KR100977631B1 - 고저항 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장된 실리콘 단결정에 관한 것으로서, 1×1012 ~ 5×1014개/cm3 농도의 질소(N)와 1×109 ~ 1×1011개/cm3 농도의 바륨(Ba)이 첨가된 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정을 개시한다.
쵸크랄스키법, 비저항, 초기 산소농도, BMD, OiSF

Description

고저항 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼{Silicon single crystal having high resistivity, producing method and wafer thereof}
본 발명은 실리콘 단결정과 그 웨이퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 제조되는 고저항의 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 절연막으로 서의 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 값을 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.
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 내에 산소석출 열처리 공정 중에 발생하는 과도한 산소 석출로 인해 조대한 산소석출물(예를 들면 산화적층결함(OiSF : oxidation-induced stacking fault)의 발생으로 인해 전기적 특성이 심각하게 저하되는 문제점이 있다.
또 다른 종래 기술인 일본특허공개 제2003-68744호에서는 저산소 실리콘 단결정을 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 슬 립(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.
공지의 BMD 이론에 따르면 진성 게터링(intrinsic gettering)을 위한 충분한 농도의 BMD를 형성하기 위한 방안으로는 실리콘 단결정 생산 시 인상속도(Pulling Speed)를 증가시켜 V/G 값을 크게 함으로써 베이컨시(Vacancy) 양을 증대시키거나, 질소, 탄소 등을 첨가하는 방법이 있다. 그러나, 질소 첨가 시에는 BMD는 증가하지만 조대한 OiSF가 발생하여 산화막 내압 특성이 저하되는 문제가 있어 OiSF의 적절한 제어가 요구되며, 탄소 첨가 시에는 반도체 디바이스 제조 공정의 열처리 중에 과도한 산소 석출물의 발생을 동반함으로 인해 산소석출물이 존재하지 않는 DZ(Denude Zone)가 안정적으로 확보되지 않는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점들을 고려하여 창안된 것으로서, BMD 석출을 극대화하면서도 조대한 산소석출물(OiSF)이 존재하지 않으며, 비저항값이 높아 산화막 내압 특성이 우수한 고저항 실리콘 단결정과 그 제조방법 및 웨이퍼를 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장 된 실리콘 단결정에 있어서, 1×1012 ~ 5×1014개/cm3 농도의 질소(N)와 1×109 ~ 1×1011개/cm3 농도의 바륨(Ba)이 첨가된 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정을 개시한다.
상기 실리콘 단결정의 초기 산소농도는 8 ~ 13ppma인 것이 바람직하다.
또한 3-Step의 열처리 후 상기 실리콘 단결정의 최종 산소농도는 3 ~ 6ppma인 것이 바람직하다.
상기 실리콘 단결정의 비저항(resistivity)은 1000Ωcm 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 석영 도가니에 수용된 실리콘 융액에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 성장방법에 있어서, 질화규소(Si3N4)가 증착된 실리콘 기판을 구비하는 단계; 및 상기 실리콘 기판을 상기 석영 도가니 내에 투입한 후 상기 성장 공정을 진행하여 상기 단결정에 질소(N)를 도핑하는 단계;를 포함하고, 조대한 산소 석출물의 형성을 억제하기 위해 상기 단결정에 바륨(Ba)을 코도핑(co-doping)하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법이 제공된다.
상기 바륨(Ba)의 도핑을 위해서는, 탄산바륨(BaCO3)을 이소프로필알콜에 희석하여 상기 실리콘 기판에 도포할 수 있으며, 대안으로는 탄산바륨(BaCO3)을 이소 프로필알콜에 희석하여 상기 석영 도가니의 내표면에 도포할 수도 있다.
상기 실리콘 기판으로는 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 이 경우 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판을 이용하여 1×1012 ~ 7.5×1012개/cm3의 붕소(Boron)를 상기 단결정에 도핑하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 질화규소가 증착된 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 웨이퍼를 이용하여 질소(N)를 도핑하고, 아울러 바륨(Ba)을 코도핑함으로써 1000Ωcm 이상의 P-Type 또는 N-Type 고저항 웨이퍼를 안정적으로 생산할 수 있으며, 조대한 산소 석출물의 형성을 억제할 수 있고, BMD 석출을 증대할 수 있는 장점이 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, 질소(N)와 바륨(Ba)이 함께 도핑됨으로써 BMD 석출을 극대화하면서도 조대한 산소석출물(OiSF)이 존재하지 않으며, 비저항이 1000Ωcm 이상으로 높은 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정에는 1×1012 ~ 5×1014개/cm3 농도의 질소(N)와, 1×109 ~ 1×1011개/cm3 농도의 바륨(Ba)이 도핑된다.
본 발명에 있어서 질소(N)의 도핑은 질화규소(Si3N4)가 증착된 웨이퍼 형태의 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판을 이용함으로써 수행된다. 즉, 통상의 석영 도가니에 수용된 실리콘 융액에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행함에 있어서, 상기 질화규소(Si3N4)가 증착된 실리콘 기판을 다결정 실리콘과 함께 석영 도가니 내에 투입한 후 고온의 단결정 성장 공정을 진행함으로써 단결정에 대한 질소(N)의 도핑이 이루어지게 된다. 이때 투입되는 질화규소(Si3N4)가 증착된 실리콘 기판으로는, 성장된 실리콘 단결정의 시드(Seed) 부위의 붕소(Boron) 농도가 1×1012 ~ 7.5×1012개/cm3, 바람직하게는 4.41 × 1012개/cm3가 되도록 제어할 수 있는 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 웨이퍼를 사용한다.
질소(N)의 첨가 시에는 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이 조대한 OiSF가 발생하게 되므로 이를 제어하는 것이 필요하며, BMD 촉진 효과를 얻기 위해 성장 시 초기(Initial) 산소농도를 8 ~ 13ppma으로 유지하고, 예컨대 800℃ 이상에서 세가지 온도구간으로 구분되는 3-Step의 열처리가 완료되었을 때 최종 산소농도가 3 ~ 6ppma를 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 조대한 OiSF의 제어를 위해 바륨(Ba)을 코도핑(co-doping)하는 방법을 사용하였다. 이를 위해, 본 발명은 탄산바륨(BaCO3)을 이소프로필알콜에 희석하여 상기 질화규소(Si3N4)가 증착된 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판 위에 도포하는 공정을 포함한다. 대안으로, 본 발명은 탄산바륨(BaCO3)을 이소프로필알콜에 희석하여 석영 도가니의 내표면에 도포하는 공정을 포함할 수도 있다.
도 5에는 바륨(Ba) 도핑 전(A)과 후(B)의 OiSF 링의 맵(Map)이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 바륨(Ba)의 도핑에 의해 조대한 OiSF의 제어효과가 있음을 확인할 수 있다.
도 6을 참조할 때, BMD 증대효과를 위해서는 바륨(Ba)의 도핑 시 인상속도를 상대적으로 빠르게 설정하는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다. 도 6에서는 (B)가 (A)에 비해 인상속도가 빠른 경우에 해당한다.
일반적으로 다결정 실리콘은 전기적으로 액티브(Active)한 불순물에 대해 통상 타입에 관계없이 3000Ωcm의 비저항을 가지므로, 이러한 원자재를 적용하여 단결정을 성장시키면 최종 제품에 대한 비저항값을 보증할 수 없는 문제가 있다.
그러나, 실제 본 발명에서는 질화규소가 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착된 200mm 붕소 도핑(Boron-doped) 폴리시드 웨이퍼(Polished wafer) 기판을 사용하여 정확히 4.41 × 1012개/cm3농도의 붕소(Boron)가 성장된 실리콘 단결정 시드(Seed) 부위에 도핑되게 제어할 수 있었으며, 이를 통해 3-Step의 열처리 이후 에 최종 산소농도가 3 ~ 6ppma이며(도 7 참조), 최저 비저항 값이 1000 Ωcm 이상인(도 8 참조) 단결정 잉곳(Ingot)(Sample 1,2,3)을 최종 성장시켰으며, 이로부터 P-Type의 고저항 실리콘 웨이퍼를 안정적으로 제조할 수 있었다. 이러한 본 발명은 N-Type의 고저항 실리콘 웨이퍼 제조 시에도 적용 가능하다. 이 경우에는 질화규소가 CVD에 의해 증착된 200mm 인 도핑(Phosphorus-doped) 폴리시드 웨이퍼 기판을 사용함으로써 비저항 값이 1000 Ωcm 이상인 N-Type의 고저항 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.
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 질소 농도에 따른 ΔOi 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 질소 농도가 5.1×1013개/cm3 인 웨이퍼의 OiSF 발생 분포를 나타낸 사진이다.
도 5는 Ba의 도핑에 의해 조대한 OiSF가 제어된 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 인상속도 증가에 따른 BMD 증대효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 3-Step의 열처리를 거친 실리콘 단결정의 최종 산소농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 3-Step의 열처리를 거친 실리콘 단결정의 비저항을 나타낸 그래프이다.

Claims (14)

  1. 쵸크랄스키(Cz)법에 의해 성장된 실리콘 단결정에 있어서,
    1×1012 ~ 5×1014개/cm3 농도의 질소(N)와 1×109 ~ 1×1011개/cm3 농도의 바륨(Ba)이 첨가된 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정.
  2. 제1항에 있어서,
    초기 산소농도가 8 ~ 13ppma인 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정.
  3. 제2항에 있어서,
    최종 산소농도가 3 ~ 6ppma인 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정.
  4. 제1항에 있어서,
    비저항(resistivity)이 1000Ωcm 이상인 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 실리콘 단결정으로부터 제조된 고저항 실리콘 웨이퍼.
  6. 석영 도가니에 수용된 실리콘 융액에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 성장방법에 있어서,
    질화규소(Si3N4)가 증착된 실리콘 기판을 구비하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판을 상기 석영 도가니 내에 투입한 후 상기 성장 공정을 진행하여 단결정에 질소를 도핑하는 단계;를 포함하고,
    조대(Coarse) 산소 석출물의 형성을 억제하기 위해 상기 단결정에 바륨(Ba)을 코도핑(co-doping)하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  7. 제6항에 있어서,
    1×1012 ~ 5×1014개/cm3 농도의 질소(N)와 1×109 ~ 1×1011개/cm3 농도의 바륨(Ba)을 도핑하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 바륨(Ba)의 도핑을 위해, 탄산바륨(BaCO3)을 이소프로필알콜에 희석하여 상기 실리콘 기판에 도포하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 바륨(Ba)의 도핑을 위해, 탄산바륨(BaCO3)을 이소프로필알콜에 희석하여 상기 석영 도가니의 내표면에 도포하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 기판으로는 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 붕소 도핑(Boron-doped) 실리콘 기판을 이용하여 1×1012 ~ 7.5×1012개/cm3의 붕소(Boron)를 상기 단결정에 도핑하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 단결정의 초기 산소농도를 8 ~ 13ppma로 제어하는 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정 성장방법.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항의 실리콘 단결정 성장방법에 의해 제조되 며, 비저항(resistivity)이 1000Ωcm 이상인 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 단결정.
  14. 제13항의 실리콘 단결정으로부터 제조되어 비저항(resistivity)이 1000Ωcm 이상인 것을 특징으로 하는 고저항 실리콘 웨이퍼.
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