軸伸展到矽錠的外周邊時，V/Go的變化典型地是根據中心軸處V/Go的值而測定的，因為假如沒有或少有從軸向擴散來的貢獻，在這個位置上擴散距離最大。
還要提到的是如下面參考圖4和圖5所進一步詳細描述的，當V/Go的變化是由於V的變化時(即Go是恆定的)，V/Go的軸向變化可能顯著地增大；也就是，當填隙原子為壓倒性主導且當V/Go的變化是由於V變化時，(V/Go)min可能不大於(V/Go)max的約60％、40％、20％、10％或直至5％。換言之，假如持續或停留時間足夠，V/Go可接受值的「窗口」實質上可以是小於V/Go臨界值的任何值。迄今為止的經驗啟發我們如圖5中所例解，一旦持續或停留時間足夠使V/Go變化約20％(即當(V/Go)min不大於(V/Go)max的約80％時)，(V/Go)min實質上可能是小於(V/Go)max的任何值。
如果當Go恆定且V容許變化時V/Go可以如上所描述變化，我們要提到的是當V恆定且Go容許變化時，V/Go也可以變化。更具體地說，如下面參考圖10和圖11進一步所詳細描述的，由Go的變化所引起的V/Go變化的可接受程度隨著持續或停留時間的增加而增加。可是，如圖10和圖11所述，在V恆定且Go容許變化時V/Go可接受值的「窗口」沒有一個持續或停留時間高臺，在該高臺處窗口值變得實質上很開放而容許任何小於V/Go臨界值的值。相反，可接受變化的程度(即不形成團聚缺陷可以發生的V/Go變化)隨著持續或停留時間的增加而繼續增加。
如上面所討論，通過延長軸向對稱區持續或停留在約900℃以上一段時間，就可放鬆要不然會嚴格的V/Go要求；為了防止團聚本徵點缺陷的形成和生長我們這裡所述的單晶矽錠，相對於臨界值的一個較大範圍的V/Go值就可以被接受。例如，如果填隙原子為壓倒性主導本徵點缺陷的軸向對稱區寬度是要等於矽錠的半徑，那麼生長速度V和平均軸向溫度梯度Go(如前所定義)就可以控制得使V/Go是在約0.75到1倍於V/Go的臨界值(即約1.6×10-5cm2/sk到約2.1×10-5cm2/sk，根據目前V/Go臨界值可獲信息)。可是，典型地，從本工藝所提供的伸縮性看，V/Go比值的範圍可以是從約0.6到約1倍於V/Go臨界值(即約1.3×10-5cm3/sk到約2.1×10-5cm2/sk，根據V/Go臨界值目前可獲信息)，較好地是從約0.5到約1.05倍於V/Go的臨界值(即約1×10-5cm2/sk到約2.2×10-5cm2/sk，根據目前V/Go臨界值可獲信息)。然而，最比較好的是，持續或停留時間將控制得使V/Go比可以具有小於V/Go臨界值約1.05倍的任何值。
我們應該提到的是V/Go值可接受的精確範圍至少部分地依賴於所要得到軸向對稱區的希望或預期寬度。可是，在上述那些範圍當此區寬度約等於該錠恆定直徑部分寬度而表現出本工藝的伸縮性時，對於此區寬度小於矽錠半徑可接受的情況，這個伸縮性甚至可以更大。在這樣些場合中，生長速度V和平均軸向溫度梯度Go可以控制得使V/Go比值的範圍是從約0.6到約1.5倍於V/Go臨界值(即約1.3×10-5cm2/sk到約3×10-5cm2/sk，根據目前V/Go臨界值可獲信息)，較好地是從約0.5到約2.5倍於V/Go臨界值(即約1×10-5cm2/sk到約5×10-5cm2/sk，根據目前V/Go臨界值可獲信息)。嚴格地說，可是，如果唯一的目標是形成某個最小徑向寬度的填隙原子主導材料軸向對稱區(即恆定直徑部分的至少約30％、40％、80％或更大)，那麼V/Go可以實質地是大於臨界值的任何值，假如在沿半徑某個位置該值下降到形成這個希望寬度的軸向對稱區所需的那個值以下。
我們還應提到設使持續或停留時間長得足以容許充分的空位擴散，一個空位主導材料的軸向對稱區也可以形成。如果此區的寬度是要約等於矽錠恆定直徑部分的半徑，V/Go的範圍可以是從約0.95到約1.1倍於V/Go臨界值。然而，如上面參考填隙原子主導區所指說，如果此空位主導區的寬度是小於矽錠的半徑，V/Go較大的變動是可以接受的。
上面所提到的V/Go比可以通過獨立地控制生長速度V和平均軸向溫度梯度Go(r)的徑向變化而達成。
雖通過對生長速度的籽細控制和晶體拉制器熱區的設計在生長工藝過程期間可以獲得該範圍之內V/Go的一個單一值，但最好V/Go被容許在生長軸向對稱區期間所指出的範圍之內變化，這樣的變化可來自(ⅰ)容許生長速度在其設計得Go在該對稱區的半徑和長度範圍內實質上恆定的晶體拉制器熱區產生變化(ⅱ)在Go容許變化時，保持恆定的生長速度，或(ⅲ)容許V和Go二者都變化。
在本發明之前，在防止團聚缺陷形成的V/Go控制和為了保持矽錠主體的直徑恆定或生長尾晶錐等傳統生長目的的控制工藝條件之間一直存在著衝突。這個衝突意味著的是如果要防止團聚缺陷，這種防止必須付出某種代價方可達成。然而，按照本發明工藝，V/Go被容許變化，這意味著為了例如保持對直徑的控制，在一個實施辦法中，拉制速度也可以變化。依此，作為一個例子，拉制速度在約一個晶體長度的直徑以後，其範圍可以是從約0.3mm/分到約0.5mm/分，從約0.25mm/分到約0.6mm/分或從約0.2mm/分到約0.8mm/分，可接受拉制速率的範圍隨工藝伸縮性的增加而增加。
要提到的是拉制速度依賴於晶體直徑和晶體拉制器設計二者。所述諸範圍是對200mm直徑的典型的範圍。一般地，拉制速率將隨晶體直徑的增加而減小。可是，晶體拉制器可以設計得容許拉制速率超過上面所述。所以，最好地是，晶體拉制器的設計要設計得使拉制速率儘可能快，由而容許V/Go儘可能多的變化，但仍然要防止團聚本徵點缺陷的形成。
除了容許拉制速度變化或更一般地容許V變化，本工藝的伸縮性也容許Go變化或飄移。更具體地說，因為V/Go被容許變化，本工藝是更有利的，以是不管什麼緣由，都容許這些變化發生；那就是，本工藝的有利性質容許V/Go當Go恆定而V變化時、當V恆定而Go變化時、或當二者都變化時發生種種變化。例如，本工藝提供了手段和方法來在給定的晶體拉制器製備一系列防止團聚本徵點缺陷形成的單晶矽錠，其中拉制速率和Go在它們的製備期間都可以飄移。結果是，恆定拉制速率的需要(代價是直徑控制)以及對給定晶體拉制器熱區溫度分布不斷監控並隨著熱區各部件老化一這樣引起G0飄移一對工藝條件進行調整的需要就都排除了。
通過控制持續或停留時間而取得自填隙原子或空位擴散，本工藝有效地創造了V/Go值的一個較大的「窗口」，它能應用來獲得一個基本上沒有團聚本徵點缺陷矽錠的恆定直徑部分軸對稱區。可是，還要提到的是增加窗口尺寸(或者說無缺陷生長V或Go可容許的變化)基本限於V和Go產生V/Go比小於臨界V/Go值的那些值。用另一個方式來敘述，因為矽自填隙原子比空位擴散得較快，填隙原子主導材料的效果最佳。結果是，窗口向V/Go較低值開放得更快。舉例來說，增加拉制速率可容許的變化所用窗口尺寸大大地限於較慢地拉制速率，因為窗口由於填隙原子的擴散率向這些較低拉制速率開放得較快。
然而，原則上，隨著矽錠在大於約900℃的溫度花費的時間增加，由於大於V/Go臨界值加某個小戴爾他(來於例如較快拉制速率的變化)的V/Go值的可容許V/Go變化窗口也增大；那就是，隨著持續或停留時間增加，原則上空位主導材料可接受V/Go值窗口也增大，因為有較多的時間容許空位擴散。這樣一個關係可用方程(3)加以表示[(V/Go+δ(t)cr]＞V/Go(ro))＞[(V/Go)cr-Δ(t)cr](3)其中[(V/Go)cr+δ(t)cr]是V/Go臨界值加某個戴爾它Δ的和，戴爾它因子是矽錠之內一個給定軸向位置容許持續或停留在臨界溫度(即團聚否則會產生的溫度)以上的多少時間；V/Go(ro)跟上面方程(2)裡的相同；且[(V/Go)cr-Δ(t)cr]跟上面方程(2)裡的相同。從表達式[(V/Go)cr+δ(t)cr]可以看出隨著持續或停留時間增加，臨界值以上V/Go值的範圍也增大。可是，由於空位的擴散速率較慢，基本沒有團聚本徵點缺陷的空位主導材料軸向對稱區的形成會要求明顯較長的擴散時間，特別在設定此區是從中心軸伸展到矽錠恆定直徑部分外周邊的時候。「局域」冷卻速率除了控制矽錠持續或停留在所指範圍的時間過程外，較好地是還要控制矽錠在此範圍內在此時間段落上面冷卻的速率。用另一個方式敘述，一方面較好地是把矽錠保持在一段時間內團聚缺陷將形成的溫度以上，一方面比較好地還要控制「局域」(以時間計)冷卻速率；也就是在此時間之內和此溫度範圍之內矽錠冷卻的速率。舉例來說，現參考圖2，我們可以觀察出對於每個下列範圍之內的局域溫度一界於固化溫度，較具體地說是本徵點缺陷初始濃度建立的溫度，即約1400℃和約1300℃間的某個溫度，和本徵點缺陷不再是那麼充分遷移去容許團聚產生的溫度(即大於約900℃的某個溫度)之間的範圍-存在有一個平衡濃度Ceq和一個在其發生反應或團聚的臨界或核化濃度Cn。因此對於在平衡濃度以上但在臨界濃度以下的給定濃度(以點A表明)，如果在團聚溫度以上的一個單一溫度花費了足夠的時間，最後將有足夠的填隙原子擴散出去由而達到平衡濃度(以點B表明)。然而，如果那時溫度迅疾地減小，團聚仍可能發生(以點D表明)。於是，為了保證有充分時間來擴散出去，較好地是在生長中矽錠中的一給定軸向位置(以點A表明)保留在團聚溫度以上一個必要時間，但還要把它以一個防止超過臨界濃度的速率加以冷卻(見例如E表明的路線)。
從圖2還要提到的是迄今為止的經驗啟發我們，在其反應或核化溫度和平衡溫度之間的一個給定溫度，即C(T)，填隙原子濃度比相應的平衡濃度，即Ceq(T)，減小得慢得多；也就是，迄今為止的經驗啟發我們，C(T)比Ceq減小得慢得多。結果是，隨著溫度增加，C從Ceq移動開並走向核化濃度Cn，這意味著如果矽錠冷卻得太快，最後曲線C(T)將橫割Cn(T)，這樣團聚現象就會發生，依此，我們應該提到一方面在較高矽錠溫度一個高冷卻速率裡可以接受的，一方面隨著矽錠冷卻，速率較好地是減少以保證不會發生核化和團聚。可是，還應該提到C(T)橫割Cn(T)的溫度至少部分地是初始缺陷濃度和缺陷通過矽錠晶格擴散速率的函數。
因此，按照本工藝，矽錠在自填隙原子或是空位出現遷移的溫度範圍之內冷卻的方式是這樣控制的，它要使得矽錠從第一溫度T1冷卻到第二溫度T2的速率是如此控制的以使得在T1和T2之間的每一中間溫度Tint，軸向對稱區具有的本徵點缺陷濃度小於團聚本徵點缺陷將形成的臨界濃度。第一溫度T1典型地是在約1400℃和約1300℃之間，較好地是在約1350℃和約1310℃之間。第二溫度T2典型地是在約1050℃和約800℃之間，較好地是在約1000℃和約900℃之間，最較好地是在約975℃和約925℃之間。
再參考圖2，要提到的是典型地矽錠軸向對稱區在T1和T2之間的速度將控制得使在任何給定溫度，自填隙原子或空位的實際濃度保留在團聚將發生的濃度之下但明顯在平衡濃度之上以保證儘可能最大的擴散速率。例如，該速率可以控制得在一給定軸向位置上在軸向對稱區之內本徵點缺陷的實際濃度能夠如方程(4)地加以表示C=Ceq+x(Cn-Cequil)(4)
其中C是在給定軸向位置本徵點缺陷的實際濃度；Ceq是此軸向位置本徵點缺陷的平衡濃度；x是一個常數，典型地是從約0.4到小於約1，且較好地是從約0.6到約0.9；且Cn是在此軸向位置足以引起團聚反應發生的本徵點缺陷濃度。
要提到的是一方面一般地比較好的是把晶體生長條件控制得使填隙原子主導區的寬度為最大，一方面又可能存在著給定晶體拉制器熱區設計的種種限制。隨著V/I邊界移動得更靠近中心晶體軸，假如冷卻條件和Go(r)沒有變化，所要求的徑向擴散最小總量也增加。在這樣些環境下，可能存在著以徑向擴散抑制團聚填隙原子缺陷形成所必要的一個空位主導區最小半徑。
還要提到的是為了在矽錠恆定直徑部分可觀長度上取得控制冷卻速率和持續或停留時間的種種效果，還必須對矽錠尾晶錐的生長工藝以及一旦尾晶錐生長完成時矽錠的處理予以考慮以保證矽錠主體的後一部分一般地具有跟它前面的諸部分相同的熱歷史。在例如PCT/US98/07356和PCT/US98/07304中詳細地討論了對待這個局面的多種途徑或方案。
還要提到的是隨著晶體拉制器和熱區設計變化，上面對V/Go、拉制速度、冷卻時間和冷卻速率提出的諸範圍也可以變化。
對於按照本發明工藝製備並具有V/I邊界的一個矽錠，即包含有填隙原子主導材料的一個矽錠，經驗已經表明低含氧量材料，即小於約13PPMA(原子每百萬的份數，ASTM標準F-121-83)的材料，為較好。更較好地是，單晶矽包含小於約12PPMA的氧再較好地是小於約11PPMA的氧且最比較好地是小於約10PPMA的氧。這是因為在中等氧含量到高氧含量的薄片裡，即14PPMA到18PPMA，正好在V/I邊界的內側氧導致的堆垛層錯和富氧團簇或叢聚變得更加顯著。這些個的每一個都是已給定集成電路製造工藝中諸問題的一個可能來源。然而，要提到的是當軸向對稱區具有一個約等於矽錠半徑的寬度時，氧含量的限制就被消除了；這是因為設定在不存在空位型材料時這樣些堆垛層錯和叢聚將不會發生。工藝/系統設計如前面所討論的，在生長中的單晶矽錠之內本徵點缺陷的類型和初始濃度是V/Go比實際值相對於V/Go臨界值的函數。臨界生長速度Vcr可以表達如方程(5)Vcr=ζGo(5)其中Go是平均軸向溫度梯度；且ξ表示目前相信是約2.1×10-5cm2/sk的臨界值。如果Go是在矽錠半徑上面恆定，那麼這些缺陷的類型和初始濃度原本地是V的函數；也就是，本徵點缺陷的類型和初始濃度可以用V/Vcr比表示。於是，如果生長速度V大於Vcr，那麼空位是壓倒性主導，另一方面如果V小於Vcr，則自填隙原子是壓倒性主導。
在矽錠從靠近固化溫度冷卻到團聚溫度時一個給定軸向位置走過的距離、生長速度和矽錠持續停留在團聚溫度以上的時間之間存在著一個關係使之得以防止團聚本徵點缺陷形成。
這個距離或「持續或停留長度」Ldw、生長速度和持續或停留時間之間的關係我們用方程(6)表示如下；t=Ldw/V(6)要提到的是我們相信溫度分布幾乎不受V變化的影響，所以Ldw可以對一給定熱區考慮為常數。
用普遍知道的現有技術方法解決一個單晶矽錠矽自填隙原子擴散的問題後我們更得出下列結論當Go恆定時，Ldw、小於或等於臨界速度的給定生長速度和自填隙原子濃度(相對於熔點平衡濃度Cm；即固化時間自填隙原子濃度)之間的關係可以如方程(7)加以表示C/Cm=1.602B(1-V/Vcr)exp(-μlLdw)(7)其中
C/Cm是「規範化」濃度(即相對於固化時間濃度的自填隙原子濃度)；B是一個依賴於各假定點缺陷參數的比例尺寸係數，合理的估計是約0.5；V/Vcr是相對於臨界生長速度的實際生長速度；μ是一個衰減係數，對於軸擴散貢獻小的普通左克拉斯基型矽的典型生長參數可以表示為等於(D/V)(λ1/R)2，其中D是自填隙子的擴散率，V是生長速度，λ1是貝塞耳函數Jo(λγ)=0的第一個根並等於約2.40,R是半徑。基於迄今為止的實驗證明，一般地相信在一個約900℃到約925℃的溫度，團聚缺陷的形成在C/Cm比小於約0.01，較好地是小於0.005時可以避免。使用這些值和方程(7)，對於一給定持續或停留長度可接受的可變性程度(即一給定系統可以具有並仍然生成一個寬度實質上等於矽錠半徑的基本上沒有缺陷的軸向對稱區的可變性程度)能夠予以測定。或者反過來，使用一個給定晶體拉制工藝裡的這些值和已知或預期的可變性，我們能夠測定一個足以生成寬度實質上等於矽錠半徑、基本沒有缺陷的軸向對稱區的持續或停留長度。換言之，設使工藝條件期望有某種變化，方程(7)提供的關係可以用來提供設計一個強勁工藝所需的細節；也就是，方程(7)可以用來設計一個系統，它能夠匹配上所期冀的種種工藝變化而仍然能夠生長基本上沒有缺陷的矽。
現參考圖4，我們可以觀察出對於一給定持續或停留長度，規範化濃度隨著相對於臨界速度的實際速度即V/Vcr的減少而增加，直到生長速度變得那麼慢以致容許有充分時間給自填隙原子向外擴散而有效地降低總體濃度。迄今為止的實驗證據啟示我們對於其所代表的特定工藝條件和系統，即Vcr=0.28mm/分；矽錠半徑=100mm；Ldw=690mm，相對臨界濃度如果被超過就導致團聚本徵點缺陷的形成，我們相信這個相對臨界濃度是約0.01，但在某些場合，它可以是約0.005或更小。依此，我們可以觀察出如果要防止團聚本徵點缺陷的形成，實際生長速度必須非常接近或非常遠離臨界速度；也就是，在這個場合，V/Go有兩個「窗口」能夠避免團聚缺陷的形成，一個非常靠近臨界值，一個遠離臨界值。現參考圖5，我們可以看到隨著一個給定生長速度的Ldw增長，矽自填隙原子的相應濃度減小(在這裡曲線1-7分別相應於持續或停留長度400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm和980mm)。
增大Ldw有效地擴展旨在生長基本沒有團聚缺陷的單晶矽錠可以接受的實際生長速度範圍。隨著Ldw不斷地增大，最後此可接受生長速度的「窗口」擴展到整個範圍上面(見例如圖5曲線7)；那就是，Ldw最後達到一個在任何V＜Vcr時C＜Ccr的臨界值。我們能看出在本實施例中Ldw的臨界值是約980mm，可比於左克拉斯基型單晶矽錠的典型長度。因此，為了防止晶體整個可用長度上麵團聚缺陷的形成，矽錠的拉制必須以相同速率繼續一直至在生長完成以後一以保證具有充分的持續或停留時間(除非矽錠是遵循一種別的生長工藝製備，諸如把矽錠在完成生長以後夾持在拉制艙內使用加熱器「以後」的拉制艙使之維持住而後慢慢冷卻)。
現參考圖6-8，進一步例解可接受生長速度的這個「窗口」對Ldw的依賴性。這些曲線可以用來測定從一給定組工藝條件已知的或希望的可變性著眼為了獲取基本沒有缺陷矽時所需的持續或停留長度。用另一個方式來敘述，設定每一晶體拉制器熱區具有一個固有臨界Go和以此而來的相應Vcr，一旦一個給定工藝可變性的總量被確定或一個希望的可變性被設立，這個V/Vcr比可以用來結合圖6-8裡的圖線去一般地測定防止團聚缺陷形成所需的持續或停留長度。
作為一個例子，如果要在一個晶體拉制器裡-其熱分布使得Vcr為約0.28mm/分(即曲線3)且希望可變性是約20％-生長200mm直徑錠棒(見例如圖6)，那麼可以生長一個單晶矽錠，其整個可用長度在Ldw的長度約100cm時基本沒有團聚缺陷。用另一個方式來敘述，如果通過使用上位加熱器和反射器等，熱區設計得使矽錠恆定直徑部分的每個軸向位置行走約100cm而同時從大約的固化溫度冷卻到團聚不會發生的臨界溫度，則上述這樣的單晶矽錠就可以生長出來。
籽細參看分別對應於200mm、150mm和300mm矽錠直徑的圖6-8，我們要提到的是我們提供了對於許多不同Vcr值的持續或停留長度，每個圖裡的曲線相應的Vcr值給出於下列表Ⅰ中。
表Ⅰ
再參照圖5，我們可以觀察出如果持續或停留長度足夠地大，為了生長一個基本上沒有團聚缺陷的填隙原子主導材料的矽錠，實際生長速度可以是小於大約臨界值的任何值。更具體地說，我們可以從圖7觀察出當Ldw接近約970mm即本例中的臨界長度(Lcr)時，對於V由而V/Go變化的「窗口」實質上是完全開放的，也就是，如果Ldw是約970mm，那麼小於大約Vcr的所有值由而小於V/Go臨界值加上某個戴爾他而容許通過複合消滅空位-這裡假定Go實質上恆定一的V/Go所有值就能夠生長出基本上沒有缺陷的填隙原子主導單晶矽。
Ldw臨界值對Vcr的依賴性可以進一步以方程(8)加以例解，其中所有單位都是mm和分鐘Lcr=0.35VcrR2(8)其中Lcr是Ldw的臨界值；也就是足以容許V為小於這個臨界值而仍然防止團聚缺陷形成的任何值；Vcr是如上所描述的生長速度(mm/分)的臨界值且R是正在生長中矽錠的半徑。
對於矽錠直徑為150mm、200mm和300mm的Ldw臨界長度和臨界生長速度Vcr之間的關係以圖9進一步加以例解(分別地見曲線1、2和3)。更具體地說，圖9中所提出的圖線表明可接受變化「窗口」完全開放時即填隙原子主導生長任何變化可以接受時的Vcr和為了取得在實質上整個可用長度上面基本上沒有缺陷的矽錠所需的相應Ldw之間的關係。
要提到的是一方面上述表達式旨在描述Ldw臨界值、生長速度和當軸向對稱區的寬度約等於矽錠寬度時的半徑之間的關係，一方面我們可以給出寬度小於或等於矽錠半徑的類似表達式。更具體地說，如果軸向對稱區的寬度小於或等於矽錠半徑，那麼方程(8)中表示矽錠半徑的R用(R-RV)予以取代，其中RV代表的是測量從中心軸向外輻射到V/I邊界所得空位主導核的寬度。依此，矽錠的半徑，至少部分地由於擴散距離已經減小，已經被自填隙原子主導區寬度所取代。當焦點是在空位主導區作為基本沒有缺陷的區域時，我們可以提供類似的關係，其中R被(R-R1)所取代，R1表示填隙原子主導區的寬度。
進一步要提到的是在上面所描述的諸關係是基於Go在橫過的矽錠半徑上恆定的假設時，對於Go徑向地變化的局面，一般地說，這同樣是真實的。更具體地說，Go方面的徑向變化是可以接受的，只要諸生長條件控制得可以保證自填隙原子的壓倒主導性(當然可以通過跟填隙原子複合而消滅的空位主導材料的核心除外)，因為假定有足夠時間，自填隙原子的向外擴散起著補償本徵點缺陷初始濃度任何變化的作用。當空位壓倒地主導時，這同樣實質上是真實的，只是會要求很長的時間。
一方面本工藝的強勁性質或伸縮性容許Go方面的徑向變化，我們也應當提到本工藝也容許Go方面的軸向變化。更具體地說，由於Go方面以及V的種種變化在從一個軸向位置到次一軸向位置時本徵點缺陷的初始濃度(即矽錠已經冷卻到約1300℃或甚至約1325℃以後的濃度)方面的變化一般地在靠近中心軸處-在那裡擴散距離典型地為最大-可以發生。於是，外擴散的效應能夠應用來抵消不管來自什麼原因的缺陷濃度方面的這些變化。
現參考圖10和圖11，我們劃出了閾值填隙原子濃度的規範值S(即團聚否則會形成的溫度Tcr時的濃度C跟在固化時的濃度Cim之比)和Go臨界值跟Go實際值之比二者之間的關係。要提到的是迄今為止的經驗啟發我們閾值濃度的這個規範值是小於約0.01，可能約0.005；也就是，假定規範化濃度保持在這個值以下，我們可以避免團聚自填隙原子本徵點缺陷的形成。
現參照圖10和下面相應的表Ⅱ，對於具有約150mm標稱直徑的單晶矽錠，對於許多的不同持續或停留長度，(Go)cr/Go方面的變化和規範化填隙原子濃度之間的關係可以觀察出來。從這個圖表方案，我們能夠看出來隨著持續或停留時間不斷地增加，即從曲線1到曲線7由右到左移動，曲線愈來愈多地處於估計閾值濃度約0.005以下，由而容許Go方面有較大的可變性。具體地說，如從表Ⅱ可以看出，對於一個恆定拉制速率，此處約為0.28mm/分，一個約30％可變性的「窗口」以在約一個典型晶體長度之內的持續或停留長度即小於約100cm提供給了Go。
表Ⅱ
(R=7.5cm；V=0.28mm/分；DI=2×10-4cm2/秒)從圖11和下面相應的表Ⅲ，可以對於標稱直徑約200mm的一個單晶矽錠作出類似的觀察。再一次地，我們能夠從該圖表方案看出隨著持續或停留長度增加，更多的該曲線是在約0.005的估計閾值濃度以下，由而容許Go有較大的可變性。然而，如表Ⅲ所述，這裡在持續或停留長度方面相同增大的影響被減低了，這是由於有效抑制填隙原子濃度故而防止團聚缺陷形成所必需的擴散距離增大了。
表Ⅲ
(R=10cm；V=0.28mm/分；D1=2×10-4cm2/秒)我們要提到的是能夠防止團聚缺陷形成的Go值「窗口」計算寬度是至少部分地依賴於S的估計值以及假設的填隙原子擴散率值D1-它在本處諸例中估計為約2×10-4cm2/秒。然而，這裡所提出的定性結果我們相信在S和D1的合理範圍值之內是相同的。
我們要進一步指出的是不像上面所討論的Go保持恆定而V容許變化的情況(見例如圖4和圖5)，從圖10和圖11，我們能夠看出這裡所提出的諸曲線達不到最大值。用另一個方式來敘述，當V容許變化，當持續或停留長度不斷增大時，最後我們達到一個點，在那裡整個曲線降到臨界濃度以下。與之對比，當Go容許變化時，就達不到這樣的點；也就是，可接受值的Go「窗口」不像當V容許變化時那樣地變成完全開放。
另外，如從圖10和圖11能夠觀察出的隨著Go增大，諸曲線不斷地攀爬上一個向上的斜坡。與之對比，當V容許變化時，諸曲線初始地有一個向上的斜坡，但而後在達到一個高臺以後改變為一個向下的斜坡。V變化諸曲線的形狀是產生於V減小的抵消效應。更具體地說，在V的減小引起填隙原子濃度的增加時，擴散時間也增加。在某個點上，擴散的效果勝似濃度的增加。如圖10和圖11所述，當Go是變化源時，沒有這樣的抵消效果出現。定義根據此中的應用，下列短語或詞彙得具有所給定的意義「團聚本徵點缺陷」意指(ⅰ)空位相團聚而產生D-缺陷、晶體源粒子缺陷、晶體源光點缺陷和其它此等空位相關的缺陷的反應(ⅱ)自填隙原子相團聚而產生位錯環線和網絡和其它此等自填隙原子相關缺陷的反應所引起的缺陷；「團聚填隙原子缺陷」意指矽自填隙原子原子團聚的反應所引起的團聚本徵點缺陷；「團聚空位缺陷」意指晶格空位相團聚的反應所引起的團聚本徵點缺陷；「半徑」意指從一個矽片或矽錠中心軸到外周邊所測到的距離；「基本上沒有團聚本徵點缺陷」意指一個小於這些缺陷檢測極限的團聚缺陷的濃度-目前是大約103缺陷/cm3；「V/I邊界」意指材料從空位主導變成自填隙原子主導的矽錠或矽片半徑沿線的位置；「空位主導」和「自填隙原子主導」意指其本徵點缺陷分別壓倒地是空位或自填隙原子的材料；「(V/Go)cr」意圖是指把矽錠冷卻時空位或自填隙原子由於複合而消滅的效果考慮在內的V/Go臨界值。
實例如下面實例所說明，本發明提供一個其中V/Go由於V、Go或二者變動可以徑向或軸向變化的製備單晶矽錠的工藝。通過使用控制冷卻效果和本徵點缺陷外擴散，本工藝由而提供了基本上沒有團聚本徵點缺陷單晶矽錠製備上的較大伸縮性以致不再需要把V/Go值保持在一個狹窄的「目標」值範圍之內。然而，我們應該提到的是實例提出的只是可以用來達成預期結果的方案和一組條件。於是，它不應該解譯為只有有限意義。
實例在一個晶體拉制器裡-它能夠生產其寬度和長度實質上分別等於矽錠恆定直徑部分半徑和長度的填隙原子主導材料的基本沒有缺陷軸向對稱區-我們生長了兩個200mm晶錠。這樣一個軸向對稱區當晶錠是以圖3A中的短橫線所描劃的速率(此後稱之為「無缺陷」生長速率曲線)生長時，可以在給定晶體拉制器裡獲得。
這兩個晶體是在相同目標生長速率生長的，此生長速率在圖3A中描劃為一根連續線，報導為一個規範化生長速率，即相對於臨界生長速率的實際生長速率，典型地表達為V/Vcr比。如所描劃，這些矽錠是初始地在超過「無缺陷」生長速率曲線的一個速率生長一段時間，而後在小於「無缺陷」生長速率曲線的一個速率生長一段時間，而後又在超過「無缺陷」生長速率的一個速率生長一段時間。
第一個矽錠(87GEX)被容許在矽錠完成生長以後在晶體生長艙裡自然地冷卻。可是，第二個晶錠(87GEW)沒有被容許在晶體生長艙裡自然地冷卻；相反地，在矽錠生長完成以後，晶體拉制器熱區的諸加熱器保留著加熱且矽錠在拉制艙裡保溫了30分鐘。
我們要提到的是關於第二個晶錠(87GEW)，應用的是一個非-均勻溫度分布，該分布是這樣建立的在此段期間離籽晶之端大於約400mm的矽錠諸區保持在超過約1,050℃的一個溫度而離籽晶之端小於約400mm的諸區保持在小於約1,050℃的一個溫度。
這裡矽錠沿著平行於生長方向的中心軸縱向地加以切條，而後進一步分成每個約2mm厚的小段。使用一種銅染色技術(如PCT/US98/07356和PCT/US98/07304中所描述)，繼之以一種標準缺陷輪廓腐蝕，對這些樣品存在的沉澱雜質予以視力監測；沒有這樣些沉澱雜質的諸區域是對應於沒有團聚填隙原子缺陷的那些區域。而後對每個晶體的各個小段進行照相併把它組合起來以顯示每個晶體從籽晶到尾端的結果。第一個自然冷卻矽錠(87GEX)的照相集在圖3B裡描劃出，第二個保溫晶體的照相集在圖3C裡描劃出。
現參考圖3A、圖3B和圖3C，我們可以看出自然冷卻矽錠(87GEX)從0mm到約393mm包含有團聚空位缺陷，從約393mm到約435mm沒有團聚本徵點缺陷，從約435mm到約513mm包含有團聚本徵點缺陷，從約513mm到約557mm沒有團聚本徵點缺陷，從557mm到晶體末尾包含有團聚空位缺陷。這些是相對應於這個熱區在無缺陷生長條件以上、之內和以下的各個區域。保溫的矽錠(87GEW)從約0mm到約395mm包含有團聚空位缺陷，從約395mm到約584mm沒有團聚本徵點缺陷，從約584mm到約晶體的末尾包含有團聚空位缺陷。因此，這兩個矽錠之間最顯著的不同發生在從約435mm到約513mm的區域，其中自然冷卻的矽錠(87GEX)包含有團聚本徵點缺陷而保溫的矽錠(87GEW)沒有。在保溫期間，在保溫矽錠(87GEW)中自填隙原子矽原子的濃度受到自填隙原子原子增多地擴散到矽錠表面和空位主導區的抑制，由而臨界超飽和和填隙原子原子的團聚反應緊隨著晶體的固化而避免了。可是，在自然冷卻的晶體裡，容許給更多地擴散到表面和空位主導區的時間不充分，結果是，在矽自填隙原子方面變成臨界地超飽和且團聚反應發生。
要提到的是這些矽錠，因此，以實例闡明了只要有充分數額的時間和充分高的溫度，實際上任何數額的矽自填隙原子原子都能外擴散到表面。
我們還要進一步提到圖3A描劃的「無缺陷」生長率在這個晶體拉制器構造自然冷卻條件下，曲線落在完全沒有團聚本徵點缺陷材料的一個生長速率範圍之內。現參考下面表Ⅳ，我們能夠看出甚至在這個熱區的構造自然冷卻條件下，在團聚空位缺陷形成的生長速率(PV)和團聚本徵點缺陷形成的生長速率(PI)之間存在一個晶體生長率的範圍；這個範圍是至少PV和PI的平均量的±5％。當在超過約1,050℃的諸溫度生長出的晶體留駐時間增多時，這個範圍在其例PV和PI平均量的至少±7.5％、至少±10％、或甚至至少±15％進一步增大(例如對於晶體87GEW，留駐是充分地長以致達不到PI，由而這個晶體的PI是小於達成的最低拉制速率)。
表Ⅳ
對於一個已給定的晶體拉制器和熱區的構造，我們可以假設在諸如這裡發生的轉變或過渡範圍那種相對短的距離上面，軸向溫度梯度Go是近似恆定的。其後果是晶體生長速率方面的變化導致V/Go方面的成比例變化，由而空位和矽自填隙原子方面的成比例變化。然而，一般地，在中心錠V/Go的變化因其距表面最遠而是最臨界的值。因此，本例的結果宣示在大於約1,000℃的諸溫度通過增大了的持續或停留時間所獲得拉制速率變化方面的增大意味著V/Go方面的那些相應變化可以在沿著晶體半徑的任何點發生。換言之，V/Go的徑向變化是不相干的，於是，例如，它可以在任何徑向位置超過錠中心V/Go值的10％、15％或更多。
如從上面數據可以看出通過控制冷卻率，容許這些缺陷有更多時間擴散到它們可能被消滅的區域可以抑制本徵點缺陷濃度。結果是，團聚本徵點缺陷的形成在單晶矽錠恆定直徑部分的一個巨大部分裡被防止了。
鑑於以上所述，我們將看到發明的多個目的是達成了。
因在上面的多種組合和工藝中可能作出各種各樣的變化而不離開本發明的範圍，我們有意指出上面說明書中所包含的所有內容得解釋為例解性的且不是有限意義的。
權利要求
1．一種生長單晶矽錠的工藝，該矽錠具有一個中心軸、一個籽晶錐、一個尾晶錐、一個籽晶錐和尾晶錐之間直徑恆定部分和一個包含直徑恆定部分的一部分並基本上沒有團聚本徵點缺陷的錠段，該工藝包括使隨著矽錠生長，V/Go比作為錠段長度的函數被容許在一個最小值(V/Go)min和一個最大值(V/Go)max之間變動，其中V是生長速度，Go是中心軸處約1300℃和固化溫度之間的平均軸向溫度梯度，(V/Go)min不大於(V/Go)max的約95％；且把錠段從固化溫度在一個足以在該錠段之內防止團聚本徵點缺陷形成的停留時間tdw內冷卻到約1050℃和約900℃之間的一個溫度。
2．按照權利要求1的工藝，其中錠段的長度至少是恆定直徑部分的長度的約40％。
3．按照權利要求1的工藝，其中錠段的長度至少是恆定直徑部分的長度的約80％。
4．按照權利要求1的工藝，其中錠段的長度至少是恆定直徑部分的長度的約90％。
5．按照權利要求1的工藝，其中該矽錠的標稱直徑為約150mm且tdw為至少約10小時。
6．按照權利要求1的工藝，其中該矽錠的標稱直徑為約200mm且tdw為至少約20小時。
7．按照權利要求1的工藝，其中該矽錠的標稱直徑為約200mm且tdw為至少約40小時。
8．按照權利要求1的工藝，其中(V/Go)min不大於(V/Go)max的約90％。
9．按照權利要求8的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分長度的約40％。
10．按照權利要求8的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分長度的至少約80％。
11．按照權利要求8的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分長度的至少約90％。
12．按照權利要求8的工藝，其中該矽錠的標稱直徑大於150mm且tdw為至少約10小時。
13．按照權利要求8的工藝，其中該矽錠的標稱直徑為約200mm且tdw為至少約20小時。
14．按照權利要求8的工藝，其中該矽錠的標稱直徑大於約200mm且tdw為至少約40小時。
15．按照權利要求1的工藝，其中(V/Go)min不大於(V/Go)max的約80％。
16．按照權利要求15的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分的長度的至少約40％。
17．按照權利要求15的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分的長度的至少約80％。
18．按照權利要求15的工藝，其中該錠段的長度為恆定直徑部分的長度的至少約90％。
19．按照權利要求15的工藝，其中該錠段的標稱直徑為約150mm且tdw為至少約10小時。
20．按照權利要求15的工藝，其中該矽錠的標稱直徑為約200mm且tdw為至少約20小時。
21．按照權利要求15的工藝，其中該矽錠的標稱直徑大於200mm且tdw為至少約40小時。
22．一種生長單晶矽錠的工藝，該矽錠具有一個中心軸、一個籽晶錐、一個尾晶錐、一個籽晶錐和尾晶錐之間具有一個外周邊和從中心軸伸展到外周邊的半徑的恆定直徑部分，該單晶矽錠的特徵在於在該矽錠按照左克拉斯基方法從矽熔體生長並從固化溫度冷卻之後，直徑恆定部分包含一個基本上沒有團聚本徵點缺陷的軸向對稱區，該工藝包括在從固化到約1300℃的溫度範圍裡在生長該錠恆定直徑部分期間，對生長速度V和平均軸向溫度梯度Go予以控制；且控制軸向對稱區的冷卻速率，軸向對稱區從一個在約1400℃和約1300℃之間的第一溫度T1冷卻到在約1050℃和約900℃之間的一個第二溫度T2，其從T1到T2的溫降速率被控制得在每一個T1和T2之間的中間溫度Tint，軸向對稱區矽自填隙原子本徵點缺陷濃度小於團聚本徵點缺陷形成時的臨界濃度，其中軸向對稱區的寬度從外周邊向中心軸測量為該矽錠恆定直徑部分寬度的至少約30％，其長度為該矽錠恆定直徑部分的長度的至少約20％。
23．按照權利要求22的工藝，其中軸向對稱區的寬度為恆定直徑部分寬度的至少約60％。
24．按照權利要求22的工藝，其中軸向對稱區的寬度為恆定直徑部分的寬度的至少約95％。
25．按照權利要求22的工藝，其中軸向對稱區的寬度大約等於恆定直徑部分的寬度。
26．按照權利要求22的工藝，其中軸向對稱區的長度為恆定直徑部分的長度的至少約40％。
27．按照權利要求26的工藝，其中軸向對稱區的寬度為恆定直徑部分的寬度的至少約60％。
28．按照權利要求26的工藝，其中軸向對稱區的寬度為恆定直徑部分的寬度的至少約95％。
29．按照權利要求26的工藝，其中軸向對稱區的寬度約等於恆定直徑部分的寬度。
30．按照權利要求22的工藝，其中軸向對稱區的長度為恆定直徑部分的長度的至少約80％。
31．按照權利要求22的工藝，其中平均溫降速率是在約0.1℃/分和約3℃/分之間。
32．按照權利要求22的工藝，其中平均溫降速率是在約0.1℃/分和約1℃/分之間。
33．按照權利要求22的工藝，其中平均溫降速率是在約0.1℃/分和約0.5℃/分之間。
全文摘要
一種生長具有一個基本上無團聚本徵點缺陷的軸向對稱區單晶矽錠的工藝。單晶矽錠一般是按照左克拉斯基方法生長;可是,該錠從固化溫度冷卻到超過約900℃的一個溫度被控制得容許有本徵點缺陷的擴散以使在此軸向對稱區內無團聚缺陷形成。是以,V/Go比由於V或Go的變化被容許在此區域之內軸向地變動至少5%於一個最小值和一個最大值之間。
文檔編號C30B29/06GK1304459SQ99807092
公開日2001年7月18日 申請日期1999年6月25日 優先權日1998年10月14日
發明者R·J·法勒斯特, V·沃諾考弗, P·馬逖 申請人:Memc電子材料有限公司