KR101464566B1 - 실리콘 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

산소 농도 및 그에 따른 산소석출결함의 형성을 제어함으로써 품질이 향상된 실리콘 웨이퍼가 개시된다.
실시예 따른 실리콘 웨이퍼는 산소 농도가 15ppma와 실질적으로 같거나 15ppma보다 작은 값을 가지면서, 산소석출결함의 형상이 구형 또는 타원구형을 가진다.

Description

실리콘 웨이퍼{SILICON WAFER}
본 발명은 실리콘 웨이퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소 농도 및 그에 따른 산소석출결함의 형성을 제어함으로써 품질이 향상된 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.
반도체 소자에 사용되는 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 쵸크랄스키법(Czozhralski, CZ)으로 제조된다. 쵸크랄스키법으로 인상 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 가공하여 제작된 실리콘 웨이퍼에는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 동안 도입된 산소가 존재하게 된다. 특히, 고농도로 도핑된 n-타입 실리콘 단결정 잉곳 성장의 경우, 원하는 비저항값을 얻기 위하여, n-타입 도펀트의 휘발을 억제하면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켜야 하기 때문에 실리콘 멜트의 용존 산소 농도가 높아지면서 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도가 높게 나타난다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳 내에 존재하는 산소는 반도체 소자의 제조 과정에서 통상적으로 거치는 열처리에 의해 산소석출물의 생성핵으로 형성되어 결국에는 산소석출결함(Bulk Micro Defect: BMD) 또는 산소유도적층결함(Oxigen Induced Stacking Fault: OiSF) 등으로 성장될 수 있다.
실리콘 웨이퍼의 벌크 영역 내에 존재하는 산소석출결함은 금속의 게터링 사이트(gettering site)로서 기능하기 때문에 반도체 소자에 있어서 필수적이지만, 실리콘 웨이퍼의 활성 영역 내에, 즉 실리콘 웨이퍼의 표면부에 존재하는 산소석출결함은 누설 전류 증대 및 산화막 내압 저하 등의 원인이 되어 반도체 소자의 특성에 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서, 산소석출물로 성장되기 위한 생성핵의 크기가 되기 전에 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing: RTA)를 통하여 산소석출결함을 제어하게 되는데, 급속 열처리라는 별도의 추가 공정이 반드시 필요하다는 점에서 실리콘 웨이퍼의 제조 공정이 번거롭고 제조 비용이 상승한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 제어함으로써, 반도체 소자에서 누설 전류 및 산화막 내압 저하 등의 원인이 되는 산소석출결함의 형성을 제어하여 고품질의 실리콘 웨이퍼를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼는 산소 농도가 15ppma와 실질적으로 같거나 15ppma보다 작은 값을 가지면서, 산소석출결함의 형상이 구형 또는 타원구형을 가진다.
산소석출결함의 밀도가 1*106 개/cm3와 실질적으로 같거나 1*106 개/cm3보다 작을 수 있다.
상기 산소석출결함은 1㎛ 내지 5㎛의 크기를 가질 수 있다.
기설정된 조건에서의 열처리 후에도 산소유도적층결함(OiSF)이 형성되지 않을 수 있다.
상기 실리콘 웨이퍼는 n-타입의 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 실리콘 웨이퍼는 p-타입의 도펀트가 도핑될 수 있다.
본 발명에 따르면 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 제어하여 산소석출결함의 형상, 밀도, 크기를 제어함으로써 고품질의 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼를 사용하여 산화막 내압 특성이 향상된 전력 반도체 소자를 제작할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따른 산소농도를 나타낸 그래프.
도 3은 표 1의 결과를 양품(Good)과 불량품(Bad)로 나누어 항복 전압(BVdss)의 수율의 편차를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼에 나타난 산소석출결함의 형상(a)과 종래의 실리콘 웨이퍼에 나타난 산소석출결함의 형상(b)을 각각 나타낸 도면.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장이 이루어지는 공간을 제공하는 챔버(110), 상기 챔버(110)의 내부에 설치되며 고온으로 용융된 실리콘 융액(Silicon Melt: SM)이 수용되는 도가니(120), 상기 도가니(120)의 하단에 위치하여 상기 도가니(120)를 회전시키면서 도가니(120)를 상승 또는 하강시키는 도가니 회전 수단(127), 상기 챔버(110)의 내부에 설치되며 상기 도가니(120)의 주변에 설치되어 도가니(120)를 가열하는 히터(130), 상기 히터(130)의 외곽에 설치되어 히터(130)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열 수단(140), 종자 결정을 이용하여 상기 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상하는 인상 수단(150), 실리콘 융액(SM)으로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 복사되는 열을 차단하기 위한 열실드(160)를 포함할 수 있다.
도가니(120)는 석영 도가니(121)와 흑연 도가니(122)를 포함한다. 석영 도가니(121)는 실리콘 융액(SM)을 담는 공간이며, 흑연 도가니(122)는 석영 도가니(121)의 외부에 배치되어 석영 도가니(121)를 지지하는 역할을 한다. 흑연 도가니(122)는 석영 도가니(121)가 파손되는 경우 실리콘 융액(SM)의 누출을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 n-타입의 도펀트가 도핑된 n-타입 실리콘 단결정 잉곳일 수 있다. 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 과정에서, 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액(SM)으로 인(In) 또는 비소(As) 등의 n-타입 도펀트가 공급된다. 이러한 도펀트는 높은 휘발성으로 인해 실리콘 융액(SM) 내에 도펀트를 일정한 농도로 유지시키는 것이 어렵다. 따라서, 고농도로 도핑된 n-타입 실리콘 단결정 잉곳을 성장하기 위해서는 고압 프로세스를 사용하여 도펀트의 농도를 일정하게 유지시켜준다.
이렇게 성장된 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 웨이퍼 단위로 슬라이싱한 후 래핑, 에칭, 연마 등의 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼가 제조된다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼는 산소 농도가 15ppma(7.5*1017 atoms/cm3) 이하의 값을 가진다. 상기 산소 농도는 임의의 열처리 전 초기산소농도를 의미한다.
도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따른 산소농도를 나타낸 그래프이고, 아래의 표 1은 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따른 항복 전압(BVdss)의 수율을 나타낸 것이고, 도 3은 표 1의 결과를 양품(Good)과 불량품(Bad)으로 나누어 항복 전압(BVdss)의 수율의 편차를 나타낸 그래프이다.
Block No. 1 2 3 4 5
총 투입
카세트 수		 5 5 10 34 22
합격
카세트 수		 2 5 10 25 6
불량
카세트 수		 3 0 0 9 16
불량율 60% 0% 0% 26% 73%
표 1 및 도 3에서 블록 넘버(Block No.) 1 내지 5는 도 1의 그래프에서 실리콘 단결정 잉곳이 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 절단된 각각의 부분에 대응하는 부분을 의미한다. 블록 넘버 1은 초기에 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 부분을 의미한다.
도 2 및 표 1을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에서 블록 넘버 4 및 5에 해당하는 부분에서 산소 농도가 높게 나타나며, 블록 넘버 4 및 5에 해당하는 실리콘 단결정 잉곳에서 제조된 실리콘 웨이퍼들의 불량률이 높은 것으로 보아 산소 농도가 약 15ppma보다 높을 때 항복 전압(BVdss)의 수율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 도 3을 참조하면, 양품(Good) 구간에서는 대략 96~100%의 높은 항복 전압(BVdss)의 수율을 보이는 반면, 불량품(Bad) 구간에서는 산소 농도가 높게 나타난 블록 넘버 4 및 5에서 항복 전압(BVdss)의 수율의 편차가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
아래의 표 2는 산소 농도가 서로 다른 세 개의 샘플 실리콘 웨이퍼에 대하여 수행된 항복 전압(BVdss)의 수율을 알아보는 실험 결과를 나타낸 것이다. 세 개의 샘플 실리콘 웨이퍼는 산소 농도를 제외한 다른 조건은 모두 동일하게 하였으며, 실리콘 웨이퍼 상에는 에피택셜 층을 각각 3.7㎛의 두께로 증착하였다.
산소 농도
[atoms/cm3]		 에피택셜 층의 두께
[㎛]		 항복 전압(BVdss) 수율
7.5*1017 3.7 99.23%
8.0*1017 3.7 49.62%
8.5*1017 3.7 20.37%
표 2를 참조하면, 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 7.5*1017인 경우, 즉 15ppma인 경우에는 항복 전압(BVdss)의 수율이 99.23%로 매우 크지만, 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 7.5*1017보다 큰 경우, 예를 들어 8.0*1017 또는 8.5*1017인 경우에는 항복 전압(BVdss)의 수율이 각각 49.62% 및 20.37%로 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 15ppma(7.5*1017)보다 크면 반도체 소자의 제조 과정에서 열처리를 거치면서 산소석출결함이 형성되고, 실리콘 웨이퍼의 활성 영역 내에 존재하는 산소석출결함은 산화막 내압 저하 등의 원인이 되어 반도체 소자의 항복 특성이 좋지 않은 영향을 미치기 때문이다.
따라서, 실리콘 웨이퍼의 산소 농도는 15ppma(7.5*1017 atoms/cm3)와 실질적으로 같거나, 15ppma(7.5*1017 atoms/cm3)보다 작은 값을 가져야 한다. 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 15ppma 이하인 경우에는 산소석출물의 제어를 위한 별도의 열처리(예를 들어, 급속 열처리(RTA)) 과정을 거칠 필요가 없다. 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 너무 낮으면 산소석출결함에 의한 게터링 능력이 저하되기 때문에, 실리콘 웨이퍼의 산소 농도는 적어도 3~4ppma 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼에 존재하는 산소석출결함(Bulk Micro Defect: BMD)의 밀도(density)는 1*106 개/cm3와 실질적으로 같거나 1*106 개/cm3보다 작다.
아래의 표 3은 항복 전압(BVdss)의 수율이 양품으로 나온 실리콘 웨이퍼들과 불량품으로 나온 실리콘 웨이퍼들에 대하여 산소석출결함의 밀도와 형상을 알아보는 실험 결과를 나타낸 것이다.
양품 불량품
밀도 ≤1*106 개/cm3 >1*106 개/cm3
형상 구형, 타원구형 아령 모양(OiSF)
산소석출결함의 밀도나 형상은 산소석출결함을 검출할 수 있는 열처리를 수행함으로써 확인할 수 있다. 산소석출결함을 검출하기 위하여 약 4시간 동안 800℃를 유지시킨 후 온도를 1000℃까지 상승시켜 약 16시간을 유지시키는 열처리를 수행하였으나, 이러한 조건에 한정되지는 않는다.
양품으로 나타난 실리콘 웨이퍼의 경우에는 산소석출결함의 밀도가 1*106 개/cm3 이하이며, 산소석출결함 각각의 형상이 구형 또는 타원구형으로 나타난다.
불량품으로 나타난 실리콘 웨이퍼의 경우에는 산소석출결함의 밀도가 1*106 개/cm3 값을 초과하는 것으로 나타나며, 산소석출결함의 형상이 아령 모양으로 나타난다. 아령 모양의 산소석출결함은 조대한 산소석출결함으로서 산소유도적층결함(Oxigen Induced Stacking Fault: OiSF)이라고도 불린다. 이러한 산소유도적층결함은 반도체 소자에서 누설 전류 및 산화막 내압 특성 저하의 원인이 된다.
도 4는 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼에 나타난 산소석출결함의 형상(a)과 종래의 실리콘 웨이퍼에 나타난 산소석출결함의 형상(b)을 각각 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 경우 산소석출결함의 형상이 구형 또는 타원구형으로 나타나지만, 도 4의 (b)를 참조하면 산소 농도가 15ppma 이상인 종래의 실리콘 웨이퍼의 경우 산소석출결함의 형상이 아령 모양으로 나타난 것으로 보아 조대한 산소석출결함이 형성된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 항복 특성을 향상시키기 위해서는 산소석출결함의 밀도가 1*106 개/cm3 이하이고 산소석출결함의 형상이 구형 또는 타원구형이 유지되도록 산소 농도를 제어하여야 하며, 이는 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 15ppma 이하일 때 가능하다. 실리콘 웨이퍼의 산소 농도가 15ppma 이하일 때에는 산소석출결함을 제어하기 위한 별도의 급속 열처리 과정이 필요치 않으며, 실리콘 웨이퍼가 반도체 소자로 제작될 때 산화막 내압 특성이 향상될 수 있다. 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼는 반도체 소자의 제조 과정에서 겪는 통상의 열처리 과정을 거친 후에도 산소유도적층결함(OiSF)이 형성되지 않는다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 15ppma 이하로 제어하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 단계에서 도가니(120)의 회전 속도(Crucible Rotation RPM)를 조절할 수 있다. 석영 도가니(121)의 벽면과 실리콘 융액(SM)의 마찰 정도에 의해 산소의 유입량이 조절될 수 있으므로, 도가니(120)의 회전 속도는 석영 도가니(121)와 실리콘 융액(SM) 간의 마찰력 및 단결정률 등을 고려하여 3 내지 10 RPM으로 설정될 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 15ppma 이하로 제어하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 단계에서 챔버(110)의 내부 압력을 조절할 수 있다. 챔버(110)의 내부 압력을 낮추면 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 낮출 수 있으나 단결정률에는 불리할 수 있으므로, 챔버(110)의 내부 압력은 산소 농도와 단결정률을 고려하여 50 내지 150 torr로 설정될 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 산소 농도를 15ppma 이하로 제어하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 단계에서 실리콘 단결정 성장 장치(100)의 주위를 감싸고 있는 마그네트(magnet)에 가해지는 전류의 세기를 조절할 수 있다. 마그네트에 의해 도가니(120)에 가해지는 자기장은 실리콘 융액(SM)의 유동에 영향을 미치며, 자기장의 세기와 도가니(120)의 회전, 종자 결정의 회전 등의 교호 작용에 의해 국부적으로 낮은 산소 농도를 갖는 실리콘 융액이 고액 계면에 존재할 경우 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 산소 농도가 낮아질 수 있다. 마그네트(magnet)에 가해지는 전류의 세기는 성장 초기에는 약 500A로 시작하여 점차 낮아지면서 성장 후반부에는 약 50A까지 낮아질 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 단계에서 종자 결정의 회전 속도(Seed Rotation RPM)가 조절될 수도 있다. 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장될수록 열 방출이 활성화되어 실리콘 융액(SM)의 온도가 불균일해지며 이로 인해 다결정화가 진행될 수도 있으므로, 종자 결정의 회전 속도를 조절하여 실리콘 융액(SM)의 온도를 제어할 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼에 포함된 산소석출결함(BMD)은 각각 1㎛ 내지 5㎛의 크기를 가질 수 있다. 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼에 포함된 산소석출결함(BMD)은 반도체 소자의 제조 과정에서 겪는 통상의 열처리 과정을 거친 후에도 5㎛보다 크게 형성되지 않을 수 있다.이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 챔버 120: 도가니
130: 히터 140: 단열 수단
150: 인상 수단 160: 열실드

Claims (6)

  1. 쵸크랄스키법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 제작되는 실리콘 웨이퍼에 있어서,
    산소 농도가 15ppma이하이고,
    산소석출결함의 형상이 구형 또는 타원구형을 가지며,
    상기 산소석출결함의 밀도는 1*106 개/cm3 이하인 실리콘 웨이퍼.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소석출결함은 1㎛ 내지 5㎛의 크기를 갖는 실리콘 웨이퍼.
  4. 제 1 항에 있어서,
    반도체 소자 제조 과정의 열처리 과정을 거친 후에도 산소유도적층결함(OiSF)이 형성되지 않는 실리콘 웨이퍼.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 n-타입의 도펀트가 도핑된 실리콘 웨이퍼.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 p-타입의 도펀트가 도핑된 실리콘 웨이퍼.
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Citations (4)

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