KR19990077706A - 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법 및 실리콘 단결정 웨이퍼 - Google Patents

실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법 및 실리콘 단결정 웨이퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성하고, 이 단결정봉을 절단하여 실리콘 단결정 웨이퍼로 가공한 후, 상기 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 실리콘 단결정 웨이퍼에 관한 것이다.
이러한 본 발명에서는 CZ법에 의해 제조되는 실리콘 단결정내에 결정결함(growm-in defects)의 성장이 억제되고, 특히 웨이퍼의 표면층에서의 결정결함성장을 방지함과 동시에, 혹 작은 결정결함이 발생하더라도 단시간의 열처리로 이를 확실히 제거할 수 있는 실리콘 단결정의 제조방법이 제공된다.

Description

실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법 및 실리콘 단결정 웨이퍼{A METHOD FOR PRODUCING A SILICON SINGLE CRYSTAL WAFER AND A SILICON SINGLE CRYSTAL WAFER}
본 발명은 쵸크라스키법(Czochralski method; 이하, "CZ법"이라 한다)에 의해 실리콘 단결정을 인상할 때 질소를 도프(dope)하여 결정내부에 존재하는 그로우-인(grown-in) 결함이라 불리는 결정결함의 크기를 줄임과 동시에 이 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 고온열처리함으로써 웨이퍼 표면의 결정결함을 제거한 실리콘 단결정 웨이퍼를 높은 생산성으로 제조하는 방법 및 이 방법으로 제조된 실리콘 단결정 웨이퍼에 관한 것이다.
반도체 집적회로 등의 디바이스(device)를 제작하기 위한 웨이퍼는, 쵸크라스키법(CZ법)에 의해 육성된, 실리콘 단결정 웨이퍼가 주로 이용되고 있다. 이러한 실리콘 단결정 웨이퍼에 결정결함이 존재하면 반도체 디바이스의 제작시 패턴 불량 등이 발생한다. 특히, 근래 고도로 집적화된 디바이스에 있어서의 패턴 폭은 0.35㎛ 이하이다. 따라서, 0.1㎛로 작은 결정결함의 경우에도 이러한 디바이스에서는 패턴 불량 등의 원인이 될 수 있으며, 이 디바이스의 생산성과 품질 특성을 현저하게 떨어뜨린다. 그러므로, 실리콘 단결정 웨이퍼에 존재하는 결정결함은 극력 감소되어야 한다.
최근에는 CZ법에 의해 육성된 실리콘 단결정에는 상기 그로우-인 결함이라 불리는, 결정 성장중에 도입된 결정결함이 여러 가지 측정법에 의해 발견되는 것이 보고되고 있다. 예를들면, 이들 결정결함은 상용제품으로서 일반적인 성장속도(예를들어 약 1mm/min이상)로 인상된 단결정을 Secco액(K2Cr2O7와 플루오르화수소산과 물의 혼합액)으로 표면을 선택적으로 에칭(Secco에칭) 하면 피트(pit)로서 검출이 가능하다(특개평 4-192345호 공보 참조).
이 피트의 주된 발생원인은 단결정 제조중에 응집하는 원자 공공의 클러스터(cluster) 혹은 석영도가니로 부터 혼입되는 산소원자의 응집체인 산소석출물이라 여겨지고 있다. 이들 결정결함은 디바이스가 형성되는 표층부(0~5마이크론)에 존재하여 디바이스의 특성을 열화시킨다. 따라서, 이러한 결정결함을 저감하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
예를 들면, 상기 원자공공의 클러스터의 밀도는 결정의 성장속도를 극단적으로 저하(예를들어, 0.4mm/min이하)시키면 낮출 수 있다는 것이 알려져 있다(특개평2-267195호 공보 참조). 그러나, 이 방법에서는 과잉의 격자간 실리콘이 새로 모여 형성하는 전위 루프라고 생각되는 결정결함이 발생하고, 이 결함은 디바이스 의 특성을 현저하게 열화시킨다. 따라서, 이 방법으로는 상기 문제를 해결할 수 없다. 게다가 이 방법에서는 결정성장속도를 종래의 약 1.0mm/min이상에서 0.4mm/min이하로 저하시키 때문에 현저한 단결정 생산성의 저하 및 비용 상승을 초래한다.
또한, 웨이퍼 표층부에서 산소석출물에 기인하는 결정결함을 저감하기 위해 1100℃이상의 고온에서 웨이퍼를 열처리하므로써 결정중의 산소를 외부쪽으로 확산하여 산소석출물을 용해 소멸시키는 해결방법이 취해지고 있다. 그러나, 이 방법에서는 열처리를 예를들어, 4시간 이상이라는 긴 시간 동안 하여야 하기 때문에 생산성과 비용적인 면에서 불리하다. 게다가 이 방법에서는 웨이퍼의 온도를 승하강시키는데 많은 시간이 걸리고, 이러한 온도 승하강 중에 디바이스형성층에서 산소석출물이 형성되어 버리기 때문에 소정의 목적, 효과가 달성될 수 없는 경우가 많다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 CZ법에 의해 만들어지는 실리콘 단결정 웨이퍼에 결정결함(그로우-인 결함) 형성을 억제하고, 특히 웨이퍼의 표면층에서의 결정결함 발생을 없애는 동시에 설령 작은 결정결함이 발생하여도 단시간 열처리에 의해 확실히 제거하여 극히 저결함의 실리콘 단결정 웨이퍼를 높은 생산성으로 간단히 만드는 제조방법 및 이 방법을 이용하여 실리콘 단결정 웨이퍼를 제공하는 것을 주 목적으로 한다.
도1은 실시예1과 비교예1에 있어서, Secco 에칭후, 표면을 현미경 관찰하여 피트 밀도를 측정한 결과와 열처리 효과를 보이는 결과도이다(검은 원은 질소를 도프한 본 발명의 방법이고, 하얀 원은 질소를 도프하지 않은 종래법이다).
도2는 열처리후의 웨이퍼의 산화막 내압특성(C-모드)을 측정한 결과를 보이는 결과도이다.
도3은 실리콘 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각할 수 있는 장치의 일례를 보인 개략도이다.
도 4는 실시예2와 비교예2의 결과를 보이는 그래프이다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉를 육성한 다음, 이 단결정봉를 절단(slice)하여 실리콘 단결정 웨이퍼로 가공하고, 상기 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로열처리하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법이다.
이와 같이, CZ법에 의해 단결정봉을 육성할 때 질소를 도프하므로써, 상기 결정성장중에 도입되는 결정결함의 성장을 억제할 수 있다. 또한, 결정결함 발생이 억제되는 결과, 결정성장속도를 고속화할 수 있으므로 결정의 생산성을 현저히 개선할 수 있다.
그리고, 이와 같은 질소를 도프한 실리콘 단결정으로부터 가공된 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리하면 웨이퍼 표면의 산소 및 질소는 외측으로 확산되어 이 웨이퍼 표면층의 결정결함을 효율적으로 소멸시킬 수 있다. 따라서, 웨이퍼 표면의 결정결함이 극히 적은 실리콘 단결정 웨이퍼를 얻을 수 있다. 더욱이, 급속하게 온도를 승하강할 수 있으므로 온도의 승하강중에 산소석출 등에 기인하는 결정결함이 새로이 발생하지도 않고, 열처리에 요하는 시간을 현저하게 단축할 수 있다.
한편, 웨이퍼의 벌크(bulk)부에서는 질소의 존재로 산소석출이 촉진되므로 소위 intrinsic gettering효과(IG효과)가 우수한 웨이퍼를 제조할 수 있다.
쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성할 때 도프하는 질소농도를 1×1010~5×1015atoms/㎤로 함이 바람직하다.
이는 결정결함의 성장을 충분히 억제하려면 질소농도를 1×1010atoms/㎤이상으로 함이 바람직하고, 실리콘 단결정의 단결정화가 방해되지 않도록 하려면 질소농도를 5×1015atoms/㎤이하로 함이 바람직하기 때문이다.
쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성할 때 단결정봉에 함유되는 산소농도를 1.2×1018atoms/㎤(ASTM `79값)이하로 함이 바람직하다.
이와같이 산소를 낮게하면 결정결함 형성을 보다 억제할 수 있고, 표면층에서 산소석출물의 형성을 억제할 수도 있다. 벌크부에서는 질소의 존재에 의해 산소석출이 촉진되므로 저산소로서도 충분히 IG효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 급속가열, 급속냉각 장치에 의한 웨이퍼의 열처리는 1100℃~실리콘의 융점이하의 온도에서 1~60초간 행할 수 있다.
이와 같이, 급속가열, 급속냉각장치를 이용하여 웨이퍼를 1100℃~실리콘의 융점이하라는 고온에서 열처리 하므로써, 웨이퍼 표면층의 산소, 질소를 외측으로 충분히 확산하여 결정결함을 확실히 소멸시킬 수 있고, 열처리 시간도 60초이하로 극히 단시간화 할 수가 있다.
본 발명의 실시예에서 급속가열, 급속냉각장치로 행하는 웨이퍼의 열처리는 산소, 수소, 알곤 혹은 이들의 혼합분위기하에서 행함이 바람직하다.
이와 같이 가스 분위기에서 열처리를 하므로써, 실리콘 웨이퍼에 유해한 표면피막을 형성시키지 않고, 산소, 질소를 외측으로 효과적으로 확산시켜 웨이퍼 표면층의 결정결함을 소멸시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 제조방법으로 제조된 실리콘 단결정 웨이퍼는 극히 낮은 결정결함을 갖는다. 웨이퍼 표면의 결정결함 밀도를 10개/㎠(결함/㎠)이하로 할 수 있고, 그리고 웨이퍼의 표층부로부터 0.2㎛ 깊이까지의 영역에서 COP밀도는 8.0×104개/㎤이하로 할 수 있으므로 디바이스의 제조수율를 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 CZ법에 의해 제조되는 실리콘 단결정에 결정결함의 성장을 질소가 도핑된 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리하여 저감시키면 웨이퍼의 표면층에서 결정결함을 저감시킬 수 있다. 따라서, 극히 낮은 결함을 갖는 실리콘 단결정 웨이퍼를 고생산율로 용이하게 제조할 수 있다.
다음 이하에 본 발명은 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 여기에 제한되는 것이 아니다.
본 발명은 CZ법에 의해 실리콘 단결정 육성중에 질소를 도프하는 기술과 급속가열, 급속냉각장치로 실리콘 단결정 웨이퍼를 열처리하여 웨이퍼 표면의 결정결함을 소멸시키는 기술을 조합시키므로써, 디바이스 형성층(웨이퍼의 표면층)내에 결정결함이 극히 적은 실리콘 단결정 웨이퍼를 높은 생산성으로 얻을 수 있음을 밝혀내고 이러한 모든 조건을 정밀 조사하여 본 발명을 완성시킨 것이다.
즉, 실리콘 단결정내에 질소를 도프하면 실리콘내의 원자 공공의 응집이 억제되어 결정결함 크기가 저하하는 것이 지적되어 있다(T. Abe and H. Takeno, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 262, 3, 1992). 이 효과는 원자 공공의 응집과정이 균일 핵형성에서 불균일 핵형성으로 이행하기 때문인 것이라 사료된다. 따라서, 질소를 도프하는 CZ법에 의해 실리콘 단결정을 육성하면 결정정결함이 적은 실리콘 단결정을 얻을 수 있음에 따라 결정결함이 적은 실리콘 단결정 웨이퍼를 이 공정에 의해 얻을 수 있다. 이 방법은 상기 종래법과는 달리, 결정성장속도를 반드시 저속화할 필요가 없기 때문에 높은 생산성으로 실리콘 단결정 웨이퍼를 얻을 수 있다.
그러나, 이 실리콘 단결정중의 질소원자는 산소석출을 조장시키는 것으로 알려져 있다(예를들면, F. Shimura and R. S. Hockett, Appl. Phys. Lett. 48,224, 1986). CZ법에 의한 육성된 실리콘 단결정 웨이퍼내에 질소를 도프하면 디바이스의 제조중에 OSF(산화 유기 적층결함) 등의 산소석출에 기인한 결함이 많이 생긴다. 따라서, 질소를 도프한 CZ실리콘 단결정 웨이퍼는 디바이스제작용 웨이퍼로서는 통상 이용되지 않았다.
결정내에 질소를 도프할때 결정결함(그로우-인 결함)이 형성되기 어렵다는 잇점을 활용하는 본 발명에서는, 고온 열처리로 표면층내 산소 및 질소를 외측으로 확산시켜서 산소석출에 기인하여 발생하는 결함을 막을 수 있음에 따라 웨이퍼의 표면에 극히 결정결함이 적은 실리콘 단결정 웨이퍼를 얻음에 성공했다.
웨이퍼의 벌크부에는 질소가 함유되어 산소의 석출이 촉진되는 결과, 같은 산소농도를 갖으면서 질소가 함유되지 않는 통상의 웨이퍼 보다도 석출물이 더 존재하기 때문에 IG효과가 강하게 된다. 따라서, 이러한 웨이퍼에서는 산소농도가 줄어들어서 표면에의 결정결함의 발생이 한층 더 억제될 수 있다.
더욱이, CZ법에 있어서 결정 인상속도를 저하시킬 필요가 없기 때문에 높은 생산성을 얻을 수 있는 잇점도 있다.
본 발명에서, 질소를 도프한 실리콘 단결정봉은 이미 알려져 있는 방법 예를들어, 특개소60-251190호에 기재되어 있는 바와 같은 공지방법에 따른 CZ법으로 육성할 수 있다.
즉, CZ법은 석영도가니안에 수용된 다결정 실리콘 원료의 융액에 종결정을 접촉시키고, 이를 회전시키면서 천천히 인상하여 소정 직경의 실리콘 단결정봉을 육성하는 방법으로, 실리콘 단결정내에 질소의 도프는 미리 석영도가니내에 질화물을 넣어 두든가, 실리콘 융액중에 질화물을 투입하든가, 질소를 함유한 분위기 가스를 이용할 수 있다. 이때, 결정내에 도핑양은 질화물의 양, 도입되는 질소가스의 농도 혹은 시간 등을 조정하여 조절할 수 있다.
이와 같이, CZ법에 의해 단결정봉을 육성할 때, 질소를 도프하므로써, 결정성장중에 도입되는 결정결함의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 결정결함의 성장을 억제하기 위해 결정성장속도를 예를들면, 0.4mm/min이하로 저속화할 필요가 없으므로 결정의 생산성을 현저히 개선할 수 있다.
실리콘 중에 도입되는 결정결함의 성장이 감소하는 이유는 전술한 대로 원자 공공의 응집과정이 균일 핵형성에서 불균일 핵형성으로 이행하기 때문으로 여겨진다.
따라서, 도프하는 질소의 농도는 불균일 핵형성을 충분히 일으키기 위해, 1×1010atoms/㎤ 이상으로 함이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5×1013atoms/㎤ 이상으로 하는 것이 좋다.
질소농도가 실리콘 단결정내 질소농도의 고용한계인 5×1015atoms/㎤ 을 넘으면 실리콘 단결정의 단결정화를 저해한다. 따라서, 농도가 그 값을 넘지 않도록 조절한다.
또한, 본 발명에서 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 CZ법으로 육성할 때에 단결정봉에 함유되는 산소농도를 1.2×1018atoms/㎤ 이하로 함이 바람직하다.
이와 같이 산소농도를 낮게 함과 동시에 질소가 함유되면 결정결함의 성장을 한층 더 억제할 수 있고, 상기 OSF의 형성도 억제할 수 있다.
실리콘 단결정봉을 육성할 때 산소농도를 상기 범위로 저하시키는 방법은 종래부터 관용되고 있는 방법으로 할 수 있다. 예를들면, 도가니 회전수의 감소, 도입 가스유량의 증가, 분위기 압력의 저하, 실리콘 융액의 온도분포 및 대류의 조정 등에 의해 간단히 상기 산소농도범위로 조절할 수 있다.
이렇게 하여 CZ법에 있어서, 소정 농도의 질소가 도프되고, 소정 농도의 산소를 함유하는 실리콘 단결정봉을 얻을 수 있다. 이 실리콘 단결정 봉을 통상의 방법에 따라 inner diameter blade slicer 혹은 wire saw 등의 절단장치로 절단한 후, 면취(chamfering), 래핑(lapping), 에칭, 폴리싱 등의 공정을 거쳐 실리콘 단결정 웨이퍼로 가공한다. 물론, 이들의 공정은 예시적으로 열거한 것으로, 이들 외에도 세정 등 각종 공정이 있을 수 있으며, 이 공정은 목적에 따라 적절히 변경될 수 있으며 즉, 공정 순서의 변경, 일부공정이 생략될 수 있다.
이어 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리하여 웨이퍼 표면의 산소 및 질소를 외측으로 확산시키고, 결정결함을 소멸시킨다.
여기서, 급속가열, 급속냉각이라 함은 예를 들어, 웨이퍼를 소정 온도범위로 설정된 열처리안으로 바로 투입한 다음 소정 열처리 시간 경과후 바로 꺼내는 방법이나, 또는 웨이퍼를 열처리 노내의 설정 위치에 설치한 후, 램프 가열기 등으로 바로 가열처리하는 방법이다. 상기 "바로 투입(immediately loaded into)" 또는 "바로 꺼내(immediately loaded out)"란 용어는 온도상승과 온도하강을 일정시간이넘지 않도록 조정하는 것으로, 종래와 같이 열처리 노내에 웨이퍼를 천천히 투입하고 천천히 취출하는 소위 투입, 취출 조작을 행하지 않는 것이다. 물론, 노내의 소정 위치까지 웨이퍼를 이동시킬려면 어느 정도 시간이 걸리는 것은 당연한데 예를 들어, 웨이퍼를 투입하기 위한 이동장치의 능력에 따라 수초에서 수분간 행해진다.
그리고, 본 발명에서 이용되는 급속가열, 급속냉각장치의 예로는 열방사에 의한 램프 가열기와 같은 가열기등이 포함된다. 또한, 시판되고 있는 것으로서는 SHS-2800(AST사 제품)과 같은 장치를 예로 들 수 있다. 이들 장치는 특별히 복잡하지 않고 고가도 아니다.
여기에, 본 발명에서 이용되는 급속가열, 급속냉각장치의 일례를 보인다. 도3은, 급속가열, 급속냉각장치의 개략도이다.
도3의 열처리 장치 10은, 예를 들면 탄화규소 혹은 석영으로 이루어지는 bell jar 1을 구비하고, 이 bell jar 1내에서 웨이퍼가 열처리된다. 이 bell jar 1의 가열은 bell jar1을 둘러싸도록 배설되는 가열히터 2, 2'에 의해 행해진다. 이 가열히터는 상하 방향으로 분할되어 있다. 또한, 각 히터에 공급되는 전력은 독립적으로 제어할 수 있도록 되어 있다. 가열방식은 이에 한정되지 않으며 방사가열, 고주파 가열방식 또한 적용될 수 있다. 가열히터 2, 2'의 외측에는 열을 차폐하기 위한 하우징 3이 배치되어 있다.
노의 하방에는 수냉 챔버 4와 베이스 플레이트 5가 배치되며, 이들은 bell jar 1내를 대기로 부터 봉쇄한다. 그리고 웨이퍼 8은 스테이지 7위에 보지되어 있으며, 스테이지 7은 모터 9에 의해 상하로 자유로이 움직이는 지지축 6의 상단에 취부되어 있다. 수냉챔버 4에는 세로방향으로 웨이퍼를 노내에 집어 넣거나 꺼낼 수 있도록 게이트 밸브에 의해 개폐 가능하게 구성되는 미도시된 웨이퍼 삽입구가 마련되어 있다. 또한, 베이스 플레이트 5에는 가스 유입구와 배기구가 마련되어 있고, 노내 가스 분위기를 조정할 수 있도록 되어 있다.
이상과 같은 열처리 장치 10에 의해 실리콘 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각하는 열처리는 다음과 같이 행해진다.
우선, 가열히터 2, 2'에 의해 bell jar 1내를, 예를들어 1100~ 실리콘의 융점이하의 소정 온도로 소정의 분위기에서 가열하고, 이 온도로 유지한다. 히터들로 공급되는 전력을 서로 독립적으로 조절하면. bell jar 1내의 높이 방향을 따라 온도분포를 설정할 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 열처리온도는 스테이지 7의 위치, 즉 노내에 지지축 6을 삽입하는 량에 따라 결정할 수 있다.
bell jar 1내가 소정 온도로 유지되면, 웨이퍼를 열처리 노 10에 인접하여 배치되는 미도시된 웨이퍼 핸드링 장치에 의해 수냉챔버 4의 삽입구에 넣는다. 삽입된 웨이퍼는 예를 들어 최하단 위치에서 대기시킨 스테이지 7위에 제공되는 SiC 보우트위에 놓여진다. 이때, 수냉챔버 4 및 베이스 플레이트 5는 수냉되어 있으므로 대기지점에 위치한 웨이퍼는 이 위치에서 고온으로 가열되지 않는다.
웨이퍼를 스테이지 7위에 적치 완료하면, 모터 9가 지지축 6을 노내에 삽입하기 위해 구동하여 스테이지 7을 1100℃~ 실리콘의 융점온도이하로 설정된 가열온도의 위치로 상승시키고, 이 온도에서 웨이퍼를 열처리한다. 이 경우, 스테이지7를 수냉챔버 4내의 하단 대기위치에서 열처리위치까지 이동하는데에는 예를들어 20초 정도밖에 걸리지 않으므로 실리콘 웨이퍼는 급속가열된다.
스테이지 7은 소정의 온도위치에서 설정된 시간동안(예를들면, 1~60초) 정지되므로 웨이퍼는 정지 시간동안 고온 열처리된다. 설정시간이 경과하여 고온 열처리가 종료되면 모타 9는 바로 구동하여 지지축 6을 노내에서 꺼내어 수냉챔버 4내의 하단 대기위치로 스테이지7를 하강시킨다. 이 하강동작은 예를들면, 약 20초 정도내에 완료할 수 있다. 스테이지 7 위의 웨이퍼는 수냉챔버 4 및 베이스 플레이트 5가 수냉되어 있으므로 급속히 냉각된다. 최종적으로 웨이퍼 수냉챔버4내의 웨이퍼를 웨이퍼 핸드링 장치에 의해 꺼내면 열처리가 완료된다.
다시 열처리할 웨이퍼가 있는 경우에는 고온으로 설정된 열처리 노 10내로 투입하여 연속적으로 열처리할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리하는 경우 에 열처리 조건으로서는 1100~ 실리콘의 융점이하의 온도로, 1~ 60초간 행함이 바람직하다.
이것은 급속가열, 급속냉각장치를 이용하여 1100~ 실리콘 융점이하의 고온에서 열처리함으로써, 충분히 웨이퍼 표면층의 산소, 질소를 외측으로 확산할 수 있으므로 확실하게 결정결함을 소멸시킬 수 있고, 열처리 시간을 60초 이하로 극히 단시간화할 수 있기 때문이다.
이 경우 열처리 시간을 1~ 60초 사이로 하는 이유는 다음과 같다. 산소 및 질소를 충분히 외측으로 확산시키기 위해서는 적어도 1초이상 열처리할 필요가 있고, 또한, 이를 위해서는 60초이면 충분하기 때문이다.
게다가 온도 상승 또는 하강을 급속하게 할 수 있으므로 새로운 결정결함 또는 새로운 산소석출이 생기지 않는다.
또한, 열처리 분위기로서는 산소, 수소, 알곤 또는 이들의 혼합 분위기하에서 행하면 실리콘 웨이퍼에 유해한 표면피막을 형성시키지 않으면서 유효하게 산소, 질소를 외측으로 확산시켜 웨이퍼 표면층의 결정결함을 소멸시킬 수 있다.
특히, 수소, 알곤 혹은 이들의 혼합 분위기와 같은 비산화성 또는 환원성분위기에서 고온 열처리를 행하면 웨이퍼 표면의 결정결함을 쉽게 소멸시킬 수 있으므로 보다 바람직하다. 또한, 수소와 알곤의 혼합 분위기로 하면 열처리중 웨이퍼에 스립전위(slip dislocation)가 발생하기 어렵게 됨이 확인되었다. 이와 같이 질소를 도프하는 CZ법에 의해 실리콘 단결정 웨이퍼 표면에 결정결함이 극히 적은 실리콘 단결정 웨이퍼를 얻을 수 있다. 특히, 웨이퍼 표면의 결정결함 밀도를 확실히 10개/㎠ 이하로 줄일 수 있고, 실질적으로 제로로 할 수도 있다.
더욱이, 웨이퍼의 표면으로부터 0.2㎛의 깊이까지의 영역에서 COP밀도는 8×104개/㎤이하로 할 수 있다. 따라서, 디바이스의 수율을 확실히 개선할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 본 발명의 실시예 및 비교예을 통해 보다 구체적으로 설명한다. 이러한 실시예들이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
(실시예1, 비교예 1)
CZ법에 따라 직경 18인치인 석영 도가니에 다결정 실리콘 원료 40Kg를 장입한 다음, 통상의 인상속도인 0.8~1.5mm/min의 범위의 다양한 속도로 직경 6인치로 <100>방위를 갖는 10개의 실리콘 단결정봉을 인상하였다.
이중 5개에는 원료중에 미리 0.12g의 질화규소막을 구비한 실리콘 웨이퍼를 투입하여 인상한 것이다. 나머지 5개는 질소를 도프하지 않고 인상한 것이다. 이들모두 인상할 때 단결정내의 산소농도가 0.9~1.0×1018atoms/㎤ 이 되도록 도가니의 회전수를 조정하였다.
질소를 도프한 결정봉의 끝부분의 질소농도를 FT-IR에 의해 측정한 바, 평균적으로 5.0×1014atoms/㎤ 였다(질소의 편석계수는 매우 작으므로 결정봉의 직통부의 농도는 이 값 이하가 된다.). 또한, 모든 결정봉의 산소농도를 FT-IR에 의해 측정한 바, 모두 대략 0.9~1.0×1018atoms/㎤ 였다.
이와 같이 하여 얻어진 단결정봉을 wire saw를 이용하여 웨이퍼로 절출하고, 면취, 래핑, 에칭, 경면연마 가공을 하였다. 모든 단결정봉은 질소도프의 유무이외의 조건을 제외하고는 거의 동일한 조건으로 제조되었다. 2종류의 직경 6인치 실리콘 단결정 경면 웨이퍼를 제작하였다.
얻어진 실리콘 단결정 웨이퍼에 Secco 에칭을 실시하고, 표면을 현미경 관찰하여 피트 밀도를 측정하므로써, 결정결함(그로우-인 결함) 밀도를 측정하였다.
측정 결과를 도1에 나타내었다. 검은 원은 본 발명의 방법의 결과를 나타낸 것이다. 하얀 원은 종래의 방법의 결과를 나타낸 것이다.
이 결과를 보면, 본 발명에 따라 질소를 도프한 웨이퍼의 결정결함밀도는 인상속도를 1.0mm/min 이상이라는, 종래와 동등 이상의 속도에서 인상하였음에도 종래 방법에 의해 얻어진 웨이퍼의 밀도의 20분의 1 정도로 감소하였다. 즉, 질소를 도프하면 결정결함의 성장이 억제되고 이에 따라 크게 성장하여 검출될 수 있는 결정결함의 개수는 감소되는 것이다.
다음에, 상기 웨이퍼를 도3과 같은 급속가열, 급속냉각장치를 이용하여 100% 산소, 100% 알곤, 100% 수소, 또는 50% 알곤과 50% 수소의 혼합가스 분위기로 1200℃에서 10초간 급속가열, 급속냉각 열처리하였다.
이와 같이 열처리한 웨이퍼를 Secco 에칭한 다음, 다시 표면을 현미경 관찰하여 피트 밀도를 측정하므로써, 결정결함 밀도에 변화가 있는가를 측정하였다.
질소를 도프한 경우의 결과를 도1에 함께 그렸다.
이 결과를 보면, 질소를 도프한 웨이퍼 표면의 결정결함은 급속가열, 급속냉각 열처리에 의해 약 10개/㎠ 이하로 감소되었다.
즉, 열처리에 의해 질소 및 산소가 외측으로 확산하여 웨이퍼의 표면위에 결정결함이 제거되었다. 결정결함의 밀도는 실질적으로 제로로 할 수 있다.
다음에, 상기와 같이 열처리한 웨이퍼의 산화막 내압특성(oxide dielectric breakdown voltage characteristics, C-모드)를 다음의 조건으로 측정하였다. 산화막 두께: 25nm, 측정 전극: 인 도프된 폴리실리콘, 전극 면적: 8㎟, 판정 전류밀도: 1mA/㎠로 하였다.
일반적으로 절연 파괴전계(dielectric breakdown electric field)가 8MV/cm 이상의 것이 양품으로 판정된다. 측정 결과를 도2에 나타내었다.
본 발명에 따라 질소를 도프한 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치에 의해 열처리하면, 곡선 A~D로 표시된 바와 같이, 어떤 열처리 분위기로 하여도 높은 수율로서 8MV/cm 이상의 산화막내압을 갖는 양품을 얻을 수 있다. 종래법에 따르면, 곡선 E로 표시된 바와 같이, 8MV/cm이하의 산화막내압을 갖는 불량품이 약 70%나 발생하였다.
(실시예 2, 비교예 2)
아래 표 1의 조건으로 하여 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 방법으로, CZ법에 따라 직경 8인치로서 <100>방위의 p-타입 단결정봉 5개를 인상하였다.
5종류의 직경 8인치 실리콘 단결정 경면 웨이퍼(a, b, c, d, e)를 제작하였다.
질소농도(atms/㎤) 산소농도(atms/㎤) 인상속도(mm/min)
실시예 2 a 2×1014 1.3×1018 1.8
b 2×1014 0.8×1018 1.7
c 3×1013 0.8×1018 1.6
비교예 2 d 0 1.3×1018 0.95
e 0 0.7×1018 1.6
이렇게 얻어진 5종의 웨이퍼의 표면위에 원자공공의 클러스터로 여겨지는 결정결함인 COP의 개수(결정배향입자)를 측정하였다. COP의 측정은 약 0.44㎛ 두께의 열산화막을 형성한 다음 플루오르화수소산으로 산화막을 제거하고, 웨이퍼의 표면위에 있는 직경 0.10㎛ 또는 그 이상의 COP의 개수를 입자계산기(KLA/Tencor Corooration의 SPI)로 세었다. 이 방법은, 웨이퍼의 표면으로부터 약 0.2㎛의 깊이까지의 영역에 있는 모든 COP의 값을 측정하였다.
다음에, 상기 5종의 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치(AST사의 SHS-2800)를 이용하여 50% 알곤과 50% 수소의 혼합가스 분위기로 1200℃에서 10초간 열처리하였다.
이어 약 0.44㎛ 두께의 열산화막을 아래와 같이 형성한 다음 이를 제거하였다. 그후 COP를 측정하였다. COP의 측정결과는 도 4에 나타내었다.
도 4에 보이는 바와 같이, 급속가열, 급속냉각 장치로 열처리하는 경우에 질소가 도핑된 웨이퍼(도 4의 a, b, c)가 질소가 도핑되지 않은 웨이퍼(도 4의 d, e) 보다 COP의 감소효과가 훨씬 크게 나타났다.
게다가 8인치의 웨이퍼의 표면으로부터 0.2㎛의 깊이까지의 영역에서 COP의 개수는 500개/웨이퍼(COPs/wafer)이하로 줄어들었으며 COP의 밀도는 약 8×104개/㎤이하로 줄어들었다.
본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니다. 상기 실시형태는 단지 하나의 예이며, 본 발명의 특허청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 보이는 것은 어느 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함한다.
예를들면, 본 발명에 있어 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 쵸크라스키 법으로 육성할 때에 융액에 자장이 인가될 수도 있고 되지 않을 수도 있다. 본 발명의 상세한 설명에서 쵸크라스키법이라는 용어는 소위 자장을 인가하는 MCZ법도 포함된다.
또한, 상기에서는 함유 산소농도를 저산소농도로 한 경우에 보다 저결정결함으로 할 수 있음을 보였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는데, 예를들어 산소농도가 1.2~1.5×1018atoms/㎤, 혹은 그 이상의 고산소농도의 경우에 있어서도 본 발명의 효과가 달성될 수 있는 것이다.
본 발명에서는 질소를 도프한 실리콘 단결정 웨이퍼에 급속가열, 급속냉각장치에 의해 열처리를 실시하므로써, CZ법에 의해 제작되는 실리콘 단결정의 결정결함 형성을 억제함과 함께 웨이퍼의 표면층의 결정결함을 소멸시킬 수 있으므로 극히 결정결함이 작은 실리콘 단결정 웨이퍼를 높은 생산성으로 간단히 제조할 수 있다.

Claims (12)

  1. 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 쵸크라스키법으로 육성하고, 상기 단결정봉을 절단(slice)하여 실리콘 단결정 웨이퍼로 가공한 후, 상기 실리콘 단결정 웨이퍼를 급속가열, 급속냉각장치로 열처리함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  2. 제1항에 있어서, 쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성할 때 상기 단결정봉에 도프하는 질소농도를 1×1010~5×1015atoms/㎤로 함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  3. 제1항에 있어서, 쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성할 때 상기 단결정봉에 함유되는 산소농도를 1.2×1018atoms/㎤이하로 함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  4. 제 2항에 있어서, 쵸크라스키법에 의해 질소를 도프한 실리콘 단결정봉을 육성할 때 상기 단결정봉에 함유되는 산소농도를 1.2×1018atoms/㎤이하로 함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  5. 제 1항에 있어서, 상기 급속가열, 급속냉각장치에서 웨이퍼의 열처리는 1100℃~실리콘의 융점이하의 온도에서 1~60초간 행함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  6. 제 2항에 있어서, 상기 급속가열, 급속냉각장치에서 웨이퍼의 열처리는 1100℃~실리콘의 융점이하의 온도에서 1~60초간 행함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  7. 제 3항에 있어서, 상기 급속가열, 급속냉각장치에서 웨이퍼의 열처리는 1100℃~실리콘의 융점이하의 온도에서 1~60초간 행함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  8. 제 4항에 있어서, 상기 급속가열, 급속냉각장치에서 웨이퍼의 열처리는 1100℃~실리콘의 융점이하의 온도로 1~60초간 행함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  9. 제 1항에 있어서, 상기 급속가열, 급속냉각장치에서 웨이퍼의 열처리는 산소, 수소, 알곤 혹은 이들의 혼합분위기하에서 행함을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법
  10. 청구항 1의 방법으로 제공되는 실리콘 단결정 웨이퍼
  11. 제 10항에 있어서, 상기 웨이퍼의 표면위에 결정결함의 밀도는 10개/㎤이하임을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼
  12. 제 10항에 있어서, 상기 웨이퍼의 표면으로부터 0.2㎛ 깊이까지의 영역에서의 COP밀도는 8.0×104/㎤이하임을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼.
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