KR100967523B1 - 고강도，고저항 특성을 갖는 실리콘 단결정과 그 제조방법및 웨이퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 게르마늄(Ge) 원소가 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 첨가되어 고강도 특성을 가지며, 초기 산소농도가 6ppma 이하로 제어되어 고저항 특성을 갖게 되는 실리콘 단결정이 개시된다.

쵸크랄스키법, 고강도, 비저항, 초기 산소농도, BMD, OiSF, 비대칭 커스프 자기장

Description

고강도，고저항 특성을 갖는 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼{Silicon single crystal having high strength and resistivity characteristics, producing method and wafer thereof}

본 발명은 실리콘 단결정과 그 웨이퍼의 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 제조되어 고강도, 고저항 특성을 갖는 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 단결정은 도펀트(dopant)가 첨가되지 않은 상태에서의 진성 캐리어 밀도가 이론적으로는 대략 1.45×10¹⁰/cm³ 이며, 따라서 진성 실리콘의 비저항(resistivity)은 대략 2.3×10⁵Ω㎝으로 매우 높은 값을 나타낸다. 하지만 쵸크랄스키법에 의하여 실제로 성장된 실리콘 단결정의 비저항은 통상 100Ω㎝ 이하의 낮은 값을 나타낸다. 이는 쵸크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정 내에 존재하는 격자간(interstitial) 산소 원자가 약 350 내지 500℃의 온도 구간에서 전기 전도에 기여하는 산소 도너(oxygen-donor, thermal donor)를 생성하여 공급하기 때문이다.

한편, 웨이퍼 위에 형성된 절연막이 절연 파괴되지 않고 게이트 절연막으로서의 작용을 하면서 견딜 수 있는 최대 게이트 전압을 산화막 내압 특성이라 하는데, 최근에는 파워 디바이스에 적합하도록 산화막 내압 특성이 우수한 고저항 실리콘 웨이퍼의 요구가 점점 증가하고 있다.

종래에는 파워 디바이스용 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 산소 도너에 의한 비저항 값의 저하가 발생하지 않는 플로팅존(Floating Zone)법에 의해 제조된 실리콘 단결정을 이용하여 제조된 웨이퍼를 사용하였다. 도 1에 도시된 바와 같이 플로팅존(FZ)법에는 가스 확산(Gas Diffusion) 방식을 사용하므로 도핑의 제어가 용이하며 미량의 도펀트로 비저항(Res.)을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 플로팅존(FZ)법으로 200mm 이상의 대구경 실리콘 단결정을 제조하는 것은 기술적으로 한계가 있으며, 특히 플로팅존(FZ)법은 공정 비용이 매우 높은 단점이 있다.

최근에는 쵸크랄스키법으로 실리콘 단결정을 제조하면서도 비저항 값을 높이기 위한 방안이 연구되고 있으며, 그 연구 결과 중의 하나로 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 단결정 인상 시 산소를 제어하여 비저항값을 증가시키는 방법들이 제시되었다.

예를 들어, 일본특허공개 평8-10695호에는 자장 인가 쵸크랄스키법(MCZ법)에 의해 격자간 산소농도가 낮은 실리콘 단결정을 제조하여 10000Ω㎝ 이상의 고저항값을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 일본특허공개 평5-58788호에는 합성 석영 도가니를 이용한 MCZ법에 의해 10000Ω㎝ 이상의 고저항 값 을 갖는 실리콘 단결정을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 이러한 방법으로 제조된 저산소 고저항 실리콘 웨이퍼는 낮은 초기 산소농도로 인하여 디바이스 제조 공정의 열처리공정에 의해 실리콘 웨이퍼 벌크 내 생성되는 BMD(Bulk Micro Defect)에 의한 금속 불순물의 게터링(gettering) 효과를 얻을 수 없기 때문에 고집적 디바이스 제조에 사용하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 또한, 종래의 MCZ 방법으로 생산된 저산소 고저항 실리콘 웨이퍼나, FZ 방법으로 생산된 산소 불순물이 포함되지 않은 고저항 웨이퍼는 고산소 웨이퍼에 비해 강도가 낮음으로 인해 고온 반도체 공정에서의 열충격에 의해 전위(Dislocation), 크랙(Crack) 등이 발생할 가능성이 높은 문제점이 있다.

또 다른 종래 기술인 WＯ00/55397에서는 격자간 산소농도가 높은(17ppma 이상(JEIDA), 13.6ppma 이상(NEW ASTM)) 실리콘 단결정을 육성하고, 그 실리콘 단결정을 웨이퍼로 가공하고, 그 웨이퍼에 산소석출 열처리를 행하여 격자간 산소를 석출시키는 것에 의해 웨이퍼 중에 잔류하는 격자간 산소농도를 낮게 제어하는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제시하고 있다.

그러나 이 방법에서는 충분한 산소 석출을 위해 단결정 성장 시 초기 산소농도를 13.6ppma 이상으로 생산해야 하는 제약이 있고, 또한 실리콘 웨이퍼 벌크 내에서 산소석출 열처리 공정 중에 발생하는 과도한 산소 석출에 의해 조대한 산소석출물(예를 들면, 산화적층결함(OiSF : oxidation-induced stacking fault))이 발생함으로 인해 전기적 특성이 심각하게 저하되는 문제점이 있다.

또 다른 종래 기술인 일본특허공개 제2003-68744호에서는 저산소 실리콘 단 결정을 인상하고 이로부터 제조된 웨이퍼를 급속가열-급속냉각(RTP) 열처리를 행하여 고저항 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

그러나 이 방법은 1200℃ 이상의 고온 열처리를 동반하기 때문에 제조 공정 중 중금속의 오염가능성이 높고, 또한 높은 열처리 온도로 인하여 열처리 도중 슬립(slip)이 발생하는 문제점이 있다. 또한 충분한 중금속 불순물의 게터링 효과를 위해서는 급속가열-급속냉각(RTP) 열처리 후 BMD 생성을 위한 추가적인 열처리가 필요하기 때문에 추가적인 열처리 공정의 도입에 따른 제조 원가 비용이 상승하는 문제점이 있다.

한편, 실리콘 웨이퍼 내 존재하는 미세 BMD는 고온 환경에서 재용해(re-dissolution)의 가능성에 대해 완전히 자유롭지 못하며, 특히 웨이퍼 표면 근방의 DZ(Denude Zone: 산소석출물이 존재하지 않는 영역)에서의 비저항 안정성에 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 점들을 고려하여 창안된 것으로서, 고강도 특성을 갖도록 게르마늄(Ge) 원소가 첨가된 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 고강도 특성을 가지면서도 비대칭 자기장 제어에 의해 벌크 내 균일성이 확보되고 높은 비저항을 갖는 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장된 실리콘 단결정에 있어서, 게르마늄(Ge) 원소가 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 첨가된 것을 특징으로 하는 고강도 실리콘 단결정을 개시한다.

상기 고강도 실리콘 단결정의 초기 산소농도는 6ppma 이하인 것이 바람직하다.

또한 상기 고강도 실리콘 단결정의 비저항(resistivity)은 1000Ωcm 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 성장방법에 있어서, 상기 단결정에 게르마늄(Ge) 원소를 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 첨가하는 것을 특징으로 하는 고강도 실리콘 단결정 성장방법이 제공된다.

상기 고강도 실리콘 단결정 성장방법에서는 자기장을 이용해 초기 산소농도를 6ppma 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이때 자기장은 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 비대칭 커스 프(Cusp) 자기장을 인가하는 것이 바람직하다.

상기 비대칭 커스프 자기장에 있어서, 상부 자기장에 대한 하부 자기장의 비대칭 비율(Low자기장/Upper자기장)이 2.0 ~ 10.0인 것이 바람직하다.

상기 석영 도가니의 벽체에는 200G 이상의 자기장을 인가하고, 상기 고액계면으로부터 5cm 영역 내에는 100G 이내의 자기장을 인가하는 것이 바람직하다.

상기 히터는 최대발열 부위를 멜트면에서 20 ~ 40mm 범위에 위치시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 BMD 개선을 위해 질소, 탄소 및 바륨 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 상기 단결정에 더 첨가할 수 있다.

본 발명에 의하면 게르마늄의 도핑에 의해 고강도 특성을 가지면서도 자기장을 통한 산소농도 제어에 의해 벌크 내 균일성이 확보된 1000Ω㎝ 이상의 비저항을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 실리콘 단결정은 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장되며, 게르마늄(Ge)이 도핑되어 BMD 석출 시 강도가 증대되면서도 자기장을 통한 산소농도 제어에 의해 비저항이 1000Ωcm 이상으로 높은 특성을 갖는다.

본 발명에 따른 실리콘 단결정에는 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 게르마늄(Ge) 원소가 도핑된다. 이와 관련하여, 도 3에는 쵸크랄스키(Cz)법에 의한 단결정 성장을 위한 시드(Seed)(1,1')의 디핑(Dipping) 공정에서 발생하는 전위(Dislocation) 발생 실험 결과가 도시되어 있다. 도면에서 (A)에 도시된 시드(1)는 도핑되지 않은 결정이며, (B)에 도시된 시드(1')는 게르마늄이 1×10¹⁹개/cm³ 의 농도로 도핑된 결정이다. 도면에 표현된 바와 같이 게르마늄(Ge)의 도핑에 의해 디핑 시 발생하는 전위(Dislocation) 발생 저항성이 증대되고, 도 4에 나타난 바와 같이 전파 저항성이 증대된다. 여기서, 게르마늄(Ge)은 실리콘 격자 내에서 치환형 자리에 위치하고, 실리콘과 동일한 최외각 전자가 4개로 전기적으로 비활성적(non-active)이며 5.7×10²⁰까지 Cellular Growth 없이 실리콘 단결정을 성장할 수 있다.

위 실험은 시드의 디핑 시 발생하는 전위 발생 저항성 증대에 대한 실험 결과지만, 이러한 효과는 시드뿐만 아니라 성장되는 실리콘 단결정이나 최종 실리콘 웨이퍼의 강도 증대에도 적용된다.

게르마늄(Ge)은 실리콘 보다 융점이 낮으므로 도 5에 도시된 바와 같은 저융점 도판트 주입장치에 의해 실리콘 멜트로 주입되는 것이 바람직하다. 도판트 주입장치는 석영 도가니 내에 설치되되 상단에 리프트 연결부(100)가 마련되고 하단에는 다수의 도판트 주입용 통공(101)이 형성된 케이싱 본체(102)와, 케이싱 본체(102) 내에 설치되고 게르마늄(Ge)에 해당하는 도판트(D)가 적재되는 도판트 수용부(103)를 포함한다. 이러한 도판트 주입장치는 본 출원인이 기출원한 대한민국 특허공개 제2005-0052888호(실리콘 단결정 성장장치의 저융점 도판트 주입장치)에 개시되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에서는 50kg의 고순도 다결정 실리콘 차지(Charge)에 대하여 상기 도판트 주입장치를 사용하여 게르마늄(Ge) 100g을 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 도핑하여 150mm 길이의 단결정을 생산하였으며, 이에 따라 도 6에 도시된 바와 같은 게르마늄(Ge) 농도 분포를 갖는 고강도 실리콘 단결정을 제조할 수 있었다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 실리콘 단결정은 성장공정에서 커스프(Cusp) 자기장 인가를 통해 산소농도가 제어됨으로써 고저항 특성이 부여된다. 특히, 본 발명에서는 자기장 인가 시 멜트 내 대류에 의한 열전달을 억제하면서 산소농도를 제어하기 위해 석영 도가니 내벽영역에는 강자기장을 인가하고, 결정이 성장되는 고액계면에는 열전달이 원활히 이루어지도록 약자기장을 인가하기 위해 비대칭 커스프 자기장을 사용하였다. 비대칭 커스프 자기장은 자기장의 수직 성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 자기장으로서, 단결정 성장 시 이를 적용한 기술로는 본 출원인이 기출원한 대한민국 특허출원 제2007-13843호를 들 수 있다.

바람직하게, 석영 도가니의 벽체에는 200G(Gauss) 이상의 강자기장을 인가하고, 고액계면으로부터 5cm 근방에는 100G 이내의 약자기장을 인가한다.

비대칭 커스프 자기장을 인가하기 위해 석영 도가니 주변에는 상부 코일(Upper Coil)과 하부 코일(Low Coil)이 배치되고, 상부 코일(Upper Coil)과 하부 코일(Low Coil)의 자기장의 비(Low/Upper)는 바람직하게 2.0 ~ 10.0 으로 설정된다. 상기 범위의 하한을 벗어나는 경우에는 저산소 구현 효과가 적고, 상한을 벗어나는 경우에는 수직 자기장에 의해 실리콘 멜트의 수평대류는 억제되고, 수직대류가 촉진되어 석영 도가니 바닥에서 용해된 고산소 농도가 결정 성장 계면으로 직접적으로 공급되어 오히려 산소농도가 증대될 수 있다.

산소농도 수준을 8ppma 이하로 유지하기 위해서는 상기 비대칭 자기장 인가와 더불어 히팅존(H/Z)을 최적화하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 석영 도가니를 둘러싸는 히터는 그 최대 발열부위가 멜트면에서 20~40mm 범위에 위치시키는 것이 바람직하다. 히터의 최대 발열부위 위치는, 시드에 의한 대류를 활성화시켜 석영 도가니에서 발생되는 대류를 저지하여 산소가 실리콘 단결정으로 유입되는 것을 제어하는 것은 물론, 멜트 표면에서의 증발이 용이하도록 하는 지점을 감안하여 설계하는 것이 바람직하다.

부가적으로, 단결정 내 혼입되는 산소농도를 낮추기 위해서는 석영 도가니의 바닥의 온도를 상대적으로 낮게 하여 석영 도가니 하부에서 용출되는 산소농도를 낮춤으로써 성장되는 실리콘 단결정 고액 계면으로 유입되는 산소농도를 낮게 하여야 한다. 이를 위해 단열재의 두께는 10 ~ 20mm로 설계하는 것이 바람직하다. 단열재가 10mm 미만으로 얇은 경우에는 Sus 재질로 구성된 Furnace의 열화를 초래할 수 있으며, 20mm를 초과하여 과도하게 두꺼울 경우에는 충분한 산소농도 저하 효과를 얻기 어렵다.

BMD의 개선을 위해 단결정에는 질소(N), 탄소(C) 또는 바륨(Ba)이 더 첨가되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조되는 실리콘 단결정 및 이로부터 제조되는 실리콘 웨이퍼는 게르마늄(Ge) 도핑에 의해 고강도 특성이 부여된다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 단결정과 실리콘 웨이퍼는 단결정 성장 시 가해지는 비대칭 커스프 자기장에 의한 산소농도 제어와 H/Z 설계 최적화를 통해 도 7에 도시된 바와 같이 8ppma 이하 수준의 산소농도를 가지며, 도 8에 도시된 바와 같이 1000Ωcm 이상의 고저항 특성이 부여된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 일반적인 플로팅존(FZ)법에서의 도핑 방법을 나타낸 구성도와, 도펀트를 이용한 비저항의 제어를 나타낸 그래프이다.

도 2는 일반적인 쵸크랄스키(Cz)법에서의 도핑 방법을 나타낸 구성도와, 도펀트를 이용한 비저항의 제어를 나타낸 그래프이다.

도 3은 시드에 대한 게르마늄 도핑 전후의 전위(Dislocation) 발생 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 4는 도 3에서 게르마늄의 도핑 농도에 따른 전위(Dislocation) 전파 길이를 나타낸 테이블이다.

도 5는 게르마늄을 도핑하기 위한 도판트 주입장치의 구성을 도시한 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 단결정의 길이별 게르마늄의 농도 분포예를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 단결정의 길이별 산소농도를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따라 제조된 단결정의 깊이별 비저항을 나타낸 그래프이 다.

Claims (13)

1. 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장된 실리콘 단결정에 있어서,

   게르마늄(Ge) 원소가 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 첨가되고,

   단결정의 초기 산소농도가 6ppma 이하이며,

   비저항(resistivity)이 1000Ωcm 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항의 실리콘 단결정으로부터 제조된 실리콘 웨이퍼.
5. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 성장방법에 있어서,

   게르마늄(Ge) 원소를 1×10¹⁹개/cm³ 이상의 농도로 첨가하고, 자기장을 이용해 초기 산소농도를 6ppma 이하로 제어하여 비저항(resistivity)이 1000Ωcm 이상인 실리콘 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,

   자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 비대칭 커스프(Cusp) 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 비대칭 커스프 자기장에 있어서, 상부 자기장에 대한 하부 자기장의 비대칭 비율(Low자기장/Upper자기장)이 2.0 ~ 10.0인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 석영 도가니의 벽체에는 200G 이상의 자기장을 인가하고, 상기 고액계면으로부터 5cm 영역 내에는 100G 이내의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
10. 제5항에 있어서,

    상기 히터의 최대발열 부위를 멜트면에서 20 ~ 40mm 범위에 위치시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
11. 제5항에 있어서,

    BMD 개선을 위해 질소, 탄소 및 바륨 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 상기 단결정에 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장방법.
12. 삭제
13. 삭제

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