KR101303422B1 - 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼 - Google Patents
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Abstract
실시예는 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 챔버 내의 도가니에서 실리콘 융액을 형성하는 단계; 상기 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장하는 단계;를 포함하며, 상기 챔버의 압력을 90 Torr 내지 500 Torr로 제어할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 챔버 내의 도가니에서 실리콘 융액을 형성하는 단계; 상기 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장하는 단계;를 포함하며, 상기 챔버의 압력을 90 Torr 내지 500 Torr로 제어할 수 있다.
Description
실시예는 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조해야하고, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
종래기술에 의하면, N형 고농도 도핑된 단결정 잉곳(N-type Heavily Doped Crystal Ingot)에 있어서, 비저항을 맞추기 위해 투입하는 도펀트(Dopant)는 실리콘(Si)보다 융점이 낮은 저융점의 휘발성이 있는 특성이 있어 고농도로 도핑(doping)하여 결정 성장하는 것이 특히 까다로운 실정이다.
이러한 특성으로 인해 면내 RRG(Radial Resistivity Gradient)가 높은 수준인데, 이는 잉곳 외주면에 접한 에지(Edge)가 센터(Center) 대비 도펀트(Dopant)의 휘발이 더 크게 일어나면서 발생되며 이에 따라 에지(Edge)가 센터(Center)보다 비저항(Resistivity: RES)이 높게 되어 동일 조건으로 성장된 P형 고농도 도핑된 잉곳(P-type Heavily Doped Crystal Ingot)보다 RRG가 나쁜 특성을 보이게 된다.
이에 따라 종래기술에 의하면 제조규격(Spec)을 만족을 하나 전체적으로 RRG가 높고 분포가 균일하지 않아 유니포머티(Uniformity)가 좋지 않다.
특히 최근 시장이 커진 전력 소자(Power Device)의 경우 RRG 특성, 즉 면내 RES 특성에 대한 중요성을 간과하거나 또는, RRG 유니포머티의 중요성을 인식한다고 하더라도 RRG의 유니포머티를 확보하지 못하고 있는 실정이다.
실시예는 RRG 특성, 즉 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값이 균일한 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 RRG가 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 챔버 내의 도가니에서 실리콘 융액을 형성하는 단계; 상기 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장하는 단계;를 포함하며, 상기 챔버의 압력을 90 Torr 내지 500 Torr로 제어할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 웨이퍼는 RRG(Radial Resistivity Gradient)가 5% 이내로 제어될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단결정 잉곳은 RRG(Radial Resistivity Gradient)가 5% 이내로 제어될 수 있다.
실시예에 의하면, 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값의 유니포머티(Uniformity)가 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping)된 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 특히 RRG가 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 비저항을 맞추기 위해 투입하는 도펀트(Dopant) 가 실리콘(Si) 보다 융점이 낮은 저융점의 휘발성이 있는 특성이 있는 N형(N-type) 결정 성장에 있어서, 특히 5×1017 atoms/cc 이상인 고농도로 도핑(doping)하는 제품을 RRG 5% 이내, 유니포머티(Uniformity)가 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 잉곳 및 웨이퍼와, 그 제조 방법을 제공하여 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 결정 및 웨이퍼를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치 예시도.
도 2는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도.
도 3은 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도.
도 4는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도.
도 5는 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도.
도 6은 실시예에서 실리콘 융액과 잉곳 간의 계면(interface) 곡면(L)의 예시도.
도 2는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도.
도 3은 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도.
도 4는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도.
도 5는 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도.
도 6은 실시예에서 실리콘 융액과 잉곳 간의 계면(interface) 곡면(L)의 예시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치 예시도이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(111), 석영 도가니(112), 히터(121), 인상수단(128) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 단결정 잉곳성장장치는 챔버(111) 내부에 핫존(hot zone) 구조물로서, 실리콘 융액(SM)이 담기는 석영 도가니(112) 및 도가니의 외연 하부 일부를 감싸 지지하는 흑연 도가니(114)가 장착되고, 흑연 도가니의 하부에 하중을 지지하기 위한 지지구조체(116)가 놓여 지고, 지지 구조체(116)는 회전 구동장치(미도시)에 축합되어 회전 및 승강하는 페데스탈(pedestal)(118)에 결합될 수 있다.
상기 챔버(111)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 흑연 도가니(114)의 외연에는 단결정 잉곳(IG)성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원인 히터(121)가 에워싸고 있고, 히터의 외연으로 히터의 열이 챔버(111) 측면으로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위해 측면 단열시스템(radiation shield)(미도시)이 에워싸고 있다.
상기 히터(121)의 하부로 히터의 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 하부 단열시스템(미도시)이 장착될 수 있다.
상기 측면 단열시스템의 상부에는 히터의 열이 챔버 상부로 방출되지 않도록 열을 차폐하는 상부 단열시스템(미도시)이 장착될 수 있다.
그리고, 상부 단열시스템에는 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(112)사이에 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되어 실리콘 융액(SM)에서 방출되는 열을 차단하고, 또한 성장된 실리콘 잉곳의 냉각을 위해 실리콘 융액에서 방출되어 실리콘 잉곳으로 전달되는 복사열을 차단하여 냉각 구동력을 증대시키는 기능을 가진 열 쉴드(122)가 장착될 수 있다.
상기 챔버(111)의 상부에는 실리콘 융액(SM)에 인상수단(128)으로 연결된 종자 결정을 디핑시키고, 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 잉곳을 성장시키는 인상 구동장치가 설치되고, 챔버의 내부에 아르곤(Ar) 또는 네온(Ne) 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(미도시)이 형성될 수 있다.
그리고, 챔버(111)의 하부에는 가스 공급관에서 공급된 불활성 가스를 진공으로 펌핑하여 배기시키도록 도시되지 않은 진공 배기관계에 연결 형성된 진공 배기관(미도시)이 형성될 수 있다.
여기서, 진공 배기관의 진공 펌핑력에 가스 공급관에서 챔버의 내부로 공급되는 불활성 가스는 하향 유동흐름(down flow)을 가지게 된다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.
실시예는 RRG 특성, 즉 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값이 균일한 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 RRG가 0% 초과 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공하고자 한다.
도 2는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도이며, 도 3은 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포 예시도이다.
예를 들어, 도 2 및 도 3은 4-포인트 프로브(point probe)로 면내 RES 값을 측정한 예이나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2와 같이, 실시예에 따른 단결정 잉곳 및 웨이퍼의 면내 RES 분포를 보면 보라색 원(110) 크기가 도 3의 보라색 원(10)의 크기보다 더 넓은 것을 확인할 수 있다.
이는 실시예의 중심부의 비저항 값이 더 넓은 면적으로 균일하다는 것을 의미한다. 또한 에지(Edge) 부위도 동일 색상(동일 RES)간 간격이 균일한 것을 확인 할 수 있다. 이는 면내 RES 분포 또한 균일하다는 것을 의미한다.
실시예에 의하면, 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값의 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping)된 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 특히 RRG가 0% 초과 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 비저항을 맞추기 위해 투입하는 도펀트(Dopant) 가 실리콘(Si) 보다 융점이 낮은 저융점의 휘발성이 있는 특성이 있는 N형(N-type) 결정 성장에 있어서, 특히 5×1017 atoms/cc 이상인 고농도로 도핑(doping)하는 제품을 RRG 0% 초과 5% 이내, 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 잉곳 및 웨이퍼와, 그 제조 방법을 제공하여 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 결정 및 웨이퍼를 제공할 수 있다.
도 4는 실시예 적용시 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도이며, 도 5는 비교예의 웨이퍼 면내 RES 분포의 도식화 예시도이다.
실시예에 따른 웨이퍼 및 단결정 잉곳의 성장축 방향에 수직한 방향의 단면은 센터(Center)와 0Ω-cm 초과 0.0001Ω-cm 이내 저항(RES) 값을 가지는 제 1영역(110)과, 상기 제 1영역(110)보다는 0.0001Ω-cm 높은 제2 영역(120) 및 상기 제2 영역(120)보다 0.0001Ω-cm 높은 제3 영역(130)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예는 상기 제3 영역(130)보다 높은 RES 값을 가지는 제4 영역(140)을 포함할 수 있다.
실시예는 제1 영역(110)의 웨이퍼 표면적이 약 31% 인 반면, 비교예는 제1 영역(10)이 약 22%에 불과하였다. 비교예는 제1 영역(10)보다 RES 값이 높은 제2 영역(20), 제2 영역(120) 보다 RES 값이 높은 제3 영역(30), 제3 영역(30)보다 RES 값이 높은 제4 영역(40)을 구비할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 상기 제1 영역(110), 상기 제2 영역(120) 및 상기 제3 영역(130)의 합계 영역이 상기 단면 전체면적에 대해 약 76% 이상인 반면, 비교예는 71% 에 그친다.
실시예와 비교예의 샘플을 PSD(Power Supply Device)에 적용하여 수율을 파악하였다. 두 종류 제조 규격(Spec)에는 모두 만족하는 수준이나, 실시예 샘플은 약 99.4%의 수율이나 비교예 샘플은 약 98.9% 로 약 0.5%의 수율 차이가 발생되었다. 특히 제4 영역(140)에서 차이가 크게 발생되었다.
실시예에 의하면, 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값의 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping)된 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 특히 RRG가 0% 초과 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 비저항을 맞추기 위해 투입하는 도펀트(Dopant) 가 실리콘(Si) 보다 융점이 낮은 저융점의 휘발성이 있는 특성이 있는 N형(N-type) 결정 성장에 있어서, 특히 5×1017 atoms/cc 이상인 고농도로 도핑(doping)하는 제품을 RRG 0% 초과 5% 이내, 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 잉곳 및 웨이퍼와, 그 제조 방법을 제공하여 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 결정 및 웨이퍼를 제공할 수 있다.
실시예에 의하면 매번 영역별 면적을 구하기 어려워 이를 통상적인 RRG와 유니포머티(uniformity) 값으로도 표현하였으며, 이 경우 모두 고객사 제조규격(Spec)에 모두 만족은 하나 더 높은 수율을 위해서는 RRG가 0% 초과 5% 이내, 유니포머티(uniformity)0가 0% 초과 3% 이내인 것이 전력소자(Power Device) 수율에 큰 영향을 줄 수 있다.
비저항값 | RRG | 수율(평균) | 유니포머티 | 영역별 면적 | |
실시예 | 0.00286Ωcm | 5% | 99.4% | 2.8% | 제1영역: 31~33% 제1 영역 ~제3영역: 76~78% |
비교예 | 0.00279Ωcm | 9% | 98.9% | 4.1% | 제1영역: 22~25% 제1 영역~제3영역: 71~73% |
단, 유니포머티(Uniformity)=((Max value-Min value)/Max value) × 100%
RRG = ((Avg 4 point -Center 1 point )/Center 1 point) × 100 %, Edge: 10mm
실시예는 단결정 성장 시 에지(Edge) 외주면(제3 영역(130) 및 제4 영역(140), 특히 제4 영역(140))의 도펀트(dopant) 휘발을 억제하기 위해 챔버 내 압력을 90 Torr 내지 500 Torr로 제어할 수 있다.
챔버의 압력이 90 Torr 미만의 경우 잉곳 외주부에서 도펀트의 휘발에 의해 비저항이 증가하게 되며, 챔버의 압력을 500 Torr 이하로 제어해야 CZ법에 따라 잉곳 성장시 산화물 배출이 잘 될 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 도 6과 같이 중심부인 제1 영역(110)의 면적을 최대한 확보하기 위해 실리콘 융액(SM)와 잉곳(IG) 간의 인터페이스(interface) 곡면(L)을 3mm 내지 10mm로 제어할 수 있다.
실시예에 의하면, 웨이퍼(Wafer) 면내 RES 값의 유니포머티(Uniformity)가 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping)된 단결정 잉곳의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공할 수 있다.
삭제
또한, 실시예에 의하면 특히 RRG가 0% 초과 5% 이내로 제어되어 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑된(N-type Doping) 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 비저항을 맞추기 위해 투입하는 도펀트(Dopant) 가 실리콘(Si) 보다 융점이 낮은 저융점의 휘발성이 있는 특성이 있는 N형(N-type) 결정 성장에 있어서, 특히 5×1017 atoms/cc 이상인 고농도로 도핑(doping)하는 제품을 RRG 0% 초과 5% 이내, 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 잉곳 및 웨이퍼와, 그 제조 방법을 제공하여 수율 향상 및 고품질의 고농도 N형 도핑(N-type Doping) 결정 및 웨이퍼를 제공할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (14)
- 챔버 내의 도가니에서 실리콘 융액을 형성하는 단계;
상기 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장하는 단계;를 포함하며,
상기 실리콘 융액을 형성하는 단계는,
상기 실리콘 융액에 N 형 도펀트(N-type dopant)를 5×1017 atoms/cc 이상으로 도핑하는 단계를 포함하고,
상기 챔버의 압력을 90 Torr 내지 500 Torr로 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 실리콘 융액과 상기 단결정 잉곳의 인터페이스(interface)를 3mm 내지 10mm로 제어하는 단결정 잉곳 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 실리콘 웨이퍼의 센터를 포함하고, 0Ω-cm 초과 0.0001Ω-cm 이하의 저항(RES) 값을 가지는 제 1 영역;
상기 제 1영역보다는 0.0001Ω-cm 높은 제 2영역; 및
상기 제 2영역보다 0.0001Ω-cm 높은 제 3영역; 을 포함하고,
상기 제1 영역은 상기 실리콘 웨이퍼의 전체면적에 대해 31% 이상 33% 이하이고,
상기 실리콘 웨이퍼는 RRG(Radial Resistivity Gradient)가 0% 초과 5% 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼. - 제5 항에 있어서,
상기 웨이퍼의 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어된 실리콘 웨이퍼. - 삭제
- 삭제
- 제5 항에 있어서,
상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역의 합계 영역이 상기 웨이퍼의 전체면적에 대해 76% 이상 78%이하인 실리콘 웨이퍼. - 단결정 잉곳의 성장축 방향에 수직한 방향의 단면에 대해,
상기 단면의 센터를 포함하고, 0Ω-cm 초과 0.0001Ω-cm 이하의 저항(RES) 값을 가지는 제 1 영역;
상기 제 1영역보다는 0.0001Ω-cm 높은 제 2영역; 및
상기 제 2영역보다 0.0001Ω-cm 높은 제 3영역; 을 포함하고,
상기 제1 영역은 상기 단면 전체면적에 대해 31% 이상 33% 이하이고,
상기 단결정 잉곳은 RRG(Radial Resistivity Gradient)가 0% 초과 5% 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳. - 삭제
- 삭제
- 제10 항에 있어서,
상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역의 합계 영역이 상기 단면 전체면적에 대해 76% 이상 78% 이하인 단결정 잉곳. - 제10 항에 있어서,
상기 단결정 잉곳의 단면 내 유니포머티(Uniformity)가 0% 초과 3% 이내로 제어되는 단결정 잉곳.
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