KR0137723B1 - 반도체 실리콘 웨이퍼내로 불순물을 드라이브인 확산하기 위한 방법 - Google Patents
반도체 실리콘 웨이퍼내로 불순물을 드라이브인 확산하기 위한 방법Info
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Abstract
실리콘 반도체 웨이퍼의 표면층에 함유된 불순물을 드라이브인 확산 처리에 관하여 불순물의 디포지션 후의 웨이퍼를 1200℃ 이상이 온도와 최소한 24시간 동안 가열함으로써 개선책이 제안된다. 지금까지는 드라이브인 확산처리를 위한 종래의 방법에서 미립자로 불리우는 미립자 물질의 형성과 성장이라는 피할 수 없는 불리한 현상이 가열 처리를 종래의 질소와 산소 대신에 특정비율의 희개스와 산소 개스의 개스 혼합체의 분위기에서 수행할 때 완전히 방지된다.
Description
사진 1a, 2b 및 1c는 각각 종래의 절차에 의한 불순물의 드라이브인 확산 처리 후의 실리콘 반도체 웨이퍼의 표면을 짝은 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 반도체 시릴콘 웨이퍼내로 불순물(dopant)을 소위 드라이브인(drive-in) 확산하기 위한 방법에 대한 것이며, 특히 깊은 불순물의 확산층을 형성함으로써 트랜지스터, 다이오드 등과 같은 다양한 개별 반도체 소자의 기초 재료로서의 반도체 실리콘 웨이퍼내로 분순물을 드라이브인 확산하는 방법에 대한 것이다.
개별 반도체 소자의 재료로 사용되는 확산 도핑된 반도체 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 불순물의 확산을 2단계로 수행하는 것은 확립된 방법이다. 확산 처리의 제1단계는 소위 디포지션 단계이며 여기서는 질소와 산소의 혼합 개스와 같은 캐리어 개스에 의하여 운반되는 불순물 개스를 실리콘 웨이퍼와 상승된 온도에서 접촉시킴으로써 상대적으로 높은 농도의 실리콘 웨이퍼의 바로 그 표면상에 대하여 인, 붕소 등을 불순물로 하는 도핑이 수행된다. 불순물 확산의 제2단계는 소위 드라이브인 확산이며, 이것은 실리콘 웨이퍼의 바로 그 표면의 높은 농도의 불순물의 확산을 감소된 농도의 희망 깊이까지 유발하기 위하여 전술된 디포지션 처리 후에 실리콘 웨이퍼를 대개 질소와 산소의 혼합 개스인 캐리어 개스 또는 드라이빙 개스 내에 특정 시간 동안 특정의 높은 온도로 둠으로써 이루어진다.
불순물을 드라이브인 확산하는 이 방법은 대개 확산 튜브에서 인접한 웨이퍼 사이에 끼워진 실리콘 디옥사이드 입자를 샌드위치하는 보트상에서 디포지션된 여러개의 실리콘 웨이퍼를 나란히 직립시킴으로써 수행된다.
전술된 확산 처리를 실리콘 반도체 웨이퍼는 래핑 작업후에 두 개의 표면을 가지며, 이 래핑 작업에서는 웨이퍼는 연마 입자가 중재된 회전하는 금속 표면으로 된 테이블 사이에서 웨이퍼의 도핑되지 않은 코어층 내의 전위(dislocation)를 흡수하기 위한 게터 작용(gettering action)을 나타내기 위하여 매우 얇은 두께의 스트레스된 층이 표면에서 제거되지 않는 식으로 래핑된다. 추측컨대, 실리콘 웨이퍼의 스트레스된 표면의 결과로서, 디포지션 후의 실리콘 웨이퍼의 드라이브인 처리를 위하여 높은 온도, 예컨대, 1270℃의 온도로 장시간 전술된 캐리어 개스속에 둘 때, 미립자(Particulates) 또는 과립자(grains)로 불리우는 미립자체가 표면층 내부에서 형성되어 표면까지 성장하는 것을전술한 확산 처리에서는 피할 수 없을 것이다.
웨이퍼 표면상에서 성장하는 전술된 미립자는 화학적으로 불순물 등 뿐만 아니라 질소와 실리콘 원소로 구성된다는 사실이 알려져 왔다. 미립자는 화학적으로 매우 안정되어 있으며 불화수소산 뿐만 아니라 왕수(aqua regia)로도 용해시켜 제거할 수 없고 이를 제거할 다른 적절한 방법이 알려져 있지 않으므로 반도체 소자를 제조하는, 예컨대, 기계적 작업, 추가적인 확산 처리, 세척 단계 등등을 포함하는, 일련의 단계에서 웨이퍼 표면으로부터 미립자의 종국적인 하락(falling)에 의하여 여러가지 문제점들이 야기된다. 비록 드라이브인 확산 처리에서 전술한 미립자의 형성과 성장에 대한 메카니즘이 지금까지 잘 이해되어 있지 않지만, 본 발명가들은 실리콘 웨이퍼 표면의 결정학적으로 (11) 평면에 대해서, 미립자는 다음 조건의 상승 작용의 결과로서 형성된다는 결론에 도달하였다:(1) 웨이퍼 표면의 스트레스된 층의 존재와 (2) 질소 함유 개스내에서의 장시간 고온에서의 열처리. 사실, 미립자의 크기와 분포 밀도는 스트레스된 표면층의 두께가 증가할 때와 개스내의 질소의 농도, 드라이브인 확산 처리의 시간 및 온도가 증가할 때에 증가된다는 사실이 실험적으로 확인되어 잇다.
미립자의 형성과 성장에 대한 전술된 요인(1)은 래핑에 의해 형성되는 스트레스된 표면층을 갖는 실리콘 웨이퍼를 에칭처리에 수행함으로써 물론 쉽고도 완전하게 제거가능하다. 그러나, 에칭에 의한 스트레스된 표면층의 제거는 스트레스된 층에 대하여 바람직한 게터 작용의 소멸을 야기하여 웨이퍼 표면으로부터 불순물 원자의 확산 또는 침입의 영향에 의하여 발생되는 도핑되지 않은 코어층내의 전위를 흡수하는 것이 불충분하여 제조되는 개별 반도체 소자의 특성의 감소를 가져온다.
전술한 요인 (2)에 대하여 보면, 질소 개스의 존재하에서 초래되는 문제가 없는 캐리어 개스에 대하여는 지금까지 아무런 제안이 없었다. 예를 들어, 웨이퍼 표면상의 미립자의 형성과 성장은 캐리어 개스로서 산소 단독으로 사용함으로써 방지 가능하다. 캐리어 개스로서 산소만 사용하였을 경우의 문제는 디포지션 후의 여러개의 웨이퍼가 보트상에서 실리콘 디옥사이드 입자의 중개가 나란히 되기 때문에, 실리콘 디옥사이드의 산화 표면막이 거친 웨이퍼 표면을 초래하는 강한 산화력의 산소 개스내에서의 드라이브인 확산 처리하에서 웨이퍼 표면이 편평하지 않게 형성된다는 것이다. 이런 식으로 웨이퍼 표면이 거칠어지면, 제조되는개별 반도체 소자의 품질에 악영향을 미치는 실리콘 디옥사이드를 제거하더라도 문제가 해결될 수 없다.
따라서, 본 발명은 불순물의 디포지션 후의 실리콘 반도체 웨이퍼의 표면층에 포함된 불순물을 전술된 드라이브인 확산 처리에 있어서 개선을 제공함으로써, 미립자의 형성과 성장이 완전히 방지되는 목적을 가지고 있다.
그리고나서, 본 발명은, 실리콘 반도체 웨이퍼의 표면층의 디포지션 단계, 이 웨이퍼를 1200℃ 이상에서 캐리어 개스의 분위기로 24시간 가열하는 단계를 포함하는 불순물의 드라이브인 확산을 위한 방법에서, 웨이퍼를 1200℃에서 1335℃까지, 바람직하게는 1250℃에서 1310℃까지의 범위에서 부피로 85%에서 99.7%인 아르곤이나 헬륨이 바람직한 희개스와, 부피로 0.3%에서 15%인 산소로 이루어지는 혼합개스의 분위기에서 24시간 이상 가열하는 것을 포함하는 개선을 제공한다.
위에서 설명된 바와 같이, 미립자의 형성과 성장은 디포지션 후의 실리콘 반도체 웨이퍼내의 불순물의 드라이브인 확산 처리가 종래의 절차에 따른 드라이브인 확산 처리로 행하여질 때 거의 항상 피할 수 없다. 사실은, 첨부된 사진 1a, 1b 및 1c 각각은 이러한 웨이퍼의 표면에 대한 주사 전자 현미경 사진이다. 실리콘 웨이퍼를 플로팅 존 용융법으로 성장시키고 웨이퍼 표면으로서 결정학적으로 (111) 평면을 갖고 12에서 18ohm·cm의 N형 저항을 가지는 단결정 실리콘을 슬라이싱함으로써 얻었다. 래핑, 세척 및 불순물의 디포지션 처리 후의 이 실리콘 웨이퍼를 1:3의 부피로 산소와 질소의 혼합 개스의 분위기에서 147시간 동안 1280℃의 온도에서 드라이브인 확산처리에 수행하였다. 전자 현미경 사진을 해상도를 높이기 위한 목적으로 드라이브인 처리 후의 웨이퍼 표면을 가볍게 에칭한 후에 찍었다. 이 사진들은 미립자의 성장이 갈라진 표면에 대해 120° 방향으로 우세하게 진행된다는 사실을 암시한다. 웨이퍼 표면상에 미립자의 형성과 성장이라는 바람직하지 않은 현상이 더욱 명확해졌다.
결정학적으로 (111) 또는 (100)의 표면으로서의 평면을 갖는 실리콘 반도체 웨이퍼내로 불순물을 드라이브인 확산 처리시에 미립자의 형성과 성장에 관한 전술된 문제를 해결하기 위한 목적으로, 본 발명자들은 캐리어 개스로서의 혼합개스 뿐만 아니라 다양한 종류의 개스를 사용함으로써 폭넓은 연구를 수행하여 왔으며, 뜻밖에 웨이퍼 표면상의 미립자의 형성과 성장은 드라이브인 처리가 표면층이 기계적 작업에 의한 스트레스를 받을 때도 특정 부피비의 헬륨, 아르곤 등등을 포함하는 희개스와 산소의 혼합으로부터 형성되는 개스의 분위기에서 특정시간과 특정 온도하에서 수행될 때만이 완전히 방지된다는 사실을 발견하게 되있다. 산소개스와 혼합개스의 혼합비는 부피 0.3:99.7에서 15:85의 범위가 적당하며 0.5:99.5에서 10:90의 범위가 더욱 바람직하다.
실리콘 웨이퍼가 1200℃ 이상의 온도로 장시간 예컨대 부피로 0.3% 이하의 매우 낮은 농도의 산소를 포함하는 분위기에서 가열될 때는, 산화막이 웨이퍼 표면상에서 형성되지 않아서 웨이퍼 표면으로부터 실리콘 원자의 증발을 막을 수 있는 효과를 얻을 수 없으며, 이러한 증발은 웨이퍼가 결정학적으로 (111) 평면 뿐만 아니라 (100) 평면상의 미립자의 형성과 성장에 대한 완벽한 방지와 함께 두께의 감소로부터 자유롭게 하기 위하여 특히, 진공에서 고온으로 장시간 실리콘 웨이퍼를 가열할 때, 피할 수 없다는 사실이 알려져 있다.
캐리어 개스의 산소 농도가 부피로 0.5% 미만일 때는, 전술된 장점이 불충분하게 얻어지며, 반면에 산소의 농도가 매우 높을 때는 산소가 실리콘을 갖는 고용체를 형성할 수 있고 이 고용체의 산소는 도너로서 행동할 수 있기 때문에 실리콘 웨이퍼가 때때로 거칠어지고 반도체 실리콘 웨이퍼의 저항이 어쩔 수 없는 변화를 겪게 되는 몇 가지 단점들이 생긴다. 또한, 드라이브인 확산이 1200℃에서 1335℃까지의 범위 바람직하게는 1250℃에서 1310℃까지의 범위의 온도와 통상의 압력하에서 수행된다. 드라이브인 확산을 계속하는데 걸리는 시간은 최소한 24시간 또는 50에서 450시간이 바람직하다. 불순물의 드라이브인 확산의 기대되는 효과는 온도가 너무 낮거나 처리의 시간이 너무 짧을 때는 불충분하며, 반면에 온도와 시간을 전술한 상한값을 초과하여 증가시키면 경제적인 단점을 포함하여 어떠한 장점이 얻어지지 않는다.
이하에서는, 본 발명에 의하여 얻어진 개선을 실시예와 비교예를 통하여설명한다.
실시예 1
플로트 존 용융법에 의하여 결정학적으로 111 축의 방향으로 성장된 실리콘 단결정을 슬라이싱하여 제조된 100mm 직경의 실리콘 반도체 웨이퍼를 래핑, 세척 및 불순물 농도가 3.2×1021atoms/cm3또는 그 이상이고 약 10㎛의 깊이로 인(phosphorus) 불순물을 디포지션 처리하였다. 디포지션 처리후의 이 실리콘 웨이퍼를 1270℃의 온도에서 164시간 동안 확산 튜브를 통하여 0.05리터/분의 산소와 1리터/분의 아르곤으로 이루어진 개스흐름의 분위기에서 드라이브인 확산 처리를 행하였다.
드라이브인 확산 처리후의 얻어진 실리콘 웨이퍼를 불순물 분포가 도핑층의 두께가 150㎛이고 표면층의 불순물 농도가 1.8×1020atoms/cm3인지의 여부를 검사하였다. 또한, 웨이퍼 표면의 조건을 주사 전자 현미경을 이용하여 표면이 매우 균일한지 웨이퍼 표면 전체에 어떠한 미립자가 발견되는지를 검사하였다. 이러한 결과는 실리콘 웨이퍼 결정학적으로 (111) 평면 대신에 표면으로서 (100) 표면을 가지는 경우에 실질적으로 동일하였다.
실시예 2
드라이브인 확산을 위한 개스의 분위기가 부피가 90% 아르곤과 부피로 10% 산소로 이루어진 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 실험적 절차가 반복되었다. 웨이퍼 표면상의 어떠한 미립자를 탐지하는 것을 제외하고는 결과가 실시예 1과 동일하였다.
비교예 1과 2
사용된 재료와 처리의 조건들은 확산 튜브내의 개스의 분위기가 3리터/분의 질소와 0.1리터/분의 산소(비교예 1) 또는 1리터/분의 산소(비교예 2)를 통과시킴으로써 형성되는 것을 제외하고는 전술된 실시예 1과 각각의 비교예에서 동일하다. 각각의 드라이브인 확산 처리후의 이 실리콘 웨이퍼를 검사함으로써 얻어진 결과는 불순물 원소의 분포에 관하여 실시예 1과 실질적으로 동일한 반면에 주사 전자 현미경을 사용하여 검사한 표면의 조건은 실시예 1과 2의 그것과 명확하게 구별되었으며 매우 나쁜 표면 조건을 보이는 비교예 2보다는 비교예 1의 표면이 다소 나았다. 미립자의 밀도는 각각 대략 250,000에서 300,000/cm2범위와 1500에서 2000/cm2이었다.
Claims (5)
- 실리콘 반도체 웨이퍼의 표면층에서 디포지션하는 단계와, 캐리어개스의 분위기에서 최소한 24시간 동안 1200℃ 이상의 온도에서 가열하는 단계를 포함하는 불순물의 드라이브인 확산 방법에 있어서,부피로 85%에서 99.7%의 희개스와 부피로 15%에서 0.3%의 산소 개스로 이루어지는 개스 혼합체의 분위기에서 최소한 24시간 동안 1200℃에서 1335℃까지의 범위인 온도에서 상기 웨이퍼를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 희개스가 아르곤 또는 헬륨인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 개스의 혼합체가 부피로 90%에서 99.5%의 희개스와 부피로 10%에서 0.5%의 산소 개스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 드라이브인 확산 처리의 온도가 1250℃에서 1310℃까지의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 드라이브인 확산 처리의 시간이 50에서 450시간의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP93-142685 | 1993-05-21 | ||
| JP14268593 | 1993-05-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR940027053A KR940027053A (ko) | 1994-12-10 |
| KR0137723B1 true KR0137723B1 (ko) | 1998-06-01 |
Family
ID=15321148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019940011087A KR0137723B1 (ko) | 1993-05-21 | 1994-05-20 | 반도체 실리콘 웨이퍼내로 불순물을 드라이브인 확산하기 위한 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0137723B1 (ko) |
| TW (1) | TW249291B (ko) |
-
1994
- 1994-05-17 TW TW083104447A patent/TW249291B/zh active
- 1994-05-20 KR KR1019940011087A patent/KR0137723B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR940027053A (ko) | 1994-12-10 |
| TW249291B (en) | 1995-06-11 |
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