KR100427148B1 - 무전위 규소 단결정을 제조하는 방법 - Google Patents

무전위 규소 단결정을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 붕소 농도가 1×1018원자/cm3이상인 무전위(無轉位; dislocation-free) 단결정으로 이루어진 규소 종정(seed crystal)을 제조하는 단계, 종정의 붕소 농도와 7×1018원자/cm3이하의 차이가 나는 붕소 농도를 갖는 규소 용융액을 제조하는 단계, 및 종정을 규소 용융액과 접촉시켜 규소 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는, 무전위 규소 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

무전위 규소 단결정을 제조하는 방법{METHOD FOR MANUFACTURING DISLOCATION-FREE SILICON SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 대규모 집적 회로(LSI)의 제조방법에 사용하기 위한 반도체규소(Si) 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재, LSI 제조방법에 사용되는 Si 단결정은 일반적으로 조크랄스키(CZ) 방법 또는 플로팅 존(Floating Zone; FZ) 방법으로 제조된다. 더욱 특히, 대부분의 Si 단결정이 CZ 방법에 의해 제조된다. CZ 방법은 종정을 Si 용융액과 접촉시키고(이 단계를 "침지 공정"이라 한다), 종정을 끌어올림으로써 Si 단결정을 성장시키는 방법이다. FZ 방법은 다결정성 Si로 이루어진 원료봉의 말단을 가열하여 용융시키고, Si 종정을 용융된 부분과 접촉시킨 다음, 봉의 길이를 따라 용융된 대역을 이동시킴으로써 Si 단결정을 성장시키는 방법이다.
CZ 방법에서는, 대쉬(W. C. Dash)가 1959년에 제안한 넥킹(necking) 공정을 무전위(無轉位; dislocation-free) 단결정의 성장에 이용한다. 침지 공정 후 넥킹 공정을 수행하여 직경 3 내지 5mm의 길고 얇은 넥킹 부분을 형성한다. 넥킹 부분은 침지 공정동안의 열 충격으로 인해 종정에 발생되는 전위가 성장 결정으로 전파되지 못하도록 한다. 따라서, 넥킹 공정은 무전위 단결정을 성장시키는데 효과적인 방법이다. 그러나, 넥킹 공정을 이용하여 무전위 단결정을 성장시킬 가능성이 항상 100%인 것은 아니다. 또한, 길고 얇은 넥킹 부분은 LSI 제조방법에서 현재 요구되고 있는 중량 100kg 이상의 큰 단결정을 지지할 수 없다. FZ 방법도 넥킹 공정을 이용하고 있어 전술한 것과 동일한 문제점을 갖는다.
본 발명의 목적은 넥킹 공정을 이용하지 않고서도 무전위 규소 단결정을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서의 일부에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하며, 바람직한 실시형태에 대한 하기 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 수득한 종정의 붕소 농도와 성장 결정의 붕소 농도 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2a 내지 2c는 종래 기술 및 본 발명의 실시예와 비교예에서 수득한 Si 단결정의 X-선 토포그래피 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 수득한 Si 단결정의 다른 예의 X-선 토포그래피 사진이다.
본 발명에 따라서, 붕소 농도가 1×1018원자/cm3이상인 무전위 단결정으로 이루어진 규소 종정을 제조하는 단계, 종정의 붕소 농도와 7×1018원자/cm3이하의 차이가 나는 붕소 농도를 갖는 규소 용융액을 제조하는 단계, 및 종정을 규소 용융액과 접촉시켜 규소 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는, 무전위 규소 단결정을 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명에서, 규소 단결정은 바람직하게는 조크랄스키 방법 또는 플로팅 존 방법에 따라 성장된다.
본 발명에서, 종정의 붕소 농도는 바람직하게는 1×1018원자/cm3내지 7×1018원자/cm3, 더욱 바람직하게는 3×1018원자/cm3내지 5×1018원자/cm3이다.
또한, 본 발명에서 규소 용융액은 바람직하게는 붕소로 도핑되지 않는다.
본 발명의 추가의 목적 및 이점은 하기 상세한 설명에 기재될 것이며, 부분적으로는 이 설명으로부터 명백하거나 또는 본 발명을 실시함으로써 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적 및 이점은 이후 구체적으로 지적되는 장치 및 조합에 의해 실현 및 달성될 수 있다.
본 발명은 에피택시얼 웨이퍼(epitaxial wafer) 아래에 놓이는 기판에 사용되는, 고농도의 붕소로 도핑된 결정의 성장 기법에 대해 연구하는 도중에 이루어졌다. 에피택시얼 웨이퍼는 현재 LSI 제조 방법에 사용되는 모든 Si 웨이퍼의 약 20%를 점유한다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 상기 연구동안 발견된 하기 실험사실에 기초한다:
(1) 1018원자/cm3이상의 불순물 붕소로 도핑된 무전위 단결정을 종정으로서 사용하는 경우, 침지 공정동안 열 충격에 기인한 전위가 종정에 발생되지 않는다.
(2) 종정과 성장 결정(특히, 침지 직후 성장된 결정) 사이의 붕소 농도 차이는 일반적으로 격자 부정합(misfit)에 기인하여 부가적인 전위를 발생시킬 수 있지만, 7×1018원자/cm3이하의 붕소 농도 차이는 격자 부정합에 기인한 전위를 형성하지 않을 수 있다.
상기 두 가지 사실을 조합함으로써, 넥킹 공정 없이도 무전위 Si 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 전술한 무전위 결정을 성취하는데 있어서 종정과 성장 결정 사이의 붕소 농도가 다소간 상이할 수 있기 때문에, 고농도의 붕소로 도핑된 종정과 붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액을 조합하여 무전위 Si 단결정을 성장시킴으로써 붕소로 도핑되지 않은 무전위 Si 단결정을 제조할 수 있다.
본 발명이 CZ 방법에 적용될 경우에는, 각각 소정량의 붕소를 함유하는 Si 종정 및 Si 용융액을 제조하고, 종정을 Si 용융액과 접촉시킨 다음, 종정을 끌어올려 결정을 성장시킬 수 있다. 본 발명이 FZ 방법에 적용되는 경우에는, 각각 소정량의 붕소를 함유하는 Si 종정 및 다결정성 Si 원료봉을 제조하고, 봉의 말단을 용융될 때까지 가열한 다음, 종정을 용융된 부분과 접촉시키고, 봉의 길이를 따라 용융된 대역을 이동시킨다. 본 발명에서는, 넥킹 공정이 어느 방법에도 이용되지 않는다.
종정중 붕소의 농도는 바람직하게는 1×1018내지 7×1018원자/cm3이다. 이 범위 내에서는, 붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액으로부터 붕소로 도핑되지 않은 무전위 Si 단결정을 성장시킬 수 있다. 특히, 종정의 붕소 농도는 바람직하게는 3×1018내지 5×1018원자/cm3이다. 이 범위 내에서는, 붕소로 도핑되지 않은 무전위 Si 단결정이 붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액으로부터 더욱 성공적으로 성장될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액"은 1×1015원자/cm3이상과 같은 일반적인 도판트 농도, 바람직하게는 1×1015내지 9×1015원자/cm3, 더욱 바람직하게는 1×1015내지 3×1015원자/cm3으로 붕소를 함유하는 Si 용융액을 일컫는다. 또한, 붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액은 붕소 외의 다른 도판트, 예컨대 인(P), 비소(As) 또는 안티몬(Sb)을 붕소에 대해 전술한 바와 같은 양으로 함유할 수 있다.
실시예
CZ 방법에 적용된 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 본 발명이 FZ 방법에도 적용될 수 있음을 주지해야 한다.
CZ 방법에 따라, 붕소로 도핑되지 않은 무전위 단결정인 종정을 사용하여 Si 용융액로부터 Si 단결정을 제조하였다. 그러나, 넥킹 공정은 수행되지 않았다. 종정중 붕소 농도 및 Si 용융액중 초기 붕소 농도의 다양한 조합에 대해 종정 및 성장 결정에서 발생된 전위를 X-선 토포그래피 방법에 의해 관찰하였다. 결정 제조 조건 및 결과는 하기 표 1에 기재되어 있다.
상기 표 1에서, 붕소로 도핑되지 않은 Si 용융액이 실시예 7 및 비교예 3에 사용되었다. 실시예 12에서는, 붕소 대신 5×1015원자/cm3의 P를 함유하는 Si 용융액을 사용하였다.
표 1은 각 실시예에서 열 충격으로 인한 전위가 종정에서 일어나지 않았고 격자 부정합에 기인한 전위가 성장 결정에서 발생되지 않았음을 보여준다. 따라서, 넥킹 공정 없이도 본 발명에 따라서 무전위 결정을 성공적으로 성장시킬 수 있음이 입증되었다. 한편, 비교예에서는, 종정 및 성장 결정중 적어도 하나에서 전위가 발생하여 무전위 결정을 수득하지 못하였다.
표 1에 기재된 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 8의 결과가 도 1에 요약되어 있다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 종정 및 규소 용융액의 빗금쳐진 영역의 붕소-농도 범위 내에서(붕소로 도핑되지 않은 경우도 포함) 넥킹 공정 없이도 무전위 Si 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 2a 내지 2c 및 3은 CZ 방법에 의해 제조된 Si 단결정에 발생된 전위를 보여주는 X-선 토포그래피 사진의 예이다. 도 2a는 종래의 CZ 방법으로 제조된 Si 단결정의 X-선 토포그래피 사진의 예이다. 도 2b, 2c 및 3은 상기 비교예와 실시예에서 수득된 Si 단결정의 X-선 토포그래피 사진이다. 도 2a 내지 2c는 종정 및 성장 결정 사이의 경계에 인접한 부분을 보여준다. 그 경계는 각 사진에 그려진 화살표로 표시된다. 화살표 위의 부분은 종정이고, 화살표 아래의 부분은 성장 결정이다. 도 3은 전체 결정을 도시하고 있다. 사진 위에 표시된 숫자는 종정의 붕소 농도이고, 사진 밑에 표시된 숫자는 Si 용융액의 초기 붕소 농도이다. 또한, 입사 X-선의 방향은 사진 윗부분에 벡터 g로 표시되어 있다.
도 2a에 도시된 종래의 기법에서는, 열 충격으로 인한 다수의 전위가 종정에서 발생되어 성장 결정내로 전파된다. 그 후, 전위는 넥킹 부분(토포그래피 사진의 아랫부분)에서 제거되어 무전위 결정을 제공한다.
비교예 3에서 제조된 단결정(도 2b에 도시함)에서는 종정에서는 전위가 발생되지 않았으나 성장 결정에서는 부정합 전위가 발생되었음을 알 수 있다.
실시예 4에서 제조된 단결정(도 2c에 도시함)에서는 종정에서도 성장 결정에서도 전위가 발생되지 않았다. 무전위 결정이 성공적으로 성장되었음이 명백하다.
실시예 1에서 제조된 단결정의 전체 사진인 도 3에는 본 발명에 따라 무전위 단결정이 성공적으로 성장된 것으로 도시되어 있다.
부가적인 이점 및 변형은 당 분야의 숙련자에 의해 용이하게 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 가장 넓은 범위의 본 발명은 본원에 도시되고 기재된 특정 세부사항 및 대표적인 실시형태로 한정되지 않는다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 일반적인 원리 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변형시킬 수 있다.
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 넥킹 공정 없이도 무전위 Si 단결정을 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다:
(1) 길고 얇은 넥킹 부분이 필요하지 않아 넥킹 부분의 기계적 강도가 증가될 수 있다. 따라서, 보다 크고 무거운 무전위 단결정을 제조할 수 있다.
(2) 길고 얇은 넥킹 부분이 필요하지 않아 시간이 절약될 수 있음으로써 결정의 제조 효율이 증가될 수 있다. 또한, 넥킹 부분에 통상적으로 사용되는 단결정 부분이 성장 결정에 사용될 수 있어 더 긴 성장 결정이 수득될 수 있다.
(3) 결정 성장 분야의 숙련자가 종래의 경우에서와 같이 넥킹 공정에 따라 무전위 결정이 형성되는지를 점검할 필요가 없어서, 비숙련자에 의해서도 무전위 결정이 용이하게 제조될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 붕소로 도핑되지 않은 무전위 Si 단결정을 성장시킬 수 있음으로써 광범위한 LSI 제조 방법에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 붕소 농도가 1×1018원자/cm3내지 7×1018원자/cm3인 무전위 단결정으로 이루어진 규소 종정을 제조하는 단계;
    종정의 붕소 농도와 7×1018원자/cm3이하의 차이가 나는 붕소 농도를 갖는 규소 용융액을 제조하는 단계; 및
    종정을 규소 용융액과 접촉시켜 규소 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는,
    무전위 규소 단결정을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조크랄스키(Czochralski) 방법 또는 플로팅 존(Floating Zone) 방법을 이용하여 규소 단결정을 성장시키는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    종정의 붕소 농도가 3×1018원자/cm3내지 5×1018원자/cm3인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    규소 용융액이 붕소로 도핑되지 않은 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    규소 용융액이 인, 비소 및 안티몬으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 함유하는 방법.
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