KR102320760B1 - 단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

300mm 이상의 직경을 갖는 단결정 실리콘의 반도체 웨이퍼 및 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼의 제조 방법. 반도체 웨이퍼는 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼 및 기판 웨이퍼 위에 단결정 실리콘의 도펀트 포함 에피택셜 층을 포함하며, 에피택셜 층의 두께의 비균질성은 0.5% 이하이고 에피택셜 층의 비저항의 비균질성은 2% 이하이다.
요약 관련 도면: 도 8

Description

단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼 및 그 제조방법
본 발명은 300mm 이상의 직경을 갖는 단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼를 제공한다. 본 발명은 또한 300mm 이상의 직경을 갖는 단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.
단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼는 전자 컴포넌트의 제조를 위한 전구체(precursor)로서 요구된다. 우수한 전기적 특성 때문에, 이들은 단결정 실리콘의 연마된(polished) 반도체 웨이퍼보다 자주 선호된다. 예를 들어, 소위 CMOS 이미지 센서 또는 줄여서 CIS 컴포넌트의 제조에 관한 경우이다.
단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼는 통상적으로 1100°C 내지 1250°C의 온도에서 기판 웨이퍼 상의 에피택셜 층의 기상 증착(CVD)에 의해 제조된다. 300mm 이상의 직경을 갖는 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼는 통상적으로 개별 웨이퍼를 코팅하기 위한 장치에서 코팅된다.
US 2010/0062611 A1은 후면 조사형(backside-illuminated) 이미지 센서의 제조 공정에서 사용될 수 있는 반도체 웨이퍼의 후면을 얇게 하는 프로세스를 설명한다.
CIS 컴포넌트의 제조를 위한 전구체로서 유용하기 위해, 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼는 특정 요구를 충족시켜야 한다. 그 요구는 에피택셜 층의 두께 및 비저항(저항률)에 관하여 특히 부담이 크다. 이하 저항이라 불리는 두께 및 비저항 둘 다는 반도체 웨이퍼의 반경에 걸쳐서 실질적으로 매우 균질해야 한다. 비균질성(inhomogeneity)의 설명을 위한 척도는 최대 및 최소 두께(최대 및 최소 저항)의 차이와 최대 및 최소 두께(최대 및 최소 저항)의 합계의 비율(quotient)에 100%의 인자를 곱한 값이다.
US 2010/0213168 A1은 단결정 실리콘의 에피텍셜 층의 두께의 균질성을 개선하기 위한 다양한 수단을 설명한다.
US 2011/0114017 A1은 단결정 실리콘의 에피택셜하게 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법을 설명하며, 에피택셜 층은 증착되고, 저항의 비균질성은 4% 또는 그 이하이다.
이러한 교시에 관계없이, 특히 반도체 웨이퍼의 에지(edge)로부터 15mm까지의 거리를 갖는 문제가 있는 에지 영역에서의 층 두께 및 저항을 에지로부터 더 먼 거리에서의 영역의 층 두께 및 저항에 매칭시키기 위한 임의의 만족스러운 솔루션이 지금까지 없기 때문에, 층 두께 및 저항의 균질성에서의 개선에 대한 필요가 여전히 있다. 문제가 있는 에지 영역에서, 기판 웨이퍼는 에지 가까이에서 열 방사의 결과로서 열을 잃기 때문에, 에지를 향한 기판 웨이퍼의 온도가 감소한다. 대책을 취하지 않으면, 이 영역에서 p형 도펀트(dopant)로 도핑된 에피택셜 층의 층 두께는 줄어들고 저항은 더 커질 것이다. 도펀트가 n형이라면, 저항은 줄어들 것이다. 온도 필드에 영향을 미치려는 시도와 같은 알려진 대책은 문제가 있는 에지 영역 바깥의 영역에서 에피택셜 층의 두께의 균질성을 현재까지 희생하였고/희생하였거나 슬립(slip)하기 쉬운 반도체 웨이퍼의 경향(propensity)을 증가시킨다. 슬립은 특히 온도 차이에 의한 응력 이완에서 발생한다. 이러한 온도 차이는 특히 방사상 및 축 방향 온도 경도(temperature gradient)로서, 즉 기판 웨이퍼의 에지를 향한 온도 강하 및 이 경우에 더 차가운 기판 웨이퍼와 이 경우에 더 따뜻한 서셉터(susceptor) 사이의 온도 차이로서, 에지 영역에서 발생한다.
결정 격자에서 응력은 SIRD(scanning infrared depolarization: 주사 적외선 탈편광)의 수단에 의해 측정될 수 있다. US 2012/0007978 A1은 어떻게 SIRD 응력이 측정되고 탈편광 유닛(depolarization unit, DU)으로 표현될 수 있는지에 대한 설명 및 적절한 측정 기구에 대한 언급을 또한 포함한다.
본 발명의 발명자들은 반도체 웨이퍼의 슬립의 발전(development)으로의 경향을 증가시키지 않고 에피택셜 층의 두께의 비균질성 및 에피택셜 층의 저항의 비균질성을 더 감소시키는 본 발명의 목적인 과제(task)를 해결했다.
본 발명의 목적은 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼 및 기판 웨이퍼 위에 단결정 실리콘의 도펀트 포함(dopant-containing) 에피택셜 층을 포함하는, 300mm 이상의 직경을 가지는 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼에 의해 성취되며, 에피택셜 층의 두께의 비균질성은 0.5% 이하이고 에피택셜 층의 비저항의 비균질성은 2% 이하이다.
따라서 반도체 웨이퍼의 에피택셜 층의 두께 및 저항은 특히 균질하다. 에피택셜 층의 두께는 바람직하게는 1 내지 20μm이다. 또한 기판 웨이퍼는 바람직하게는 도펀트를 포함하고 탄소 또는 질소로 더 추가적으로 도핑되었을 수도 있다. 반도체 웨이퍼는 바람직하게는 pp+ 웨이퍼 또는 nn- 웨이퍼이다.
반도체 웨이퍼의 에지로부터 15mm까지의 거리를 갖는 에지 영역에서, 0.5mm의 에지 배제(edge exclusion)를 갖는 반도체 웨이퍼는 바람직하게는 30 탈편광 유닛 이하의 탈편광 정도(degree)를 야기하는 SIRD 응력을 갖는다.
본 발명의 목적은 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
300mm 이상의 직경을 가지는 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼를 제공하는 단계;
개별 웨이퍼를 코팅하기 위한 장치의 서셉터 위에 상기 기판 웨이퍼를 배치하는 단계 - 상기 장치는 상기 기판 웨이퍼의 에지 영역에서 환상 영역(annular region)을 통해 투과된 방사선(radiation)을 집중시키는 환상 영역을 갖는 상부 커버를 가짐 - ;
상기 장치의 상기 상부 커버 위에 배열된 방사선원에 의하여 상기 기판 웨이퍼를 증착 온도로 가열하는 단계;
상기 가열된 기판 웨이퍼 위로 프로세스 가스를 통과시킴으로써 실리콘의 에피택셜 층을 증착하는 단계 - 상기 프로세스 가스는 수소, 비활성 가스 및 증착 가스를 포함하고, 상기 증착 가스는 도펀트 및 실리콘 소스를 포함함 - 를 포함하는 방법에 의해 추가적으로 성취된다.
방법은 그 영향이 크게 국부적으로 제한되게 남도록 문제가 있는 에지 영역에서 에피택셜 층의 증착 단계에 영향을 미치는 수단을 포함한다. 예를 들어, 저항이 증가하고 온도 필드가 이 영역에서 조정되면서, 동시에 슬립을 야기하는 온도 경도를 피하는 것을 보장한다.
특히 저항과 관련하여, 증착 결과에 긍정적으로 영향을 주기 위해, 프로세스 가스는 수소뿐만 아니라 비활성 가스도 포함한다. 유용한 비활성 가스는 특히 아르곤이다. 대안적으로, 다른 희가스(noble gas) 또는 비활성 가스로서 둘 이상의 희가스의 임의의 혼합물을 사용할 수 있다. 기판 웨이퍼 위로 6 이상 20 이하의 체적비(volume ratio)로 수소 및 비활성 가스를 통과시키는 것이 바람직하다. 비활성 가스의 추가적인 사용은 놀랍게도 문제가 있는 에지 영역에서 저항의 증가 및 에피택셜 층의 두께의 균질화에 관련한 소정의 개선을 가져온다. 나아가, 개별 웨이퍼를 코팅하기 위한 장치에서 기판 웨이퍼를 코팅함으로써 기판 웨이퍼의 문제가 있는 에지 영역에서 에피택셜 층의 두께가 제어된 방식으로 개선되고, 그 상부 커버는 특정 방식으로 구성된다. 이것은 인접한 영역과 대조적으로, 통과하는 방사선을 집중시키는 환상 영역을 가진다. 상부 커버의 환상 영역을 통한 단면은 바람직하게는 상향 볼록 곡률을 가지거나 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 윤곽을 가진다. 집중된 방사선은 기판 웨이퍼의 문제가 있는 에지 영역에 입사하고, 그 결과로서 온도가 선택적으로 증가된다. 기판 웨이퍼의 문제가 있는 에지 영역에서 온도의 국부적 증가는 열 방사의 결과로서 발생하는 열 손실을 보상하고, 그 효과로 온도 차이가 더 안쪽 영역으로 향할수록 작아진다. 궁극적으로, 이러한 방식으로, 기판 웨이퍼의 에지 영역에서 에피택셜 층의 두께는 더 안쪽의 기판 웨이퍼의 영역에서 에피택셜 층의 두께와 매칭된다.
본 발명은 이하 도면을 참조하여 더 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 에피택셜 층의 두께의 균질화에 대한 프로세스 가스 내의 아르곤의 효과를 도시한다.
도 2는 에피택셜 층의 저항의 균질화에 대한 프로세스 가스 내의 아르곤의 효과를 도시한다.
도 3은 CVD에 의하여 개별 웨이퍼를 코팅하기 적절한 장치의 단면을 도시한다.
도 4는 통과하는 방사선을 집중시키는 환상 영역을 가지는 상부 커버의 작용 방식의 개략도를 도시한다.
도 5는 상부 커버의 환상 영역의 위치와 방사선이 커버의 환상 영역을 통과할 때 집중되는 기판 웨이퍼의 에지 영역 사이의 기하학적 관계를 도시한다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼(도 6) 및 본 발명의 방식으로 제조되지 않은 반도체 웨이퍼(도 7)에 대한 SIRD 측정의 이미지를 도시한다.
도 8은, 반경(R)에 걸쳐, 본 발명에 따라 층 두께를 갖는 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(실선) 및 본 발명의 방식으로 제조되지 않은 반도체 웨이퍼의 경우(점선)에서 타겟 값으로부터 층 두께의 편차(Vth)의 그래프(profile)를 도시한다.
도 9는, 반경(R)에 걸쳐, 본 발명에 따라 층 두께를 갖는 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(실선) 및 본 발명의 방식으로 제조되지 않은 반도체 웨이퍼의 경우(점선)에서 타겟 값으로부터 저항의 편차(Vr)의 그래프를 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 에피택셜 층의 두께의 균질화에 대한 프로세스 가스 내의 아르곤의 효과를 도시한다. 각각의 경우에 도시된 것은 기판 웨이퍼의 직경(d)에 대한, 타겟 두께로부터 에피택셜 층의 두께의 편차(D)의 통상적인 그래프이다. 도 1b의 경우에서 에피택셜 층의 두께의 그래프가 도 1a의 경우보다 더 균질하다. 이러한 차이는 에피택셜 층의 증착에서 프로세스 가스가 아르곤을 추가적으로 포함하였거나(도 1b), 아르곤을 포함하지 않았다는(도 1a) 사실에 기인한다. 아르곤은 3slm의 비율로 공급되었다. 두 경우 모두에서 수소의 비율은 50slm이었다. 증착 가스는 증착 온도, 즉 1115°C에서 두 경우 모두에서 동일하였다.
도 2는 에피택셜 층의 저항의 균질화에 대한 프로세스 가스 내의 아르곤의 효과를 도시한다. 반도체 웨이퍼의 직경(d)에 대한 저항(ρ)의 그래프를 도시하는 2개의 곡선이 도시되어 있다. 보다 균질한 저항 그래프(정사각형 모양의 데이터 포인트를 갖는 곡선)는 에피택셜 층의 증착에서 프로세스 가스가 추가적으로 아르곤을 포함하였다는 사실에 기인하고 비교 케이스의 경우(다이아몬드 모양의 데이터 포인트를 갖는 곡선)에서는 포함하지 않았다. 아르곤은 3slm의 비율로 공급되었다. 두 경우 모두에서 수소의 비율은 60slm이었다.
도 3에 도시된 장치는 상부 커버("상부 돔(upper dome)")(1), 하부 커버("하부 돔(lower dome)")(2) 및 측벽(3)이 경계를 이루는 반응기 챔버를 포함한다. 상부 및 하부 커버(1, 2)는 반응기 챔버의 위 및 아래에 배열된 방사선원(6)에 의해 방출되는 열 방사를 통과시킨다. 에피택셜 층은 열 방사에 의해 가열된 기판 웨이퍼 위로 프로세스 가스를 통과시킴으로써 기판 웨이퍼(4)의 위쪽에서 기상으로부터 증착된다. 프로세스 가스는 측벽(3)에 있는 가스 유입구를 통해 공급되고, 반응 후 남은 오프가스(offgas)는 측벽(3)에 있는 가스 배출구를 통해 제거된다. 도시된 장치는, 예를 들어, 퍼지 가스(purge gas)를 기판 웨이퍼 아래의 반응기 챔버의 체적 안에 넣을 수 있고 그로부터 배출할 수 있게 하기 위해 추가 가스 유입구 및 추가 가스 배출구를 갖는 실시예를 나타낸다. 그러나, 추가 가스 유입구 및 추가 가스 배출구는 본 발명의 목적을 성취하는데 기여하지 않는다. 에피택셜 층의 증착 동안, 기판 웨이퍼(4)는 서셉터(5)의 접촉 구역 상에 놓이고 서셉터와 함께 기판 웨이퍼의 중간에 있는 회전축 주위를 회전한다.
상부 리드(lid)(1)는 통과하는 방사선을 집중시키는 환상 영역(7)(도 4)을 갖는다. 상부 리드(1)의 두께는 인접한 영역에서보다 환상 영역(7)에서 더 두껍다. 상부 커버의 환상 영역을 통한 단면은 바람직하게는 상향 볼록 곡률(upward convex curvature)을 가지거나 프레넬 렌즈의 윤곽을 갖는다. 환상 영역(7)은 방사선을 집중시키는 집광렌즈(collecting lens)와 같이 통과하는 방사선(8)에 작용한다. 집중된 방사선은 기판 웨이퍼의 에지 영역에 입사하고, 바람직하게는 기판 웨이퍼(4)의 에지로부터 15mm까지의 거리를 갖는다. 입사된 방사선은 예상되는 양의 재료(10)가 거기에 증착되고 에피택셜 층(9)의 두께가 예상된 값에 이르도록 에지 영역에서 방사상의 온도 강하를 제거한다.
상부 커버의 환상 영역(7)의 위치 및 기판 웨이퍼의 에지 영역의 위치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 빔 광학의 규칙에 따라 연관성이 있다. 길이(rD)는 상부 커버의 중간을 통과하는 수직선으로부터 상부 커버(1)의 환상 영역(7)까지의 거리를 의미하고 길이들(rS 및 x) 사이의 차이로부터 계산된다. 길이(rD)는 정의된 높이(b 및 h), 정의된 길이(a) 및 정의된 각도(α)를 가지고 근사치로서 계산될 수 있으며, 높이(b)는 기판 웨이퍼의 평면으로부터 방사선원까지의 거리를 의미하고, 길이(rS)는 상부 커버의 중간을 통과하는 수직선으로부터 방사선원까지의 거리를 의미하고, 높이(h)는 기판 웨이퍼(4)로부터 상부 커버(1)까지의 거리를 의미하고, 길이(x)는 높이(b)로부터 환상 영역(7)까지의 거리를 의미하고, 길이(a)는 높이(b)로부터 기판 웨이퍼의 에지 영역까지의 가장 먼 거리를 의미하고, 각도(α)는 높이(b) 및 밑변(base)으로서 길이(a)를 갖는 삼각형의 밑변과 마주보는 각도를 의미한다.
단결정 실리콘의 반도체 웨이퍼는 본 발명의 방법으로 제조되었고, 비교의 목적으로, 반도체 웨이퍼는 또한 상이한 방법으로 제조되었다.
300mm의 직경을 가진 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼는 단결정으로 분할되고, 갈리고(ground), 애칭되고, 연마된 후 도 3에 따른 단일 웨이퍼 장치에서 실리콘의 에피택셜 층 내에 코팅되었다.
본 발명의 방법의 이용(employment)에서, 장치는 기판 웨이퍼의 에지 영역을 통과하는 방사선을 집중시키는 환상 영역을 가지는 상부 커버를 가졌다. 상이한 방법의 이용에서, 상부 커버는 이러한 구조가 없다.
본 발명의 방법의 이용에서, 프로세스 가스는 수소(70slm), 아르곤(5slm) 및 증착 가스(삼염화실란(6slm), 4l의 수소로 희석된 디보란(수소(180sccm) 중에 50ppm))로 구성되었고, 에피택셜 층은 1130°C의 온도에서 증착되었다.
상이한 방법의 이용에서, 프로세스 가스는 수소(55slm) 및 증착 가스(삼염화실란(10slm), 4l의 수소로 희석된 디보란(수소(180sccm) 중에 50ppm))만으로 구성되었고, 에피택셜 층은 1125°C의 온도에서 증착되었다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼에 대한 SIRD 측정의 이미지를 도시한다. 탈편광 정도는 선호되는 정도 내에서 유지되었다. 어느 측정 셀에서도 30 DU보다 큰 탈편광 정도는 없었다. 상이한 방법에 의해 제조된 반도체 웨이퍼의 경우에서, 30 DU보다 큰 탈편광 정도로 인해 측정 셀의 0.907%가 현저(noticeable)하였다(도 7). SIRD 측정은 PVA TePla AG 로부터의 SIRD-AB300 기구로 수행되었으며, 평가를 위해 측정 구역에 걸쳐 1mm(반경) 및 2mm(방위(azimuth))의 셀 크기를 갖는 극 좌표 그리드를 배치하였다. 그리드의 각각의 셀에 대해, 탈편광 정도는 결정되었다. 탈편광 유닛(DU)는 1 x 10-6의 탈편광 정도에 상응한다. 각각의 경우에 도시된 것은 반도체 웨이퍼의 에지로부터 4.5mm 이하의 거리와 중간에 노치 위치(pos = 0°)를 갖는 반도체 웨이퍼의 펼쳐진(unrolled) 주변 영역이다. SIRD 응력이 두 경우 모두에서 눈에 띄지 않았기 때문에, 반도체 웨이퍼의 에지로부터 15mm 내지 4.5mm의 거리를 갖는 주변 영역은 도시되지 않는다.
도 8은, 반경(R)에 걸쳐, 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(실선) 및 상이한 방법에 의해 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(점선)에서 타겟 값으로부터 층 두께의 편차(Vth)의 그래프를 도시한다. 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼만이 층 두께에 관한 본 발명의 기준을 만족시켰다.
도 9는, 반경(R)에 걸쳐, 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(실선) 및 상이한 방법에 의해 제조된 반도체 웨이퍼의 경우(점선)에서 타겟 값으로부터 저항의 편차(Vr)의 그래프를 도시한다. 본 발명에 따라 제조된 반도체 웨이퍼만이 저항에 관한 본 발명의 기준을 만족시켰다.
예시적인 실시예들의 상기 설명은 예시로서 간주되어야 한다. 따라서, 개시 내용은 첫째로 당업자가 본 발명 및 그와 연관된 이점을 이해할 수 있게 하며, 둘째로 또한 당업자의 이해 범위 내에서, 설명된 구조 및 방법에 대한 명백한 변경 및 수정을 포함한다. 따라서, 그러한 모든 변경 및 수정 및 균등물은 청구범위의 보호 범위에 포함되도록 의도된다.
1: 상부 커버
2: 하부 커버
3: 측벽
4: 기판 웨이퍼
5: 서셉터
6: 방사선원
7: 상부 커버의 환상 영역
8: 통과하는 방사선
9: 에피택셜 층
10: 재료

Claims (7)

  1. 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼의 제조 방법에 있어서,
    300mm 이상의 직경을 가지는 단결정 실리콘의 기판 웨이퍼를 제공하는 단계;
    개별 웨이퍼를 코팅하기 위한 장치의 서셉터(susceptor) 위에 상기 기판 웨이퍼를 배치하는 단계 - 상기 장치는 상기 기판 웨이퍼의 에지 영역에서 환상 영역(annular region)을 통해 투과된 방사선을 집중시키는 환상 영역을 갖는 상부 커버를 가짐 - ;
    상기 장치의 상기 상부 커버 위에 배열된 방사선원에 의해 상기 기판 웨이퍼를 증착 온도로 가열하는 단계; 및
    상기 가열된 기판 웨이퍼 위로 수소 및 증착 가스 - 상기 증착 가스는 도펀트 및 실리콘 소스를 포함함 - 를 포함하는 프로세스 가스를 통과시킴으로써 실리콘의 에피택셜 층을 증착하는 단계
    를 포함하고,
    상기 프로세스 가스는 비활성 가스를 더 포함하고, 수소 및 비활성 가스는 6 이상 20 이하의 체적비(volume ratio)로 상기 가열된 기판 웨이퍼 위로 통과되는 것을 특징으로 하는, 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 웨이퍼의 상기 에지 영역은 상기 기판 웨이퍼의 에지로부터 15mm까지의 거리를 가지는 것인, 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상부 커버의 상기 환상 영역의 단면은 상향 볼록 곡률(upward convex curvature) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 윤곽을 가지는 것인, 단결정 실리콘의 코팅된 반도체 웨이퍼 제조 방법.
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