KR100953361B1

KR100953361B1 - 실리콘 반도체 웨이퍼 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100953361B1
Application number: KR1020080009557A
Authority: KR
Inventors: 새틀러 안드레아스; 폰 암몬 빌프리트; 베버 마르틴; 해클 발터; 슈미트 헤르베르트
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-04-20
Also published as: JP5930629B2; KR20080072548A; CN102174710A; CN101302646B; US8231725B2; US20080187736A1; CN102174710B; JP2011231012A; TW200833881A; TWI363108B; DE102007005346A1; JP2008189544A; US8043427B2; JP4819833B2; US20110316128A1; DE102007005346B4; SG144857A1; CN101302646A

Abstract

본 발명은 도가니에 담긴 용융물로부터 상 경계 상에서 성장하는 단결정을 인상하는 단계 및 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하는 실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 벙법에 대한 발명이다. 인상하는 단계 중에 상 경계의 중심에 열이 전달되며, 상 경계의 중심으로부터 가장자리까지의 V/G 비율의 반경 방향 프로파일이 제어되는데, 여기서 G는 상 경계에 수직한 온도 기울기이고 V는 단결정이 용융물로부터 인상되는 인상 속도이다. V/G 비율의 반경 방향 프로파일은 상 경계에 인접한 단결정에서의 열기계적 응력장의 효과가 내부 점결함의 형성과 관련하여 보상되도록 제어된다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된, 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼에 대한 발명이다.

Description

실리콘 반도체 웨이퍼 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR WAFERS OF SILICON AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION}

본 발명은, 실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에 담긴 용융물로부터 상 경계 상에서 성장하는 단결정을 인상하는 단계 및 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하며, 인상하는 단계 중에 상 경계의 중심에 열이 전달되고, 상 경계의 중심으로부터 가장자리까지의 V/G 비율의 반경 방향 프로파일이 제어되는데, 여기서 G는 상 경계에 수직한 온도 기울기이고 V는 단결정이 용융물로부터 인상되는 인상 속도인 것인 실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 대한 것이다.

또한, 본 발명은, 이러한 방법에 의해 제조될 수 있는, 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼에 대한 것이다. 본 명세서에서는 A-스월(A-swirl) 결함, OSF(oxidation induced stacking fault) 결함 및 30nm 이상의 크기의 COP(crystal originated particle) 결함 중 어느 것도 검출되지 않는 한 실리콘 반도체 웨이퍼는 무결함이라고 본다.

본 명세서에서는, 구체적으로 도가니로부터 적어도 0.5mm/min와 동일한 속도로 적어도 300mm의 지름을 갖는 단결정을 인상하며 반도체 웨이퍼의 총 수율로 나 타낼 때 높은 수율로 무결함 반도체 웨이퍼를 공급할 수 있는 경우 경제적으로 실현 가능한 것으로 여긴다.

독일 특허공개공보 제103 39 792호(DE 103 39 792 A1)는 그 결함 특성에 관해서 최적화한 실리콘 단결정의 제조방법을 개시한다. 내재하는 점결함과 그 응집체 뿐만 아니라 그러한 결함의 형성에 대한 예측을 하게 해주는 보론코프 모델(Voronkov model)에 초점을 둔다. 내재하는 점결함의 경우, 격자간 실리콘 원자(격자)와 공격자점(vacancy) 사이에 구별되는 점이 있다. 단결정을 냉각할 때 점결함이 과포화 상태에 들어가면, 실리콘 격자가 전위 루프[A-스월 결함, LPITs(large etch pits)]와 더 작은 클러스터(B-스월 결함) 형태로 검출될 수 있는 응집체를 형성한다. 과포화 상태에 있어서 공격자점은, 검출 수단에 따라, 그 중에서도 특히 COP 결함(crystal originated particles, COPs), FPD(flow pattern defects), LLS(localized light scatterers) 또는 DSOD(direct surface oxide defects)로서, 공격자점 응집체(공극, void)를 형성한다. 실리콘 반도체 웨이퍼가 소자 제조에 관련된 영역에 A-스월 결함을 가지지 않고, 가능한한 소자의 구조 너비 또는 그 이상의 범위의 크기를 갖는 COP 결함이 없는 것이 보장될 필요가 있다. 이러한 요구 조건을 만족하는 반도체 웨이퍼는, 그 결정 격자가 일반적으로 더 작은 COP 결함 또는 B-스월 결함이나 양자의 유형의 결함 모두를 갖더라도, 종종 무결함 또는 무결성이라고 취급된다. 보론코프 모델에 따르면, 단결정을 인상할 때 결정 격자내로 과도하게 들어가는 내재 점결함 유형은 단결정이 용융물로부터 인상 되는 인상 속도(V) 및 성장하는 단결정과 용융물 사이의 상 경계에 수직한 온도 기울기(G)의 비율에 본질적으로 의존한다. 종종, 상 경계에 수직한 축방향 온도 기울기 대신에, 용융물의 표면에 수직한 방향의 축방향 온도 기울기도 모델 계산에서 이용된다. V/G 비율이 임계 비율 밑으로 떨어지는 경우, 과잉의 실리콘 격자가 형성된다. 임계 비율을 초과하는 경우, 공격자점이 두드러진다. 공격자점의 과잉이 있는 경우, 형성되는 COP 결함의 크기는 두 개의 공정 파라미터 즉, 전술한 V/G 비율과 공극의 결정핵 생성 온도인 약 1100℃부터 1000℃까지의 범위에서 단결정이 냉각되는 속도에 의존한다. 따라서, COP 결함은 V/G 비율이 임계 비율에 가까우면 가까울수록 그리고 단결정이 상기 온도 범위에서 빨리 냉각되면 빨리 냉각될수록 그에 비례하여 더 작다. 따라서, 단결정 인상시에, 공격자점의 과포화상태에 의해 형성되는 결함이 전자 소자의 제조를 방해하지 않을 정도로 충분히 작게 유지되도록, 두 개의 공정 파라미터를 제어하려는 노력이 실제로 이루어진다. 소자의 구조 너비는 각 세대에 따라 감소하기 때문에, 허용될 수 있는 결함 크기도 이에 따라 감소한다.

보통 석영으로 이루어지는 도가니의 부식으로 인해, 산소가 용융물에 들어간다. 산소는 단결정에서 [성장된 벌크 마이크로 결함(grown bulk micro defects, BMDs)으로서] 소위 작은 침전물(precipitates)을 형성한다. 이는 금속 불순물을 그 자체에 대해 고착할 수 있으므로(없앨 수 있으므로) 특정 범위에서 바람직하며, 이는 그러한 오염 물질을 반도체 웨이퍼의 표면 영역으로부터 내부(벌크)로 제거하는 데 이용될 수 있다.

V/G 비율이 임계 비율보다 약간 높은 조건 하에서 단결정이 인상되는 경우, 공격자점과 산소 원자의 상호 작용으로도 종자결정(seed)이 형성되며, 이는 OSF(oxidation induced stacking faults) 결함을 유발한다. 보통, 이러한 종자결정을 갖는 구역(OSF 구역)의 존재는 통상적으로 단결정으로부터 절단된 반도체 웨이퍼를 약 1100℃의 습식 산소 내에서 수 시간 동안 산화시켜 OSF 결함이 형성되도록 하여 검출한다. 이러한 결함 유형도 마찬가지로 전자 소자의 기능적 무결성에 불리하기 때문에, 예컨대 OSF 결함을 형성하는 데 필요한 산소보다 더 적은 산소가 단결정 내로 들어가도록 용융물 내의 산소 농도를 감소시키는 등의 OSF 형성을 억제하는 시도가 이루어진다. OSF 구역은, 예컨대 더 높거나 더 낮은 인상 속도를 이용하여 V/G 비율을 변경하는 것에 의해서도 방지될 수 있다. 더불어, OSF 종자결정의 형성은 (900℃에서의 침전에 대한 온도 범위에서) 더 높은 냉각 속도에 의해 감소될 수 있다. 또한, OSF 결함을 방지하는 데에는, 단결정이 작은 농도의 수소를 포함하는 것이 유리하다고 알려져 있다.

V/G 비율을 제어하는 데 있어서의 구체적인 어려움은 단결정이 보통 중심에서보다 가장자리에서 더 빨리 냉각되어, V/G 비율이 중심으로부터 가장자리를 향해 감소한다는 사실에 기인한다. 이에 상응하는 제어에 불구하고, 이는 중심에서 형성되는 허용할 수 없을 정도로 큰 COP 결함 및/또는 가장자리 구역에 형성되는 A-스월 결함을 야기할 수 있다. 따라서, 반경 방향 위치(r)에 대한 G의 종속관계, G(r)은 상당한 크기의 지름을 갖는 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼를 경제적으로 제조하려는 경우 각별히 고려하여야 한다.

전술한 독일 특허공개공보 제103 39 792호에서는 상 경계의 아래로부터 중심으로 향하는 열전달을 유도하는 것을 제안하고 있다. 이는 두 가지의 효과를 얻고자 하는 것이다. 한편으로, 열전달에 수반되는 온도 기울기(G)의 증가는, 수반하는 결함 생성 없이 그에 따른 인상 속도(V)의 증가를 가능하게 하려는 것이다. 다른 한편으로, 이는 V/G 비율의 반경 방향 프로파일을 균질화, 즉 동일하게 하여, V/G 비율이 상 경계의 중심으로부터 가장자리까지 가능한한 적게 변하고 임계 비율에 가능한한 가깝게 하려는 것이다. 이러한 방안으로, 300mm의 지름을 갖는 무결함 반도체 웨이퍼를 제작하는 것이 가능하고, 이러한 경우 단결정은 0.36mm/min의 속도로 인상될 수 있다.

미국특허 제6,869,478호는 단결정의 방향에서 굽어진 상 경계가 이 상 경계에 수직한 가장 가파른 온도 기울기를 생성한다고 개시한다. 보론코프 모델을 고려하면, 그에 따라 점결함은 온도 기울기 방향으로 확산되고 그에 따라 실리콘 격자가 공격자점보다 빨리 확산되며, 또한 상 경계의 곡률로 인한 실리콘 격자의 반경 방향 확산이 상 경계의 중심에서 공격자점의 농도를 증가시킨다고 개시하고 있다. 따라서, 공격자점과 실리콘 격자의 농도가 서로에 상응하는 경우의 V/G 비율은 상 경계가 단결정을 향해 더욱 강하게 굽어지는 데 비례하여 더 작다.

본 발명의 발명자들은, 반경 방향 분배를 고려하는 경우라 하더라도, 결함 분배에 대한 예측이, 단결정이 인상되는 속도가 더욱 빠름에 따라 그리고 단결정의 지름이 더욱 큼에 따라 그에 비례하여 실험에서 밝혀진 결함 분배와는 더욱 많이 달라진다는 것을 알아냈다.

도 1은 이러한 관찰에 대한 극단적인 예를 도시한다. 공칭 지름이 300mm인 실리콘 단결정이 높은 인상 속도로 인상되고 V/G의 불균일한 반경 방향 프로파일이 조절되었다. 중심 영역에서 V/G는, 보론코프 모델의 예측에 따라 이 영역에서 A-스월 결함의 형성이 매우 적게 기대될 수 있도록 조절되었다. 그러나 실제로는 지름이 30nm를 초과하는 COP 결함이 발견되었다. 가장자리 구역에서 V/G 비율은, 큰 COP 결함이 그 곳에서 형성되도록 높게 조절되었다. 그러나 실제로는 A-스월 결함이 발견되었다.

이러한 결과는, 그 반경 방향 프로파일이 가능한한 적게 변화하고 임계 비율로부터 최대한 차이가 나도록 V/G 비율을 조절하는, 지금까지 선행 기술이 채택해온 방안은 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼가 경제적으로 제조되어야 하는 경우에 성공적이지 못하다는 것을 보여준다.

따라서, 본 발명의 목적은 경제적으로 이루어지는 방법을 제공함으로써 이러한 문제를 해결하는 것이다.

본 발명은 실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에 담긴 용융물로부터 상 경계 상에서 성장하는 단결정을 인상하는 단계 및 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하며, 인상하는 단계 중에 상 경계의 중심으로 열이 전달되고, 상 경계의 중심으로부터 가장자리로의 V/G 비율의 반경 방향 프로파일이 제어되며, 여기서 G는 상 경계에 수직한 온도 기울기이고 V는 단결정이 용융물로부터 인상되는 인상 속도이며, V/G 비율의 반경 방향 프로파일은 상 경계에 인접한 단결정에서의 열기계적 응력장의 효과가 내부 점결함의 형성과 관련하여 보상되도록 제어되는 것인, 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라, 무결함 반도체 웨이퍼를 경제적으로 제조할 수 있다.

집중적인 연구 결과, 본 발명의 발명자들은 열기계적 응력장을 유력한 원인으로 확인하였고, 이에 따라 실험적으로 관찰된 결과가 설명될 수 있다. 열기계적 응력장은 내부 점결함의 농도에 영향을 줄 수 있고, 이에 따라 결함 형성에도 놀랍 도록 강한 영향을 간접적으로 줄 수 있다. 본 발명의 발명자들의 발견에 따르면, 열기계적 응력장의 세기는 감소되어야 하고 그들의 효과는 V/G의 반경 방향 프로파일의 구성에서 보상되어야 하며, 이로써 무결함 반도체 웨이퍼를 제공하는, 구체적으로 적어도 300mm의 지름을 갖는 단결정이 경제적으로 인상될 수 있다.

K.Tanahashi와 N.Inoue가 저술한 재료학 학술지 : 전자 공학의 재료 10 (1999) 359 내지 363 페이지에서는 결정화된 실리콘에서의 열기계적 응력장과 내부 점결함의 확산성 및 용해도에 대한 열기계적 응력장의 효과를 개시하고 있다. 실리콘 격자의 형성이 인장 응력의 구역에서 열역학적으로 촉진되고, 공격자점의 형성이 압축 응력의 구역에서 열역학적으로 촉진된다는 결론에 도달했지만, 그들의 모델 계산은 이것이 결함 형성에 어떠한 특별한 효과가 있어서는 안 된다는 것도 보여준다.

그렇지만, 본 발명의 발명자들은 열기계적 응력장의 효과는 상당할 수 있다는 것을 발견하였고, 본 발명은 응력장의 세기가 제한되어야 한다는 것을 교시한다. 또한, 그들의 효과는 내부 점결함의 형성과 관련하여 보상되어야 한다. 이는 압축 응력 하에 있고 상 경계의 중심 구역에 인접한 단결정 영역에서의 온도 기울기(G)를 인장 응력 하에 있고 단결정의 가장자리 영역에 인접하며 상 경계에서 가능한 멀리 연장된 영역에서의 온도 기울기(G)보다 크게 유지시킴으로써 유용하게 이루어질 수 있다. 압축 응력 영역의 온도 기울기가 클수록 이용 가능한 실리콘 격자의 수가 증가하고, 이는 압축 응력으로 인해서도 존재하는 공격자점을 제거한다. 인장 응력 영역의 온도 기울기가 작을수록 이용 가능한 공격자점의 수가 증가 하고, 이는 압축 응력으로 인해서도 존재하는 실리콘 격자를 제거한다. 결과적으로 공격자점과 실리콘 격자의 조화된 비율이 얻어지며, 이는 무결함 반도체 웨이퍼를 제조하기 위해 결정적인 필요조건이므로 바람직하다.

V/G 비율과 관련하여, 본 발명은, 최대로 균일한 V/G의 반경 방향 프로파일을 고려하지 않는 대신에, 압축 응력 영역의 상 경계에서 임계 비율보다 작고 인장 응력 영역의 상 경계에서 임계 비율보다 큰 V/G를 갖는 불균일한 반경 방향 프로파일을 고려한다. 임계 비율은 보론코프 모델에 따른 평탄한 상 경계의 경우에 필요조건인 V/G 비율이며, 점결함의 결함 형성 과잉이 형성되지 않도록 한다.

도 2는 열기계적 응력장의 영역에서의 V/G 비율은 열기계적 응력장의 세기가 증가함에 따라 임계 비율로부터 더욱 심하게 변화해야 한다는 것을 보여준다. 기대되는 압축 및 인장 응력은 시뮬레이션 계산에 의해 예측될 수 있다. 계산에는, 예컨대 반도체 기술 리서치사(Semiconductor Technology Research, Inc)의 플로우 모듈 프로그램(Flow Module program)과 같은, 상업적으로 이용 가능한 프로그램이 이용될 수 있다.

도 3은 구체적으로 압축 응력 영역의 V/G와 인장 응력 영역의 V/G 사이의 비율이 중요하다는 것을 보여준다. V/G의 반경 방향 프로파일은 (V/G)t/(V/G)c가 적어도 1.5보다 크게, 바람직하게는 1.8보다 크게, 보다 바람직하게는 2보다 크게 제어되는 것이 바람직하며, 여기서 (V/G)c는 압축 응력 하에 있는 영역에서의 최소 V/G 비율이며, (V/G)t는 인장 응력 하에 있는 영역에서의 최대 V/G 비율이다. 예컨대 독일 특허공개공보 제103 39 792호에 기재되어 있는 것과 같은, 보론코프 모 델에 전적으로 기초한 방안은, 균일하고 임계 비율로부터 가능한한 적게 변화하는 V/G의 반경 방향 프로파일을 얻고자 한다. 또한, 실리콘 격자의 반경 방향 확산성을 고려하고 예컨대 미국특허 제6,869,478호에 개시된 것과 같은 방안은, (V/G)t/(V/G)c 비율이 언제나 1.5 보다 상당히 낮아서 실질적으로 균일하다고 여겨질 수 있는 V/G의 반경 방향 프로파일을 개시한다. 근래의 용어로 무결함이라고 여겨지는 실리콘 반도체 웨이퍼가 상기 방안에 의해 제조될 수 있지만, 이는 경제적으로 실현 가능하지 않은 방법에 의해서만 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 방법은, 적어도 300mm의 지름을 갖으며 적어도 0.5mm/min의 속도로 경제적으로 인상되는 단결정으로부터 무결함의 실리콘 반도체 웨이퍼를 얻을 수 있기 때문에 이러한 결점을 극복한다.

또한, 에피택시얼(epitaxial) 반도체 웨이퍼와 SOI 웨이퍼를 제조하는 기판으로서도 적합한 이러한 반도체 웨이퍼는, 공지의 방식으로 인상되는 단결정으로부터 얻는 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼와, 특히 산소와 도펀트 무늬의 자세각(attitude angle)(θ)의 반경 방향 프로파일에 의해 쉽게 구별될 수 있다. 보론코프 모델은 무결함 반도체 웨이퍼용 단결정은 원칙적으로 온도 기울기(G)가 증가하는 경우에 한해 신속하게 인상될 수 있다고 예측한다. 이러한 방식으로만 인상 속도(V)가 증가되고 동시에 임계 비율(V/G)이 유지된다. 증가된 열 공급은 상 경계가 단결정을 향해 볼록하게 굽은 표면 형상을 취한다는 것을 의미한다. 곡률의 범위는 높이(h)에 의해 특정될 수 있다. 이는 용융물의 표면과 상 경계의 중심 사이의 거리와 같다. 본 발명에 따라 인상되는 단결정의 경우, 상 경계의 곡률 은 상당하다. 상 경계는 등온면 즉, 동일한 온도를 나타내는 점으로 형성된 표면으로도 여겨질 수 있다. 산소와 예컨대, 붕소, 인, 비소 또는 안티몬과 같은 도펀트가 단결정 내로 흡수되는 농도는 상 경계의 영역에서의 온도에 민감하게 의존한다. 필연적인 온도 편차는 상 경계의 축방향 위치가 시간에 따라 조금씩 변화하는 것을 야기할 뿐만 아니라, 시간의 함수로 변화하는 단결정 내로의 산소와 도펀트의 포착(take-up)을 야기한다. 이들 원소의 상이한 농도는, 상 경계의 프로파일에 따라 형성되는 성장 무늬의 형태로 드러날 수 있다. 반도체 웨이퍼의 평면도에서 성장 무늬는 고리처럼 보이며, 반도체 웨이퍼의 횡단면에서 또는 단결정 조각의 종단면에서는 곡선처럼 보인다. 이러한 선의 자세각(θ)의 프로파일은 단결정을 인상할 때의 상 경계의 곡률과 관련한 정보를 제공한다. 그러한 자세각의 프로파일을 갖는 단결정은 본 발명에 따른 방법에 의해서만 제조될 수 있기 때문에, 단결정으로부터 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼를 만드는 한, 자세각(θ)의 프로파일은 본 발명에 따른 방법의 적용에 대한 명백한 지표이다.

따라서, 본 발명은 OSF 결함, A-스월 결함 및 30nm 이상의 크기를 갖는 COP 결함 중 어느 것도 포함하지 않고, 수평선과 성장 무늬에 접하는 접선 사이의 자세각(θ)이, 도(degree)로 표현할 때 θ < -17*(r/rmax)인 부등식으로 표현되는 값 범위에 있는 산소 또는 도펀트의 성장 무늬의 반경 방향 프로파일을 갖는 실리콘 반도체 웨이퍼에 관한 것이며, 여기서 θ는 r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지의 범위에서 결정되고, r은 성장 무늬에 접하는 접선의 반경 방향 위치이고 rmax는 반도체 웨이퍼의 반지름을 뜻한다. 따라서, 반도체 웨이퍼는 적어도 하나의 자세 각(θ)이 r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지인 경우 언제나 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼이며, 이 값은 부등식에 의해 구체화되는 값 범위에 포함되는 값이다.

r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지의 범위에서 자세각(θ)이 상기 값 범위 내에서 완전히 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 바람직한 한정에 따르면, 반도체 웨이퍼는 r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지의 범위에 있는 모든 자세각(θ)이 부등식에 의해 구체화되는 값 범위에 속하는 경우 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼이다.

r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지의 범위에 있는 자세각(θ)이 변경된 부등식 -50*(r/rmax) < θ < -17*(r/rmax)로 정의되는 값 범위에서 완전히 유지되는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 특히 바람직한 한정에 따르면, 반도체 웨이퍼는 r/rmax = 0.1 부터 r/rmax = 0.9 까지의 범위에 있는 모든 자세각(θ)이 변경된 부등식에 의해 구체화되는 값 범위에 속하는 경우 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼이다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼가 선행기술의 반도체 웨이퍼와 어떻게 구별되는 지를 도식적으로 나타낸다. 반도체 웨이퍼의 반지름에 대하여 자세각(θ)의 좌표가 정해지면, 그 결과적인 선이 구체화된 부등식에 따른 구역에 존재하는 것은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼에 한한다. 구역은 r/rmax가 0.1 부터 0.9인 반경 방향 위치에 제한되는데, 인접 영역에서의 자세각(θ)은 부정확하게만 결정될 수 있기 때문이다. 또한, 비교를 위해, 도 4는 미국특허 제6,869,478호 또는 독일 특허공개공보 제103 39 792호에 개시된 방법에 따라 제조된 반도체 웨이퍼에 대한 자세각(θ)의 프로파일을 도시한다.

또한, 산소와 적어도 하나의 도펀트 외에도, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼는 탄소, 질소 및 수소 중 적어도 하나의 원소를 함유한다. 질소가 존재하는 경우, 농도는 바람직하게 2.0*10¹³ 내지 1.0*10¹⁵ 원소/cm³이다. 탄소, 질소 또는 양 원소가 모두 존재하는 경우 BMDs의 형성에 일조하고, 이에 따라 게터 성능을 개선한다. 산소 농도가 비교적 낮은 것이 특히 유용하다. 수소의 존재는 OSF 결함의 형성을 방해한다. 따라서, 수소 농도는 비교적 높은 것이 특히 유용하다.

본 발명에 따른 V/G 비율의 반경 방향 프로파일을 제어하는 데에는 원칙적으로 이러한 파라미터 중 어느 하나에 효과를 가지고 있다고 알려진 어떠한 수단도 상정할 수 있다. 가능한한 경제적이어야 하며 이에 따라 가능한한 신속하게 인상할 수 있다는 기준으로 인해 인상 속도를 변화시키는 허용 범위가 작기 때문에, 대부분의 수단은 온도 기울기(G)의 반경 방향 프로파일을, 특히 압축 및 인장 응력의 범위에서, 본 발명의 명세서에 따라 조절하는 데 목적이 있다. 이는 소위 핫 존(hot zone)이라 불리는 단결정의 가까운 근위부를 적절히 형성하고 가까운 근위부에 적절히 영향을 끼침으로써, 또한 이에 따라 단결정에 열을 공급하고 단결정으로부터 열을 방출하는 적절한 수단에 의해 최적화될 수 있다. 예컨대, V/G 비율의 조절에 대한 독일 특허공개공보 제103 39 792호에 이미 개시된 수단이 특히 바람직하다. 상기 문헌에서의 기재로서, 이 수단은 본 발명의 개시된 구성요소로서 적용한다. 특히 언급된 예는 열원을 이용하는 것이며, 여기서 열은 상 경계의 중심 으로부터 특정 수준으로 전달될 수 있고, 구체적으로는 도가니 중심 밑에 배치되고 도가니에 의해 승강이 가능한 가열기의 형태를 가지고 있다. 이러한 가열기는 도가니 저부의 중심에서 뚜렷하게 온도가 최대인 상태로 도가니 저부의 반경 방향 온도 프로파일을 생성하는 경우 특히 바람직하다. 추가로, 도가니 저부는, 도가니 밑에 정적으로 배치되고 이에 따라 단결정을 인상할 때 도가니와 함께 상승하지 않는 열원에 의해 가열될 수 있다. 도가니를 에워싸는 통상적인 측부 가열기에 의해 열은 바람직하게 세 가지 방법으로 용융물에 전달된다. 또한, 상 경계의 중심을 향하는 바람직한 열 전달은, 그에 따른 G의 증가가 덜 현저하다 할지라도, 도가니와 단결정을 같은 방향으로 회전시켜서도 이루어질 수 있다. 자기장 특히, 수평 자기장 또는 CUSP 자기장 또는 이동 자기장을 부가적으로 이용함으로써, 단결정에서의 산소의 농도가 제한될 수 있을 뿐만 아니라, 열 전달 상에도 효과가 있을 수 있다. 따라서, 특히 CUSP 자기장은 상 경계의 중심을 향해 위로 향하고 열을 전달하는 용융 유량을 집중시키는 수단으로서 적합하다. 이러한 효과는, CUSP 자기장이 선대칭인 수평 자기장과 동일한 경우, CUSP 자기장의 중립 평면이 용융물의 표면 위로 적어도 50mm와 동일한 거리를 두고 놓이는 경우 특히 현저하다. 온도 기울기(G)를 증가시키는 추가적인 장치는 냉각기이며, 냉각기는 단결정을 둘러싸고 있고 단결정으로부터 열을 효과적으로 방출한다. 온도 기울기(G)를 제어할 뿐만 아니라 단결정에서의 열기계적 응력을 감소하는 데 적합한 것은 상 경계와 인접한 단결정의 가장자리를 가열하는 열원이며, 용융물의 표면 근처에서 단결정을 둘러싸는 환형 가열기 구조가 특히 바람직하다.

환형 가열기와 냉각기는 단결정의 표면 상의 축방향 온도 프로파일이 적어도 하나의 변곡점을 갖는 곡선으로 나타내질 수 있도록, 즉 적어도 3차원의 다항식으로 근사화될 수 있도록 작동하는 것이 바람직하며, 따라서 이는 미국특허 제6,869,478호에 개시된 포물선 모양의 온도 프로파일과 다르다. 바람직한 축방향 온도 프로파일이 도 5에 도시되어 있다. 단결정은 상 경계의 중심과 용융물의 표면 사이의 높이(h)보다 큰, 용융물의 표면 위의 거리까지 냉각되지 않는 것이 바람직하다.

도 6a 및 6b는, 큰 단결정의 신속한 인상시에, 한편으로는 V/G의 반경 방향 프로파일을 가능한한 균일하고 임계 비율에 가깝게 유지게 맞추어진 방안(도 6a)과, 다른 한편으로는 본 발명에 따라 진행하는 방안에 대해, 열기계적 응력장의 세기와 온도 기울기(G)의 반경방향 프로파일의 비교를 보여준다. V/G의 반경 방향 프로파일이 균일하게 구성되면, 매우 현저한 압축 응력과 함께 단결정 내에 형성되고 상 경계의 중심 영역에 인접한 영역과, 매우 현저한 인장 응력과 함께 상 경계와 단결정의 가장자리 영역에 인접한 영역이 형성된다. 그 결과 임계 비율에 대해 조절된 V/G 비율은, 양쪽 영역에 있어서 내부 점결함의 결함 형성 과잉을 방지하는 데 필요한 값과는 상당히 다르다. 이와 대조적으로, 도 6b에서의 등온선의 상이한 간격은 본 발명에 따른 방법에서는 V/G 비율에 대한 그와 같은 해로운 조절은 일어나지 않는다는 것을 보여준다. 높은 온도 기울기(G)는 압축 응력의 영역에서 조절되고 낮은 온도 기울기(G)는 인장 응력의 영역에서 조절되며, 그 결과 내부 점결함의 결함 형성 과잉의 형성이 방지된다. 또한, 도 6b는, 환형 가열기를 이용함으로 써 응력장의 세기가 감소되며, 따라서 본 발명에 따라 V/G의 반경 방향 프로파일을 채용함으로써 결함 형성에 대한 그들의 효과를 저지하는 것이 더 용이하다. 높이(h)는 적어도 20mm인 것이 바람직하다.

단결정에서의 산소 농도는 마찬가지로 바람직하게 제어되어, 단결정이 OSF 결함의 형성을 촉진하는 조건 하에서 인상되는 경우라도 OSF 결함이 형성되지 않는다. 한편, 산소 침전물(BMDs)에 대해 충분한 결정핵 생성 중심이 존재하도록 충분한 산소가 존재하는 것도 바람직하다. ASTM 규격 F121-83에 따른 농도에 따라 5*10¹⁷ 원자/cm³ 내지 6.5*10¹⁷ 원자/cm³의 범위가 적합하게 조정된다. 산소 농도는 자기 코일에 의해 생성된 장의 세기, 인상 시스템의 압력 및 인상 시스템을 통해 공급되는 아르곤과 같은 불활성 기체의 단위 시간당 유량 또는 이러한 제어 수단의 조합에 의해 바람직하게 제어된다. 단결정 내의 산소 함유량은 용융물의 유량에 의존한다. 단결정과 도가니의 같은 방향에서의 회전, 예컨대 증진된 도가니 회전은 더 높은 산소 함유량을 야기한다. 용융물에서의 적어도 10mT(7960A/m) 내지 80mT(63700A/m)의 장의 세기뿐만 아니라 0.004 내지 0.03mbar/(1/h)의 압력-유량 비율은 인상 축의 영역에서 특히 바람직하다.

비교례 :

무결함 반도체 웨이퍼를 가능한한 많이 얻을 목적으로, 0.64mm/min의 속도로 실리콘 단결정을 인상하는 시도가 이루어졌다. 이러한 목적을 달성하기 위해, V/G 비율의 반경 방향 프로파일은 독일 특허공개공보 제103 39 792호에 개시된 방안에 따라 즉, 임계 비율에서의 최대로 균일한 반경 방향 프로파일을 얻도록 제어되었다. 임계 비율로부터의 최대 편차는 사실상 9%보다 적었다. 그렇지만, 이러한 방안으로 무결함 반도체 웨이퍼를 전혀 얻을 수 없었다.

실시예 :

본 발명에 따라 반도체 웨이퍼를 제조하는 데에, 비교례와 동일한 장치가 이용되었다.

도 7에 도시된 장치는 용융물을 담는 도가니(8)와 도가니를 둘러싸는 측부 가열기(6)뿐만 아니라 열차폐재(2)를 포함하고 있다. 또한, CUSP 자기장을 생성하며 서로 대향하는 두 개의 자기장 코일(5) 및 도가니와 함께 상승 가능하며 성장하는 단결정(9)의 상 경계의 중심에 열을 전달하는 저부 가열기(10)를 포함하였다. 인상 장치의 다른 구성으로서는 환형 가열기(3) 외에도 정적 저부 가열기(7), 단결정을 둘러싸고 물로 냉각되며 내부 표면이 흑화된(blackened) 냉각기(1)가 있다.

단결정 내의 열기계적 응력장을 나타내는 맵은 시뮬레이션 계산에 의해 이러한 핫 존에 대해 컴파일되었다. 선대칭이고 등방적으로 탄성 응력을 이차원적으로 계산하는 전술한 플로우 모듈 프로그램이 시뮬레이션 프로그램으로 이용되었다. 계산은 실리콘의 영스 모듈러스(E = 150Gpa, 포아송비 υ = 0.25, 선팽창계수 α = 2.6*10^-6/K)에 기초하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, -26 MPa에 이르는 열기계적 응력이 압축 응력 영역에서 관찰되었고, 7.53 MPa에 이르는 열기계적 응력이 인장 응력 영역에서 관찰되었다. 이러한 관찰을 고려하는 데에는 V/G의 반경 방향 프로 파일은, 도 3에 도시된 바에 따라, 약 1.93의 (V/G)t/(V/G)c 비율, 0.7의 (V/G)c/(V/G)crit 비율, 1.35의 (V/G)t/(V/G)crit 비율, 및 임계비율로서 (V/G)crit으로 변경되고 조절되었다.

이러한 조건하에서 0.6mm/min의 속도로 인상된 단결정으로부터 지름이 300mm인 무결함 실리콘 반도체 웨이퍼가 높은 수율로 얻어질 수 있었다. 실리콘 웨이퍼 상에서 A-스월 결함, FPD 및 OSF 결함 중 어느 것도 검출되지 않았다. COP 결함에 대한 조사는 미츠이 마이닝(Mitsui, Mining)의 MO-4 타입 산란 레이저광 미터에 의해 수행되었고, 그 적용 방식은 예컨대 나카이 등에 의한 일본 응용 물리학 학술지 2004년판 43권 4A섹션 1247 내지 1253페이지에 개시되어 있다. 지름이 30nm를 넘는 COP 결함은 발견되지 않았다.

도 9a 및 도 9b는 포토스캔의 결과를 도시하며, 이에 의해 도펀트 무늬의 프로파일이 나타나 있다. 이러한 방법에서, 전하 캐리어가 레이저광에 의해 자극되어 전기적으로 검출된다. 도 9a는 인상된 단결정의 80mm 길이의 조각에 대한 패널형 종방향 단면의 측면도를 도시한다. 도 9b는 반도체 웨이퍼에 대한 횡단면도를 평가함으로써 자세각(θ)의 반경 방향 프로파일이 정해지는 방식을 도시한다. 이 예에서 자세각(θ)에 대해 정해진 반경 방향 프로파일은 도 4에 도시된 프로파일에 상응한다.

도펀트 무늬의 평가에 대해 부가하거나 이를 대신하여, 자세각(θ)의 반경 방향 프로파일이 산소 무늬의 유사한 평가에 의해서도 정해질 수 있다. 산소 무늬는, 열 처리에 의한 산소의 침전 후에 파쇄 가장자리를 에칭하고 자외선에 비스듬 히 노출시켜 조사함으로써 나타난다.

도 1은 선행 기술의 문제점을 도시하는 도면.

도 2는 열기계적 응력장의 세기에 따른 V/G 비율과 임계 비율의 차이를 도시하는 도면.

도 3은 압축 응력 영역의 V/G와 인장 응력 영역의 V/G 사이의 비율을 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼와 선행 기술의 반도체 웨이퍼를 비교하는 도면.

도 5는 단결정의 축방향 온도 프로파일을 도시하는 도면.

도 6a는 열기계적 응력장의 세기와 온도 기울기(G)의 반경 방향 프로파일 사이의 관계를 본 발명과 비교하기 위해 도시하는 도면.

도 6b는 본 발명에 따른 열기계적 응력장의 세기와 온도 기울기(G)의 반경 방향 프로파일 사이의 관계를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따라 반도체 웨이퍼를 제조하는 장치를 도시하는 도면.

도 8은 압축 응력 영역과 인장 응력 영역에서의 열기계적 응력을 도시하는 도면.

도 9a는 인상된 단결정의 80mm 길이의 조작을 통한 패널형 종방향 단면의 측면도.

도 9b는 자세각(θ)의 반경 방향 프로파일이 정해지는 방식을 도시하는 도면.

Claims

실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에 담긴 용융물로부터 상 경계 상에서 성장하는 단결정을 인상하는 단계 및 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하며, 인상하는 단계 중에 상 경계의 중심에 열이 전달되고, 상 경계의 중심으로부터 가장자리까지의 V/G 비율의 반경 방향 프로파일이 제어되며, 여기서 G는 상 경계에 수직한 온도 기울기이고 V는 용융물로부터 단결정이 인상하는 인상 속도이고, V/G 비율의 반경 방향 프로파일은 상 경계에 인접한 단결정에서의 열기계적 응력장의 효과가 내부 점결함의 형성과 관련하여 보상되도록 제어되고, V/G가, 평탄한 상 경계의 경우에 점결함의 결함 형성 과잉이 형성되지 않기 위한 필요조건인 임계 V/G 비율보다 압축 응력의 영역에서 더 낮고 인장 응력의 영역에서 더 높도록 V/G의 반경 방향 프로파일을 조절하는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에 담긴 용융물로부터 상 경계 상에서 성장하는 단결정을 인상하는 단계 및 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하며, 인상하는 단계 중에 상 경계의 중심에 열이 전달되고, 상 경계의 중심으로부터 가장자리까지의 V/G 비율의 반경 방향 프로파일이 제어되며, 여기서 G는 상 경계에 수직한 온도 기울기이고 V는 용융물로부터 단결정이 인상하는 인상 속도이고, V/G 비율의 반경 방향 프로파일은 상 경계에 인접한 단결정에서의 열기계적 응력장의 효과가 내부 점결함의 형성과 관련하여 보상되도록 제어되고, 압축 응력 하에 있고 상 경계의 중심 구역에 인접한 단결정 영역에서의 온도 기울기(G)가, 인장 응력 하에 있고 상 경계의 가장자리 영역에 인접한 영역에서보다 더 크게 유지되는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 2에 있어서, V/G가, 평탄한 상 경계의 경우에 점결함의 결함 형성 과잉이 형성되지 않기 위한 필요조건인 임계 V/G 비율보다 압축 응력의 영역에서 더 낮고 인장 응력의 영역에서 더 높도록 V/G의 반경 방향 프로파일을 조절하는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 1 또는 3에 있어서, V/G의 반경 방향 프로파일은 또/G)t/(V/G)c가 적어도 1.5보다 크도록 조절되며, 여기서 (V/G)c는 압축 응력 하에 있는 영역에서의 최소 V/G 비율이고, (V/G)t는 인장 응력 하에 있는 영역에서의 최대 V/G 비율인 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 단결정은 0.5mm/min 이상의 평균 인상 속도로 300mm 이상의 지름으로 인상되는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 단결정은, 상 경계의 중심과 용융물의 표면 사이의 높이(h)보다 용융물의 표면 위로 떨어진 곳에서 냉각되는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 용융물과 인접한 단결정의 영역이 가열되어 단결정의 가장자리에서의 축방향 온도 프로파일이 적어도 하나의 변곡점을 갖게 되는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, CUSP 자기장 또는 수평 자기장 또는 이동 자기장이 용융물에 가해지는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
청구항 8에 있어서, 용융물의 표면으로부터 50mm 이상 위에 존재하는 중립 표면을 갖는 CUSP 자기장이 용융물에 가해지는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼 제조 방법.
실리콘 반도체 웨이퍼로서, OSF 결함, A-스월 결함 및 30nm 이상의 크기를 갖는 COP 결함 중 어느 것도 포함하지 않고, 수평선과 성장 무늬에 접하는 접선 사이의 자세각(θ)이, 도(degree)로 표현할 때, θ < -17*(r/rmax)인 부등식으로 표현되는 값 범위에 있는 산소 또는 도펀트의 성장 무늬의 반경 방향 프로파일을 갖으며, 여기서 θ는 r/rmax = 0.1 내지 r/rmax = 0.9의 범위에서 결정되고, r은 성장 무늬에 접선이 접하는 반경 방향 위치이며 rmax는 반도체 웨이퍼의 반지름인 것인 실리콘 반도체 웨이퍼.
청구항 10에 있어서, r/rmax = 0.1 내지 r/rmax = 0.9의 범위에서의 자세각(θ)은 모두 θ < -17*(r/rmax)의 값 범위에 속하는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, r/rmax = 0.1 내지 r/rmax = 0.9의 범위에서의 자세각(θ)은 모두 부등식 -50*(r/rmax) < θ < -17*(r/rmax)로 표현되는 범위에 속하는 것인 실리콘 반도체 웨이퍼.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 탄소, 질소 및 수소에 의해 형성되는 원소 집단 중 적어도 하나의 원소의 첨가물을 포함하는 것인 실리콘 반도체 웨이 퍼.
청구항 13에 있어서, 질소 농도는 2.0*10¹³ 내지 1.0*10¹⁵ 원자/cm³인 것인 실리콘 반도체 웨이퍼.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 산소 농도는 5*10¹⁷ 내지 6.5*10¹⁷ 원자/cm³인 것인 실리콘 반도체 웨이퍼.