JP2014509584A - 単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハ - Google Patents

単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハ Download PDF

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Abstract

本発明は、単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハに関するものである。本発明の単結晶インゴットの製造方法は、チャンバ内のルツボでシリコン融液を形成するステップと、前記シリコン融液から単結晶インゴットを成長させるステップと、を含み、前記チャンバの圧力を９０Torr〜５００Torrに制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハに関するものである。
半導体を製造するためにはウェハを製造する必要があり、ウェハを製造するためには、まず単結晶シリコンをインゴット形態に成長させなければならないが、このときチョクラルスキー法(czochralski method)を用いることができる。
従来技術によれば、N型高濃度ドーピングされた単結晶インゴット(N-type Heavily Doped Crystal Ingot)において、比抵抗を合わせるために投入するドーパントは、シリコンより融点が低い低融点の揮発性を有する特性があるので、高濃度にドーピングして結晶を成長させることが特に難しい。
このような特性から面内のRRGのレベルが高いが、これはインゴットの外周面に接したエッジがセンターに比べてドーパントの揮発が大きいからであり、これによりエッジがセンターより比抵抗(Resistivity:RES)が高くなって、同一条件で成長したP型高濃度ドーピングされたインゴット(P-type Heavily Doped Crystal Ingot)よりRRGが悪い特性を見せることになる。
よって、従来技術によれば、製造規格(Spec)を満足するものの、全体的にRRGが高く分布が不均一であるので、ユニフォーミティが良くない。
特に、最近市場が大きくなった電力素子(Power Device)の場合、RRG特性、すなわち面内のRES特性に対する重要性を看過したり、RRGのユニフォーミティの重要性を認識したとしても、RRGのユニフォーミティを確保できずにいるのが実情である。
本発明は、RRG特性、すなわちウェハ面内のRES値が均一な単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供しようとする。
また、本発明は、RRGを５%以内に制御して、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピング(N-type Doping)された単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供しようとする。
本発明の単結晶インゴットの製造方法は、チャンバ内のルツボでシリコン融液を形成するステップと、前記シリコン融液から単結晶インゴットを成長させるステップと、を含み、前記チャンバの圧力が９０Torr〜５００Torrに制御される。
また、本発明のウェハは、RRG(radial resistivity gradient)が５%以内に制御される。
また、本発明の単結晶インゴットは、RRG(radial resistivity gradient)が５%以内に制御される。
本発明によれば、ウェハ面内のRES値のユニフォーミティが３%以内に制御され、高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
また、本発明によれば、RRGが５%以内に制御されて、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットおよびウェハを成長させることができる。
また、本発明によれば、比抵抗を合わせるために投入するドーパントがシリコンより融点が低い低融点の揮発性を有する特性があるN型結晶成長において、特に５E１７atoms/cc以上の高濃度にドーピングする製品を、RRG５%以内、ユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピングインゴットおよびウェハとその製造方法によって、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた結晶およびウェハを提供することができる。
実施例に係る単結晶の製造方法が適用される単結晶の成長装置の例示図。 実施例を適用したときのウェハ面内のRES分布の例示図。 比較例のウェハ面内のRES分布の例示図。 実施例を適用したときのウェハ面内のRES分布の図式化例示図。 比較例のウェハ面内のRES分布の図式化例示図。 実施例におけるシリコン融液とインゴットとの間の界面曲面(L)の例示図。
実施例の説明において、各ウェハ、装置、チャック、部材、部、領域または面などが、各ウェハ、装置、チャック、部材、部、領域または面などの「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は「直接」または「他の構成要素を介在して」形成されるものも含む。また、各構成要素の「上」または「下」に対する基準は、図面を基準として説明する。なお、図面における各構成要素の大きさは、説明の便宜を図り誇張図示される場合もあるが、実際に適用される大きさを意味するものではない。
（実施例）
図１は、実施例に係る単結晶インゴットの製造方法が適用される単結晶の成長装置の例示図である。
実施例に係るシリコン単結晶インゴットの成長装置１００はチャンバ１１１、石英ルツボ１１２、ヒータ１２１、引上手段１２８などを含むことができる。
例えば、実施例に係るシリコン単結晶インゴットの成長装置１００は、チャンバ１１１内部にホットゾーン(hot zone)構造物として、シリコン融液(SM)が収容される石英ルツボ１１２および石英ルツボ１１２の外縁下部一部を囲んで支持する黒鉛ルツボ１１４が装着され、黒鉛ルツボ１１４の下部に荷重を支持するための支持構造体１１６が配置される。前記支持構造体１１６は、回転駆動装置(図示しない)に軸結合されて回転および昇降するペデスタル(pedestal)１１８に結合される。
前記チャンバ１１１は、半導体などの電子部品素材として用いられるシリコンウェハ用単結晶インゴットを成長させるための所定の工程が行われる空間を提供する。
前記黒鉛ルツボ１１４の外縁には、単結晶インゴット(IG)の成長に必要な熱エネルギーを輻射熱で供給する熱源であるヒータ１２１が取り囲んでおり、ヒータの外縁には、ヒータの熱がチャンバ１１１の側面に放出されないように熱を遮蔽するための側面断熱システム(radiation shield)(図示しない)が取り囲んでいる。
前記ヒータ１２１の下部に、ヒータ１２１の熱がチャンバの下部に放出されないように下部断熱システム(図示しない)が装着される。
前記側面断熱システムの上部には、ヒータ１２１の熱がチャンバの上部に放出されないように熱を遮蔽する上部断熱システム(図示しない)が装着される。
そして、上部断熱システムには、単結晶インゴット(IG)と石英ルツボ１１２の間に単結晶インゴットを取り囲むように形成されてシリコン融液(SM)から放出される熱を遮断し、また成長したシリコンインゴットを冷却するために、シリコン融液(SM)から放出されてシリコンインゴット(IG)に伝達される輻射熱を遮断して冷却駆動力を増大させる機能をする熱シールド１２２が装着される。
前記チャンバ１１１の上部には、引上手段１２８に連結された種結晶をシリコン融液(SM)に浸漬し、所定の速度で回転させながら引上げてインゴットを成長させる引上駆動装置が設置され、チャンバの内部には、アルゴン(Ar)またはネオン(Ne)などの不活性ガスを供給するガス供給管(図示しない)が形成される。
そして、チャンバ１１１の下部には、ガス供給管から供給された不活性ガスを真空ポンピングして排気させるように真空排気システム(図示しない)に連結された真空排気管(図示しない)が形成される。
ここで、真空排気管の真空ポンピング力によって、ガス供給管からチャンバの内部に供給される不活性ガスは、ダウンフロー(down flow)を有することになる。
実施例は、シリコン単結晶インゴットを成長させる製造方法としては、単結晶の種結晶をシリコン融液(SM)に浸漬した後ゆっくり引き上げながら結晶を成長させるチョクラルスキー法を採用することができる。
この方法によれば、 先ず、種結晶から細長い結晶を成長させるネッキング工程と、結晶を直径方向に成長させて目標直径とするショルダーリング工程と、一定の直径を有する結晶に成長させるボディグローイング(body growing)工程と、一定の長さにボディグローイングが進んだ後、結晶の直径を徐々に減少させて最終的に単結晶インゴットを溶融シリコンと分離させるテーリング(tailing)工程を順に経ることで、単結晶の成長が完了する。
実施例は、RRG特性、すなわちウェハ面内のRES値が均一な単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
また、実施例によれば、RRGが５%以内に制御されて、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
図２は実施例を適用したときのウェハ面内のRES分布の例示図で、図３は比較例のウェハ面内のRES分布の例示図である。
例えば、図２および図３は、４点プローブにより面内のRES値を測定した例であるが、これに限定されるものではない。
図２に示すように、実施例に係る単結晶インゴットおよびウェハの面内のRES分布を見ると、円１１０の大きさが図３の円１０の大きさより広いことを確認できる。
これは、実施例のウェハは中心部の比抵抗値がより広い面積に渡り均一であることを意味する。また、エッジ部位も同一領域(同一RES)間の間隔が均一であることを確認できる。これは、面内のRES分布も均一であることを意味する。
実施例によれば、ウェハ面内のRES値のユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
また、実施例によれば、特にRRGが５%以内に制御されて、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットおよびウェハを成長させることができる。
例えば、実施例によれば、比抵抗を合わせるために投入するドーパントがシリコンより融点が低い低融点の揮発性を有する特性があるN型結晶成長において、特に５E１７atoms/ccの高濃度にドーピングする製品を、RRG５%以内、ユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピング単結晶インゴットおよびウェハとその製造方法によって、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた結晶およびウェハを提供することができる。
図４は実施例を適用したときのウェハ面内のRES分布の概略例示図で、図５は比較例のウェハ面内のRES分布の概略例示図である。
実施例に係るウェハおよび単結晶インゴットの成長軸方向に対して垂直方向の断面は、センターと０.０００１Ω-cm以内の抵抗(RES)値を有する第１領域１１０と、前記第１領域１１０より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第２領域１２０および前記第２領域１２０より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第３領域１３０を含むことができる。また、実施例は、前記第３領域１３０より高いRES値を有する第４領域１４０を含むことができる。
実施例は断面の全体面積に対する第１領域１１０のウェハ表面積が約３１%である反面、比較例は第１領域１０のウェハ表面積が約２２%に過ぎなかった。比較例は、第１領域１０よりRES値が高い第２領域２０、第２領域２０よりRES値が高い第３領域３０、第３領域３０よりRES値が高い第４領域４０を有することができる。
また、実施例によれば、前記第１領域１１０、前記第２領域１２０および前記第３領域１３０の合計領域が、断面の全体面積に対して約７６%以上である反面、比較例は７１%である。
実施例と比較例のサンプルをPSD(Power Supply Device)に適用して収率を把握した。両サンプルとも製造規格(Spec)には満足するレベルであるが、実施例のサンプルは約９９.４%の収率である、比較例のサンプルは約９８.９%であることから、約０.５%の収率差が生じた。特に第４領域１４０でその差が大きく発生した。
実施例によれば、ウェハ面内のRES値のユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
また、実施例によれば、特にRRGが５%以内に制御されて、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットおよびウェハを成長させることができる。
例えば、実施例によれば、比抵抗を合わせるために投入するドーパントがシリコンより融点が低い低融点の揮発性を有する特性があるN型結晶成長において、特に５E１７atoms/cc以上の高濃度にドーピングする製品を、RRG５%以内、ユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピング単結晶インゴットおよびウェハとその製造方法によって、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた結晶およびウェハを提供することができる。
時間毎の領域別の面積を求めるのは困難であるため、実施例ではこれを通常のRRGとユニフォーミティ値とで表現した。この場合、いずれも製造規格(Spec)を満足するが、より高い収率を得るためには、RRGが５%以内、ユニフォーミティが３%以内であるのが、電力素子(Power Device)の収率に大きい影響を与える。
Figure 2014509584
 ただし、ユニフォーミティ=((Max value-Min value)/Max value)×１００%、RRG=((Avg ４point-Center １point)/Center １point)×１００%、Edge:１０mm
実施例は、単結晶の成長時のエッジ外周面(第３領域１３０および第４領域１４０、特に第４領域１４０)のドーパントの揮発を抑制するために、チャンバ内の圧力を９０Torr〜５００Torrに制御することができる。
チャンバの圧力が９０Torr未満の場合、インゴットの外周部でドーパントの揮発により比抵抗が増加し、チャンバの圧力を５００Torr以下に制御することにより、CZ法によるインゴットの成長時において酸化物の排出が良好となる。
また、実施例によれば、図６のように、中心部である第１領域１１０の面積を最大限確に保するために、シリコン融液(SM)とインゴット(IG)の間のインターフェースの曲面(L)を３mm〜１０mmに制御することができる。
前記インターフェースの曲面(L)の高さは、種結晶の回転速度またはルツボの回転速度を調節することで制御することができる。
図６では、前記インターフェースの曲面(L)は凸形状に図示されているが、実施例はこれに限定されるものではない。
例えば、前記インターフェースの曲面(L)は凹形状を有することができる。このとき、前記インターフェースの曲面(L)は３mm〜１０mmの深さを有することができる。
実施例によれば、シリコン融液にN型ドーパントを高濃度、例えば、５E１７atoms/cc以上にドーピングすることができる。これによって、実施例によれば単結晶インゴット、およびウェハのRESが０.００１Ω-cm以下に制御されることができる。
実施例によれば、ウェハ面内のRES値のユニフォーミティが３%以内に制御され、高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットの製造方法およびこれによって製造された単結晶インゴットとウェハを提供することができる。
また、実施例によれば、特にRRGが５%以内に制御されて、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた単結晶インゴットおよびウェハを成長させることができる。
例えば、実施例によれば、比抵抗を合わせるために投入するドーパントがシリコンより融点が低い低融点の揮発性を有する特性があるN型結晶成長において、特に５E１７atoms/cc以上の高濃度にドーピングする製品を、RRG５%以内、ユニフォーミティが３%以内に制御された高濃度N型ドーピング単結晶インゴットおよびウェハとその製造方法によって、収率が向上しかつ高品質の高濃度N型ドーピングされた結晶およびウェハを提供することができる。
以上の実施例で説明された特徴、構造、効果などは、少なくとも１つの実施例に組合せることができ、必ず１つの実施例に限定されるものではない。また、各実施例に例示した特徴、構造、効果などは、当業者であれば、別の実施例に組合せたり変形して実施可能であり、このような組合と変形も本発明の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。
また、以上では実施例を中心に本発明を説明したが、これは例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることは自明である。例えば、実施例に具体的に開示された各構成要素は、変形して実施可能であり、このような変形と応用に係る差異点も、添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

Claims (16)

  1. チャンバ内のルツボでシリコン融液を形成するステップと、
    前記シリコン融液上に種結晶を準備するステップと、
    前記シリコン融液から単結晶インゴットを成長させるステップと、を含み、
    前記チャンバの圧力を９０Torr〜５００Torrに制御することを特徴とする単結晶インゴットの製造方法。
  2. 前記インゴットを成長させるステップは、前記シリコン融液と前記単結晶インゴットのインターフェースを調節するステップを含む請求項１に記載の単結晶インゴットの製造方法。
  3. 前記インターフェースを調節するステップでは、前記種結晶の回転速度または前記ルツボの回転速度を調節する請求項２に記載の単結晶インゴットの製造方法。
  4. 前記インターフェースを調節するステップでは、前記インターフェースを３mm〜１０mmに制御する請求項２に記載の単結晶インゴットの製造方法。
  5. 前記シリコン融液に、N型ドーパントを５E１７atoms/cc以上の濃度でドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶インゴットの製造方法。
  6. 前記単結晶インゴットの抵抗(RES)が０.００１Ω-cm以下に制御される請求項１に記載の単結晶インゴットの製造方法。
  7. RRG(Radial Resistivity Gradient)が５%以内に制御されたシリコンウェハ。
  8. 前記ウェハのユニフォーミティ(Uniformity)が３%以内に制御された請求項７に記載のシリコンウェハ。
  9. 前記ウェハは、
    センターと０.０００１Ω-cm以内の抵抗(RES)値を有する第１領域と、
    前記第１領域より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第２領域と、
    前記第２領域より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第３領域と、を有する請求項７に記載のシリコンウェハ。
  10. 前記第１領域の面積は、前記ウェハの全体面積に対して３１%以上である請求項９に記載のシリコンウェハ。
  11. 前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域の合計領域が、前記ウェハの全体面積に対して７６%以上である請求項９に記載のシリコンウェハ。
  12. RRG(radial resistivity gradient)が５%以内に制御された単結晶インゴット。
  13. 前記単結晶インゴットは、
    前記単結晶インゴットの成長軸方向に対して垂直方向の断面に対して、
    センターと０.０００１Ω-cm以内の抵抗(RES)値を有する第１領域と、
    前記第１領域より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第２領域と、
    前記第２領域より０.０００１Ω-cm高い抵抗(RES)値を有する第３領域と、を有する請求項１２に記載の単結晶インゴット。
  14. 前記第１領域が、前記断面の全体面積に対して３１%以上である請求項１３に記載の単結晶インゴット。
  15. 前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域の合計領域が、前記断面の全体面積に対して７６%以上である請求項１３に記載の単結晶インゴット。
  16. 前記単結晶インゴットの断面内のユニフォーミティが３%以内に制御される請求項１２に記載の単結晶インゴット。
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