KR100394971B1

KR100394971B1 - 질소도핑을 한 반도체웨이퍼의 제조방법

Info

Publication number: KR100394971B1
Application number: KR10-2000-0051533A
Authority: KR
Inventors: 아몬폰빌프리드; 바이드너헤르베르트; 젬케디르크; 프레이크리스토프
Original assignee: 와커 실트로닉 아게
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2003-08-19
Also published as: EP1081254A1; KR20010061924A; DE50000043D1; EP1081254B1; DE19941902A1; JP3547004B2; US6350314B1; TW573083B; JP2001106590A

Abstract

본 발명은 NH₃함유 도펀트가스(dopant gas)로 부터 유도한 질소로 질소도핑(nitrogen-doped)을 한 반도체웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.

이 제조방법은 용융반도체재료의 용융물로 부터 단결정을 인발하고(pulling), 도펀트가스를 용융반도체재료의 용융물에 공급하며, 질소도핑한 반도체웨이퍼를 인발한 단결정에서 커팅(cutting)하는 스텝(steps)으로 이루어진다.

그 도펀트가스는 반도체웨이퍼가 커팅된 단결정부분에 대하여 인발이 개시될 때까지의 용융반도체재료의 용융물에 공급한다.

Description

질소도핑을 한 반도체웨이퍼의 제조방법{process for producing nitrogen-doped semiconductor wafers}

본 발명은 NH₃함유 도펀트가스로 부터 유도한 질소로 질소도핑을 한 반도체웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.이 제조방법은 용융반도체재료의 용융물로 부터 단결정을 인발하여 질소도핑을 한 반도체웨이퍼를 인발한 단결정에서 커팅(cutting)하는 스텝(steps)으로 이루어진다.

반도체웨이퍼는 단결정에서 커팅하는 것은 공지되어 있다.그 단결정은 존정제법(zone refining)(플로팅존 방법: floating zone method 또는 FZ방법) 또는 도가니내에 포함되어 있는 용융재(molten material)로 부터의 인발법(pulling)(초크랄스키방법 또는 CZ방법)에 의해 얻어진다.특허문헌 USP4,591,409 명세서에서는 CZ방법을 사용하여 인발시킨 단결정에 질소를 균일하게 분산시키는 방법에 대하여 기재되어 있다.이 방법에 의해 인발조작중에 있을 때에는 디니트로겐옥사이드(dinitrogen oxide)등 가스의 존재를 확실하게 유지할 필요가 있다.과학논문집의 참고문헌(W.Kaiser, C.D. Thurmond, J.Appl. Phys. 30, No.3, 427-431, 1959)에 기재되어 있는 실험예에서는 질소가스 또는 헬륨과 NH₃의 가스혼합물과 용융실리콘의 반응에 대하여 기재되어있다.그러나, 이 참고문헌에서는 소정의 농도의 질소가 포함되고 균일하게 분포한 반도체웨이퍼의 재생할 수 있는 방법에 대하여 어떤 기술적 기재사항이나 암시도 없다.NH₃가 열적으로 불안정성이 있으므로 적합한 방법을 취하지 않으면 재생할 수 있는 도핑(reproducible doping)을 얻을 수 없다.

본 발명은 단결정(simple crystal)을 용융반도체재료의 용융물로 부터 인발(pulling)하고; NH₃함유 도펀트가스를 그 용융반도체재료의 용융물에 공급함으로써 도펀트가스로 부터 질소를 유도시키고; 반도체웨이퍼를 커팅(cutting)하는 단결정부분에 대하여 인발을 개시할 때까지 도펀트가스를 대부분 용융반도체 재료의 용융물에 공급시키며; 인발단결정에서 질소도핑을 한 반도체웨이퍼를 커팅시키는 스텝으로 이루어진 질소도핑한 반도체웨이퍼의 제조방법을 제공하는데 하나의 목적이 있다.

본 발명은 위에서 설명한 본 발명의 목적을 가진 질소도핑을 한 반도체웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.본 발명의 제조방법은 위에서 인용한 특허문헌 USP4,591,409 명세서에서 기재되어 있는 방법과 대비할때, 단결정에서 질소의 축방향 분포가 더 균일한 효과가 있다.즉, 단결정에서 질소농도의 축방향구배(axial gradient)가 덜 현저하다(less pronounced).또, 본 발명의 방법에서는 도펀트가스에서 유도된 산소에 기인되는 인발장치(pulling apparatus)에서의 그라파이트(graphite) 함유 내면(internal surfaces) 또는 내면구조물의 침식과 CO의 생성을 방지하고, 탄소에 의한 반도체재료의 오염을 방지한다.본 발명에 의해 더 처리시켜 반도체웨이퍼를 형성하고자 하는 단결정의 부분을 인발할때까지 인발장치에서 단결정을 대부분 인발할때 그 용융반도체재료 용융물에 도펀트가스를 공급한다.이 단결정의 부분은 원통형상(cylindrical shape)으로 된 단결정의 전체부분이며, 실제적으로 볼때 원형형상 단결정의 전체부분이다.이 원통형상부분과 접촉시켜 아웃한 원추형상 부분(conical parts)은 더 처리하지 않고 반도체웨이퍼를 형성하는 것이 바람직하다.용융반도체재료의 용융물에 도펀트가스의 공급을 완료시킨 다음, 통상의 방법, 예로서 순수불황성가스 분위기에서 단결정의 인발을 종료시킨다.CZ방법을 사용하여 인발을 실시할 경우 용융반도체재료 용융물에 도펀트가스의 공급은 도가니내에 있는 용융반도체재료 용융물이 완전히 용융될 때 가장 신속하게 실시하는 것이 바람직하다.FZ방법을 사용하여 인발을 실시할 경우 용융반도체재료 용융물에 도펀트가스의 공급은 두꼐가 엷은 넥(neck)의 인발을 개시할때 가장 신속하게 시작할 필요가 있다.이 경우, 단결정의 원통형상 섹션의 인발을 개시하기전에 용융반도체재료 용융물에 도펀트가스의 공급을 완료하는 것이 바람직하다.도펀트가스는 소정의 시간동안 NH₃의 소정의 흐름속도(flow rate)와 소정의 농도에서 인발장치를 통과시킨다.그 도펀트가스는 냉각상태하에 있는 용융반도체재료 용융물에 공급하는 것이 바람직하다.그 도펀트가스의 흐름이 용융반도체재료용융물의 개방면에 통과시키는 것이 바람직하다.예로서, 냉각튜브(특히 FZ방법의 경우)를 통해, 또는 그 용융반도체재료 용융물의 개방면에 근접하여 인발하도록 하는 단결정을 포위하는 열실드(heat shield)(특히 CZ방법의 경우)을 통해 그 도펀트가스를 공급시킬 수 있다.더 나아가서, CZ방법의 경우, 단결정에서 질소의 축방향으로의 균일한 분포를 얻기 위하여 단결정이 자계(magnetic field)내에서 인발될때 축방향으로 배열된 자력선이 바람직하다.용융반도체재료 용융물중에 질소의 농도가 과도하게 높게 존재할 경우 단결정의 성장을 방지하도록 하며, 실제로 용융반도체재료 용융물중에 용해한 질소가 그 용융반도체재료 용융물에서 더 이상 도출(escape)되지 않도록 한다.따라서, 단결정중에서의 질소농도는 한계량(limit amount) 5 * 10¹⁵atoms/㎤ 이상 바람직하게는 3 * 10¹⁵atoms/㎤ 이상으로 증가하지 않도록 하는 것이 특히 바람직하다.이와같은 기술구성에 의해, 인발체임버(pulling chamber)를 통과하는 도펀트가스의 유량속도, 도펀트가스중의 NH₃농도 및 용융반도체재료 용융물중에 도펀트가스를 공급하는 시간은 가급적 그 한계량을 초과하지 않도록 선택할 필요가 있다.대표적인 실예로, NH₃의 총량 0.01~20ℓ(s.t.p), 바람직하게는 0.1~3ℓ(s.t.p)는 CZ방법을 사용하여 중량 30~120㎏의 단결정을 인발하는데 충분하다.이와같은 이유는 용융반도체재료 용융물의 표면쪽 방향으로 가스공급이 유효하게 됨으로 NH₃약 25vol.%~50vol.%을 공급한 용융반도체재료 용융물에 의해 질소가 흡수되기 때문이다.따라서, 그 도펀트가스가 실제로 덜 공급될 경우 필요로 하는 도펀트가스의 양은 증가한다.공급되는 도펀트가스는 NH₃함유가스, 바람직하게는 NH₃와 불황성가스, 특히 바람직하게는 NH₃/아르콘 혼합물이다.반도체재료는 실리콘 또는 게르마늄이며, 실리콘이 바람직하다.위에서 설명한 방법으로 제조한 단결정은 공지의 방법, 예로서 와이어톱 또는 환상톱을 사용하여 소정의 두께를 가진 반도체웨이퍼로 분할시킨다.통상적으로, 실제적으로 원통형상인 단결정의 부분만을 전부 또는 부분적으로 반도체웨이퍼로 분할시킨다.다음으로, 본 발명을 실시예에 따라 더 구체적으로 설명하며, 이 실시예에서는 본 발명을 한정한 것은 아니다.실시예CZ방법을 사용하여 직경 200㎜의 실리콘단결정을 인발하였다.

그 실리콘단결정의 원통형상성장(cylindrical growth)페이스(phase)가 개시되기전에 0.2%의 NH₃와 아르곤의 가스혼합물을 인발체임버(pulling chamber)를 관통하는 흐름속도(flow rate) 3.6ℓ/min로 60분간 용융실리콘재 용융물에 통과시켰다.그 원통형상 성장 페이스(phase)가 개시할때 그 인발체임버는 아르곤으로만 퍼징(purging)하였다.

그 다음 실리콘단결정을 조사(examination)한 결과, 그 시드결정(sead crystal)과 인접한 단결정의 부분영역에서 질소농도 약 1 * 10¹⁴atoms/㎤을 나타내었다.또, 이 단결정의 부분 단부쪽 방향의 편석계수(seqregation coefficient)(약 10^-3)에 의해서만 질소농도가 상승됨을 나타내었다.

본 발명에 의해, NH₃함유 도펀트가스로 부터 유도한 질소를 사용하여 질소도핑한 반도체웨이퍼를 제조할 수 있다.본 발명의 방법에 의해 단결정에서 질소의 축방향분포가 더 균일한 효과를 가지며, 도펀트가스에서 유도되는 산소에 의해 인발장치의 그라파이트 함유 내면 또는 내면구조물의 침식 및 CO의 생성을 방지하며, 탄소에 의한 반도체재료의 오염을 방지한다.

Claims

질소도핑을 한 반도체웨이퍼의 제조방법에 있어서,

용융반도체 재료의 용융물로 부터 단결정을 인발하며, NH₃함유 도펀트가스를 용융반도체재료의 용융물에 공급시켜 그 NH₃함유 도펀트가스로 부터 질소를 유도시키며;

반도체웨이퍼를 커팅(cutting)하는 단결정부분에 대하여 인발이 개시될때까지 NH₃함유 도펀트가스를 용융반도체재료의 용융물에 공급하고;

인발한 단결정에서 질소도핑한 반도체웨이퍼(nitrogen-doped jeniconductor wafers)를 커팅(cutting)하는 스텝(step)으로 이루어짐을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

인발체임버(pulling chamber)를 통하여 NH₃함유 도펀트가스를 관통시키고, 반도체웨이퍼를 도핑하는 질소의 농도가 최대 5 * 10¹⁶atoms/㎤ 로 되도록 인발체임버를 통과하는 NH₃함유 도펀트가스의 흐름속도와 그 도펀트가스중에서의 NH₃의 농도를 설정함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

CZ방법을 사용하여 중량 30㎏~120㎏의 단결정을 인발하기 위한 용융반도체재료의 용융물에 공급하는 NH₃의 양은 0.01~20ℓ(s.t.p)임을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

단결정을 CZ방법을 사용하여 인발하고;

도가니내 용융반도체재료의 용융물이 용융될때 가장 빨리 용융반도체재료의 용융물에 NH₃함유 도펀트가스의 공급을 개시함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

CZ방법을 사용하여 단결정을 축방향으로 배향한 자계(magnetic field)내에서 인발함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

FZ방법을 사용하여 단결정을 인발하고;

두께가 엷은 넥(neck)의 인발이 개시될때 가장 신속하게 용융반도체재료의 용융물에 NH₃함유 도펀트가스의 공급을 개시하며; 단결정의 원통형상섹션의 인발이 개시되기전에 NH₃함유 도펀트가스의 공급을 가장 늦게 완료함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

NH₃함유 도펀트가스로서, NH₃와 아르곤을 함유한 가스혼합물을 인발체임버로 통과시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

NH₃함유 도펀트가스를 냉각시키고;

그 도펀트가스를 냉각상태에서 용융반도체재료의 용융물에 공급함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서,

NH₃함유 도펀트가스를 용융반도체재료의 용융물의 개방용융면(open, molten surface)상에서 가까이 통과시킴을 특징으로 하는 제조방법.