KR20010033633A - 반도체 웨이퍼 및 기상성장 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 및 기상성장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 저항률이 균일하고 실질적으로 슬립전위가 생기지 않는 반도체 박막을, 지름이 300mm이상이고 비교적 낮은 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성함으로써 얻어진 반도체 웨이퍼, 및 상기 반도체 웨이퍼가 제조될 수 있는 수단에 의한 기상성장 장치를 제공하는 것이다.
도펀트 가스는 주 도펀트 가스 배관으로서 기능을 하는 공통 가스배관(22a)으로부터 반응용기(10)의 폭방향에서의 배치된 모든 도입구(18a,18f)를 통하여 반응용기(10)내로 공급된다. 또한 도펀트 가스는 내측도입구(18a,18b), 중간 도입구 (18c,18d)를 통하여, 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터 반응용기(10)내로 추가로 공급된다.

Description

반도체 웨이퍼 및 기상성장 장치{SEMICONDUCTOR WAFER AND VAPOR GROWTH APPARATUS}
최근 전자 디바이스의 미세화에 따라서, 규소 단결정 기판의 주면상에 규소단결정박막을 형성하는 반도체 웨이퍼의 이용이 증가할 뿐만아니라, 규소 단결정박막의 더욱 균일한 저항률을 요구하고 있다. 여기서 사용되는 "균일한 저항률 분포"라는 용어를 더욱 상세히 설명하면, 규소 단결정 박막의 표면을 따른 저항률 분포가 균일함을 의미한다. 추가로, 균일한 저항률 분포와 함께 더 큰 직경의 반도체 웨이퍼가 요구되고 있다. 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치는 큰 직경의 반도체 웨이퍼의 사용에 맞추어 규소 단결정 박막을 규소단결정 기판의 주면상에 성장시키는 장치로서 주로 사용되어 왔다.
일반적으로 사용되는 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치가 도 5 및 도 6을 참조로 아래 설명되어 있으며, 도 5에서, 수평형 단일 웨이퍼 기상성장 장치의 단면도를 모식적으로 도시하였으며, 도 6에서, 이 장치의 종단면도를 모식적으로 도시하였다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 종래 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치에 있어서, 규소 단결정 기판(12)이 수평으로 배치된 서셉터(14)는 수평방향을 따라서 설치된 투명한 석영 유리제 반응용기(10)의 중앙저부에 배치되며, 회전축(16)을 통해서 회전장치(도시생략)에 접속된다.
또한, 가스 도입구(18)가 반응용기(10)의 길이방향의 일단부에 설치되며, 가스 배기구(20)가 반응용기(10)의 길이방향의 타단부에 설치된다. 이러한 구조로 인하여, 가스 도입구(18)를 통하여 반응용기(10)로 도입되고, 가스 배기구(20)를 통하여 외측으로 배출되는 가스의 흐름은 대부분 반응용기(10)의 길이방향을 따라서 서셉터(14)상에 배치된 규소단결정 기판(12)의 주면상을 통과한다.
추가로, 반응용기(10)의 가스 도입구(18)는 반응용기(10)의 폭방향으로 배열설치된 6개의 도입구(18a 내지 18f)로 구성된다. 6개의 도입구(18a내지 18f)중에서, 내측의 한쌍의 두개의 도입구(18a,18b;이하, 간단히, 「내측 도입구」로 부른다)는 반응용기(10)의 길이방향을 따라서, 서셉터(14)상의 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심을 통과하는 가상의 중심축에 대하여 대칭으로 배열되며, 내측도입구(18a,18b)의 이러한 배열은 외측의 한 쌍의 두개의 도입구(18e,18f;이하, 간단히, 「외측 도입구」로 부른다), 및 두개의 내측도입구중의 하나와, 대응하는 두개의 외측도입구중의 하나 사이에 각각 있는 한쌍의 두개의 도입구(18c,18d;이하, 간단히, 「중간 도입구」로 부른다)에도 동일한 방식으로 적용된다.
더욱 상세히 설명하면, 내측 도입구(18a,18b)는 반응용기(10)의 폭방향을 따라서, 서셉터(14)상의 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심을 통과하는 가상의 중심축상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심부 근방의 점을 향하고, 외측 도입구(18e,18f)는 가상의 중심축선상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 외연부 근방에 점을 향하고, 중간도입구(18c,18d)는 가상의 중심축선상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 외연부 및 중심부 사이의 점을 향한다.
또한, 6개의 도입구(18a 내지 18f)는 공통의 가스 배관(22)에 모두 접속되어 있다. 공통의 가스 배관(22)은 3방향으로 분기되어, 각각의 분기는 가스유량제어기로서 매스 플로우 컨트롤러(MFC;24,26,28)를 각각 통과하는 캐리어 가스로서 수소가스(H2)의 가스 소스(도시 생략), 반도체 원료 가스의 가스소스(도시생략), 및 도펀트 가스의 가스소스(도시생략)에 접속된다.
또한, 반응용기(10)의 외측에서는, 예를 들면, 서셉터(14)상에 배치된 규소 단결정 기판(12)을 가열시키는 가열원으로서 적외선 방사 램프(30)가 배치되어 있고, 이 적외선 방사 램프(30)에 전력을 공급함으로써, 규소 단결정 기판(12)의 주면이 소정의 온도로 가열된다. 추가로, 적외선 방사램프(30)와, 반응용기(10)의 외벽을 냉각하는 냉각수단(도시생략)이 배치되어, 소위 콜드 웰(Cold Wall)식의 기상성장장치가 구성된다. 콜드웰식 기상성장 장치에서, 반응용기(10)의 외벽표면이 강제적으로 냉각되기 때문에 규소를 주성분으로 하는 부착물이 반응용기(10)의 내벽표면에 형성되는 것을 방지할 수 있다. 다음, 도 5 및 6에 도시된 종래의 수평의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 사용하여, 규소 단결정 박막을 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성하는 방법이 설명될 것이다.
먼저, 반응용기(10)의 분위기를 수소분위기로 바꾸기 위해, 규소 단결정 기판(12)이 반응용기(10)의 서셉터(14)상에 수평으로 배치된다. 그 다음, H2가스가 MFC(24), 공통가스배관(22), 및 6개의 도입구(18a내지 18f)를 통하여 H2가스의 가스 소스로부터 반응용기(10)에 공급된다. 또한, 회전장치에 의하여, 서셉터(14)가 회전축(16)을 통하여 도 5 및 6의 화살표마크로 도시된 바와 같이, 시계방향으로 회전됨과 동시에, 규소 단결정 기판(12)이 서셉터(14)상에 수평으로 재치된다. 다음, 적외선 방사 램프(30)에 의하여, 소정의 온도로 기판의 주면상의 온도를 상승시키도록 서셉터(14)상에 규소 단결정 기판(12)이 가열된다.
이러한 후, 반도체 원료 가스 및 도펀트 가스가 MFC(26,28), 공통 가스 배관(22), 및 6개의 도입구(18a내지 18f)를 통하여 반도체 원료 가스 및 도펀트가스의 가스소스로부터 각각 반응용기(10)에 공급된다.
이때, 캐리어 가스로서 H2가스, 반도체 원료가스, 및 도펀트가스의 유량이 MFC(24,26,28)에 의해서 개별적으로 정확하게 제어될 뿐만아니라, 가스의 개별적인 제어후 혼합되고, 반응용기(10)의 폭방향으로 배치된 6개의 도입구(18a내지 18f)를 통하여 폭방향으로의 확산이 거의 없이 반도체 원료가스 및 도펀트 가스 각각의 일정한 농도를 갖는 프로세스 가스로서 반응용기(10)에 도입된다.
반응용기(10)에 도입된 프로세스 가스는 주면과 거의 평행이고 한방향에 중심으로서 회전축에 대하여 회전하는 서셉터(14)상에 수평으로 재치된 규소 단결정 기판(12)의 주면상을 통과한다. 주면상을 통과하는 동안, 규소단결정박막(32)이 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장하도록 화학반응이 발생한다.
상기한 바와 같이, 도 5 및 6에 도시된 종래 수평형의 기상성장 장치를 사용하여, 규소 단결정 박막(32)이 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 경우에, 그리고, 규소 단결정 기판(12)의 직경이 200mm이하일 경우에는, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막(32)의 직경을 따라서 저항률 분포가 거의 균일하였다. 그러나, 규소 단결정기판(12)의 도펀트 농도가 1018atoms/cm3의 정도로 비교적 낮고, 규소 단결정 기판(12)의 직경이 200mm이상, 예를 들면, 300mm만큼 큰 직경일 때, 규소 단결정 박막(32)의 주변영역에 쉽게 슬립전위가 발생되는 문제가 있음을 발견하였다. 만약, 집적회로가 슬립 전위가 발생된 영역에 제조될 경우, 회로의 전류의 누설이 문제적으로 발생된다. 다음, 슬립 전위의 발생의 이유로서 고려되는 것은: 즉, 콜드웰 기상성장 장치에서, 규소 단결정 기판(12)가 균일한 가열출력에 의해 가열될 때, 반응용기(10)의 외벽표면이 강제적으로 냉각장치에 의해서 냉각되는 열조건의 영향하에, 규소 단결정 기판(12)의 주변부에 따른 온도가 중심부의 온도보다 낮은 경향이 발생한다. 이러한 경향은 직경이 300mm정도 되는 경우에, 규소 단결정 기판의 주변부 및 중심부사이의 온도차가 슬립 전위를 발생시키기에 충분할 만큼 커지게 되어, 더욱 심각해진다.
따라서, 규소 단결정 박막(32)의 주변부에 슬립전위의 발생을 막기 위해, 규소 단결정 기판(12)의 주변부를 가열시키는 출력을 중심부의 가열보다 더 높도록, 그리고, 주변부와 중심부사이의 온도차이가 더 작아지게 감소시키도록 제어되는 것이 고려된다. 그러나, 이러한 가열 출력의 제어로 인하여, 규소 단결정 박막(32)의 직경을 따른 저항률분포가 불균일하기 때문에, 저항률분포규소 단결정 박막(32)의 주변부의 저항률이 박막의 중심부의 저항률로터 빗나가는 문제가 다시 발생한다.
규소 단결정 박막(32)의 직경에 따른 저항률분포의 불균일성을 향상시키기 위해서, 규소단결정 기판(12)의 주면상에 공급된 도펀트가스의 유량이 변화되고, 반응용기(10)의 폭방향을 따라서 조정되는 것만이 요구된다.
그러나, 도 5 및 6에 도시된 종래의 수평의 단일 웨이퍼 기상성장 장치에서, 동일한 농도의 도펀트 가스만이, 반응용기(10)의 폭방향으로 배치된 복수의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)내에 도입되고, 도펀트 가스의 농도가 반응용기(10)의 폭방향으로는 변화되지 않기 때문에, 규소 단결정 박막(32)의 직경을 따른 저항률 분포의 불균일성을 해소하도록 조정을 행하는 것은 불가능하다.
이러한 상황의 관점에서, 각 도입구(18a 내지 18f)에 도펀트 가스의 유량을 개별적으로 조정하도록 도펀트 가스의 유량을 제어하는 밸브가 각각의 도입구(18a 내지 18f)로부터 상류측 영역에 제공되는 것이 시도되고 있다. 그러나, 이 방법에 따르면, 도펀트 유량이 각 도입구(18a 내지 18f)에서 조정되야되기 때문에, 도펀트 가스 유량의 실제 조정이 매우 복잡하고 비현실적이라는 문제가 발생한다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 및 기상성장 장치에 관한 것이고, 특히, 큰 직경의 반도체 단결정 기판의 주면상에 균일한 저항율 분포를 갖는 반도체 박막을 형성함으로써 얻어지는 반도체 웨이퍼, 및 반도체 웨이퍼 제조용 기상성장 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 반도체 웨이퍼의 제조방법에서 사용되는 수평형의 단일 웨이퍼 기상 성장 장치를 모식적으로 도시한 종단면도,
도 2는 도 1의 기상성장 장치를 사용하여 반도체 웨이퍼의 제조시의 온도 프로그램을 도시하는 그래프,
도 3은 도 1의 기상성장 장치를 사용하여 제조된 반도체 웨이퍼의 직경에 따른 저항률 분포를 도시하는 그래프,
도 4는 종래의 기상성장 장치를 사용하여 제조된 반도체 웨이퍼의 직경에 따른 저항률 분포를 도시하는 그래프,
도 5는 반도체 웨이퍼를 제조하는 종래 방법에서 사용된 종래의 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 모식적으로 도시하는 종단면도,
도 6은 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에서 사용된 종래의 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 모식적으로 도시하는 종단면도.
(발명의 개시)
본 발명은 상기 문제의 관점에서 만들어진 것이며, 이에 따라, 본 발명의 목적은 직경이 300mm이상인 상대적으로 낮은 도펀트 농도의 반도체 단결정 기판의 주면상에 균일한 저항률 및 실제적으로 슬립전위가 없는 반도체 박막을 형성함으로써 얻어지는 반도체 웨이퍼를 제공하는 것이고, 또한, 균일한 저항률 및 실질적으로 슬립 전위가 없는 반도체 박막이, 직경이 300mm이상인 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성되는 수단에 의해 기상 성장 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼, 및 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법의 수단에 의해 이루어진다.
즉, 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼는 ±3%내(양쪽제한 값을 포함)의 직경을 따른 저항률 분포를 갖는 반도체 박막이 직경 300mm 이상 400mm 이하의 범위의 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위의 도펀트 농도의 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성되는 구성을 갖는 반도체 웨이퍼에 의해 특징화된다.
이와 같은 방식으로, 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼는 직경 300mm 이상 400mm 이하의 범위의 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하 범위의 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판, 및 박막안에 실질적인 슬립전위가 없는 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성된 ±3%내(양쪽 제한값을 포함)의 직경을 따른 저항률 분포를 갖는 반도체 박막으로 구성된다. 본 발명의 반도체 웨이퍼로 인하여, 최근의 반도체 웨이퍼상에서의 큰 직경 및 균일한 저항률에 대한 요구가 달성되고, 반도체 웨이퍼의 사용은 반도체 칩 제조의 수율 및 스루풋에서의 증가의 실현에 큰 기여를 한다.
본 발명에 관한 반도체 웨이퍼에서, 반도체 단결정 기판의 도전형이 p이고, 기판의 저항률이 0.03Ω·cm 이상 300Ω·cm이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이러한 저항률의 범위에 있어서, 저항률은 반도체 웨이퍼를 사용하는 반도체 디바이스의 실제 제조의 관점에서 보면 1Ω·cm 이상 20Ω·cm 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에서, 반도체 단결정 기판에 첨가되는 도펀트로서 보론의 사용은 사용할 때의 취급성 및 제어의 용이성등의 실용적 관점에서 볼때 바람직하다.
추가로, 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼에서, 반도체 단결정 기판의 직경은 300mm 길이인 것이 바람직하다. 현재 단계에서는, 300mm까지의 직경을 갖는 반도체 단결정 기판은 300mm크기정도의 직경의 경우까지 고품질의 안정된 방식으로 제조될 수 있기 때문에, 실제적으로, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위의 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판의 주면상에서, 직경에 따른 반도체 박막의 저항률 분포가 ±3%내의 균일화(양쪽제한 값을 포함)를 이루기 위한 작용이 최대로 발휘될 수 있다.
또한, 반도체 단결정 기판은 규소 단결정 기판인 것이 바람직하고 반도체 박막은 규소 단결정 기판으로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 현재의 반도체 웨이퍼의 주류를 이루는 규소 단결정 웨이퍼상에서 더 큰 직경 및 저항률의 균일화가 동시에 이루어지고, 이러한 달성과 함께, 본 발명의 반도체 웨이퍼는 반도체 디바이스에서의 다양하고 폭넓은 응용을 기대할 수 있다.
추가로, 본 발명에 관한 기상 성장 장치는 반응용기, 및 반응용기의 폭방향으로 배치된 복수의 가스 도입구를 포함하며, 반도체 박막을 반도체 단결정 기판의 주면상에 기상성장시키기위해, 반도체 단결정 기판의 주면에 거의 평행하게 한방향으로 반응용기를 회전시켜서 복수의 가스도입구를 통하여 반도체 단결정 기판의 주면상에 반도체 원료가스가 공급되며, 복수의 도입구로부터 선택된 특정 가스 도입구로 도펀트가스를 제공하는 부 도펀트 가스 배관, 및 모든 복수의 가스 도입구로 도펀트 가스를 제공하는 주 도펀트 가스 배관을 추가로 포함하는 기상 성장 장치에 의해 특징화된다.
이러한 방식으로, 본 발명에 관한 기상성장 장치에서, 도펀트가스를 모든 복수의 가스도입구에 제공하는 주 도펀트 가스 배관, 및 도펀트가스를 특정 가스 도입구에 제공하는 부 도펀트 가스 파이프가 동시에 장착된다. 이러한 구성으로 인하여, 박막의 전체적인 저하율이 반도체 단결정 기판의 주면상에서 소정의 목표값 근방으로 제어할 수 있는 반도체 박막의 기상성장을 실현하도록, 주 도펀트 가스 배관으로부터 모든 가스도입구를 통하여 반응용기에 있는 반도체 단결정 기판의 주면에 도펀트가스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 박막의 저항률 분포를 조정하도록 부 도펀트 가스 배관으로부터 특정 가스 도입구를 통하여 도펀트가스가 반응용기내에 있는 반도체 단결정 기판의 주면에 추가적으로 공급될 수 있으므로, 심지어, 반도체 박막이 큰직경의 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성될 때도, 반도체 박막을 가로지른 저항률의 균일화가 보장될 수 있다.
예를 들면, 300mm 이상 400mm 이하의 범위정도로 큰 직경을 갖고, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하 범위로 낮은 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성된 반도체 박막의 직경을 따른 저항률 분포가 ±3%(양쪽 제한값 포함)내에 있을 수 있다.
또한, 예를 들면, 반도체 박막의 직경을 따른 저항률의 분포가 ±3%(양쪽 제한값 포함)내에 있도록 주 및 부 도펀트 가스 배관을 통하여 공급된 도펀트 가스에 대한 공급조건을 조정한 후, 심지어 반도체 박막의 목표 저항률이 더 높거나 더 낮게 변경되는 것이 필요하게 될 때도, 도펀트 가스를 희석시키는 수소가스의 공급률이 제어됨과 동시에, 주 및 부 도펀트 가스의 배관을 통하여 공급된 도펀트 가스의 유량비가 유지되어, 그 결과, 목표 저항률에서의 변경이 실현됨과 동시에, 저항률 분포의 균일화가 유지된다. 따라서, 반도체 박막의 목표저항률의 변경이 쉽고 신속하게 될 수 있어서, 생산성의 향상을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 기상성장 장치에서, 복수의 가스 도입구는 반응용기의 폭방향에 내측에 배치된 내측 도입구, 반응용기의 폭방향에 외측에 배치된 외측 도입구, 및 두개의 내측 도입구중의 하나와, 두개의 외측 도입구중의 대응하는 하나 사이에 있는 각 중간 도입구로 구성되는 3 종류의 도입구로 분류되는 것이 바람직하며, 도펀트가스가 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 제공되는 특정 가스 도입구는 내측 도입구, 외측 도입구, 및 중간 도입구로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2의 종류의 도입구인 것이 바람직하다.
이와 같은 방식으로, 본 발명에 관한 기상 성장 장치에서, 복수의 가스 도입구는 내측 도입구, 외측도입구, 및 중간도입구를 포함하는 3종류의 가스 도입구로 분류되며, 도펀트 가스가 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 공급되는 특정 가스 도입구는 내측도입구, 외측도입구, 및 중간도입구로 이루어진 군에서부터 선택된 1 또는 2의 종류의 도입구이다. 이러한 구성으로 인하여, 도펀트 가스는 단지 내측 도입구, 단지 외측 도입구, 또는 단지 중간도입구, 또는 내측 도입구 및 중간도입구의 결합, 또는 중간도입구 및 외측 도입구의 결합을 통하여 공급될 수 있다.
한편, 내측 도입구, 외측도입구, 및 중간도입구를 포함하는 3 종류의 가스 도입구를 통하여 주도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 공급된 도펀트가스는 반응용기의 폭방향으로 반도체 단결정 기판의 주면의 중심을 통과하는 가상의 중심축상에 있는 점이 되는, 내측 가스도입구로부터 반도체 단결정 기판의 주면의 중심 근방에 있는 점, 외측 가스도입구로부터 반도체 단결정 기판의 외연부 근방에 있는 점, 중간 가스 도입구로부터 반도체 단결정 기판의 주면의 외연부 및 중심부사이의 점으로 향함과 동시에, 한편, 도펀트 가스는 반도체 단결정 기판의 주면상에 기상상성장한 반도체 박막이 높은 저항률을 갖는 국부영역에 대응하는 특정 가스 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 추가로 공급될 수 있으며, 특정 가스 도입구는 내측 도입구, 외측 도입구, 중간 도입구로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2 종류의 도입구가 될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 모든 복수의 3종류의 가스 도입구를 통하여 주 도펀트 가스 배관으로부터 반도체 단결정 기판의 주면상에 모두 공급된 도펀트 가스와, 내측 도입구, 외측도입구, 중간도입구로 이루어진 군에서부터 선택된 1 또는 2 종류 도입구의 특정 가스 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 반도체 단결정 기판의 주면에 국부적으로 공급된 도펀트 가스는 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성된 반도체 박막이 균일한 저항률이 되도록 조합된다.
상기 설명은 반응용기의 폭방향으로 배치된 복수의 가스 도입구가 내측 도입구, 외측도입구, 중간도입구의 3 종류를 포함하는 경우를 기술함과 동시에, 3 종류이상의 가스도입구가 반도체 단결정 기판의 큰 직경의 개발수준에 따라 장치화될 수 있음을 기술하고 있다. 그 경우에, 도펀트가스가 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 공급되는 특정 가스 도입구는 3 종류 이상의 가스 도입구로부터 선택되는 임의의 1 종류, 또는 3 종류이상의 가스 도입구로부터 선택되는 2 이상 종류의 도입구의 조합이 될 수 있다.
추가로, 본 발명에 관한 기상성장 장치에서, 주 도펀트 가스 배관 및 부 도펀트 가스 배관은 도펀트 가스의 공급을 조정하는 각각의 도펀트 가스 유량 제어기와 함께 장치되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 방식으로, 본 발명에 관한 기상성장 장치에서, 주 도펀트 가스 배관 및 부 도펀트 가스 배관은 도펀트 가스의 공급을 조정하는 각각의 도펀트 가스 유량 제어기와 함께 장치되어 있다. 이러한 구성으로 인하여, 주 도펀트 가스 배관으로부터 모든 가스 도입구를 통하여 반응용기에 있는 반도체 단결정 기판의 전주면상에 공급되는 도펀트 가스와, 부 도펀트 가스 배관으로부터 특정 가스 도입구를 통하여 반도체 단결정 기판상에 국부적으로 추가공급되는 도펀트가스가 매우 정밀하게 반도체 박막을 저항률 분포를 조정하도록 개별적으로 제어되는 것이 가능하여, 그 결과, 심지어 반도체 박막이 큰 직경을 갖는 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성될 때에도, 반도체 박막의 직경을 따라서 더욱 균일한 저항률 분포가 달성될 수 있다.
부 도펀트 가스 배관이 2 종류의 도펀트 가스 배관으로 구성된 경우에는, 도펀트 가스 배관은 각각의 도펀트 가스 유량 제어기와 함께 장치되는 것이 바람직하다. 이러한 제어기의 제공으로 인하여, 반도체 박막의 직경에 따른 저항률 분포가 더욱 균일해진다.
또한, 상기 기술된 실시예에 있는 본 발명에 관한 기상 성장 장치는 콜드-웰식 기상 성장 장치인 것이 바람직하다. 이 경우에, 반응용기의 외벽면이 강제로 냉매에 의해서 냉각되기 때문에, 기상성장에서, 반응용기의 내벽면상에 부착물이 부착되는 것이 방지되어, 더욱 고품질의 반도체 박막이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 관한 설명은 첨부된 도면을 참조로 아래 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 관하여, 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에서 사용되는 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 모식적으로 도시하는 종단면도이다. 본 발명에 관한, 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에서 사용되는 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 모식적으로 도시하는 종단면도는 도 6과 기본적으로 유사하기 때문에, 도 6은 이들의 설명을 사용하고, 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치의 종단면도의 도시는 생략한다. 또한, 도 1 에서, 도 5 및 6에 도시된 종래의 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치의 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 이들의 설명은 간략화하거나 생략한다.
도 1 및 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 관한, 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에서 사용되는 단일 웨이퍼 기상성장 장치는 규소 단결정기판(12)이 수평으로 위치된 서셉터(14)는 수평방향을 따라 설치된 투명한 석영유리제 반응용기(10)의 중앙저부에 설치되고, 서셉터(14)는 회전축(16)을 통하여 회전장치(도시생략)와 접속되어 있다.
또한, 가스 도입구(18)는 반응용기(10)의 길이방향의 일단부에 제공되며, 가스 배기구(20)는 반응용기의 길이방향의 다른쪽 단부에 제공된다. 이와 같은 구성으로 인하여, 가스 도입구(18)를 통하여 도입되고 가스 배기구(20)를 통하여 외측으로 배출되는 가스의 흐름은 반응용기(10)의 길이방향을 따라 서셉터(14)상에 위치된 규소 단결정 기판(12)의 주면상으로 통과한다.
또한, 반응용기(10)의 가스 도입구(18)는 반응용기(10)의 폭방향을 따라 배열설치된 6개의 도입구(18a 내지 18f)로 구성된다. 6개의 도입구(18a내지 18f)중에서, 내측 도입구(18a,18b), 외측 도입구(18e,18f), 및 중간 도입구(18c,18d)는 서셉터(14)상의 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심을 통과하는 반응용기(10)의 길이방향을 따르는 가상의 중심축에 대하여 대칭으로 배열되어 있다.
더욱 상세히 설명하면, 내측 도입구(18a,18b)는 반응용기(10)의 폭방향을 따라서 서셉터(14)상의 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심을 통과하는 가상의 중심축상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 중심부 근방의 점을 향하고, 외측 도입구(18e,18f)는 가상의 중심축선상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 외연부 근방에 점을 향하고, 중간도입구(18c,18d)는 가상의 중심축선상에 있는 규소 단결정 기판(12)의 주면의 외연부 및 중심부 사이의 점을 향한다.
또한, 6개의 도입구(18a 내지 18f)는 공통의 가스 배관(22)에 모두 접속되어 있다. 공통의 가스 배관(22)은 3방향으로 분기되어, 각각의 분기는 가스유량제어기로서 MFC(24,26,28)를 각각 통과하는 캐리어 가스로서 수소가스(H2)의 가스 소스(도시 생략), 반도체 원료 가스의 가스소스(도시생략), 및 도펀트 가스의 가스소스(도시생략)에 접속된다.
이러한 방식으로, 6개의 도입구(18a 내지 18f)는 MFC(28)와 공동가스관(22a)를 통하여 도펀트 가스의 가스소스에 접속된다. 이러한 구성으로 인하여, 공동가스관(22a)은 6개의 모든 도입구(18a 내지 18f)에 도펀트 가스를 제공하는 주 도펀트 가스 배관으로서 기능을 한다.
추가로, 내측 도입구(18a,18b)는 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b)에 모두 접속되어 있다. 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b)은 도펀트 가스 유량 제어기로서의 MFC(28b)를 통하여 도펀트 가스의 가스소스(도시생략)에 접속된다.
이와 동일하게, 중간 도입구(18c,18d)는 제 2 부 도펀트 가스 배관(22c)과 모두 접속되어 있다. 제 2 부 도펀트 가스 배관(22c)은 도펀트 가스 유량 제어기로서의 MFC(28c)를 통하여 도펀트 가스의 가스소스(도시생략)에 접속된다.
반도체 원료 가스로서, 예를 들면, SiCl4(테트라클로로실란) 가스, SiH2Cl2(디클로로실란)가스, SiHCl3(트리클로로실란) 가스, 또는 SiH4(모노실란)가스와 같은 Si함유 가스를 사용하는 반면, 도펀트 가스로서, 예를 들면, B2H6(디보란)가스, PH3(포스핀) 가스 등이 사용된다.
또한, 반응용기(10)의 외측에, 예를 들면, 규소 단결정 기판(12)의 주면의 온도를 소정값으로 상승시키도록 서셉터(14)상에 수평으로 배치된 규소 단결정 기판(12)을 가열시키는 가열소스로서 적외선 방사 램프(30)가 배치된다. 추가로, 적외선 방사 램프(30) 및 반응용기(10)의 외벽을 냉각시키는 냉각수단(도시생략)이 장치되어, 콜드-웰식 기상성장장치가 구성된다.
다음, 도 1 및 6에 도시된 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 사용하여 박막내에 실질적으로 슬립전위가 없으며, 300mm이상의 직경크기를 갖는 규소 단결정 기판(12)의 주면상을 따라서 저항률이 균일하고, 비교적 낮은 도펀트 농도를 갖는 규소 단결정 박막을 형성하는 방법이 설명될 것이다.
먼저, 직경이 300mm 이상 400mm 이하의 범위내에 크기를 갖고, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위로 낮은 도펀트 농도를 갖는 규소 단결정 기판(12)이 반응용기(10)내에 있는 서셉터(14)상에 수평으로 위치된다.
만약 도펀트 농도가 4×1013atoms/cm3보다 낮은 경우는 어떠한 문제가 발생하지 않는 반면, 이러한 도펀트 농도는 실질적으로 사용되지 않기 때문에, 이러한 범위의 도펀트 농도는 실제적이지 않다. 반면, 도펀트 농도가 3×1018atoms/cm3보다 높은 경우에는 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 실리콘 단결정 박막의 주변부에서의 저항의 감소가 오토-도핑 현상의 영향하에서 무시될 수 없기 때문에, 직경을 따라서 ±3%이하의 저항률 분포를 얻기가 곤란해진다.
또한, 규소 단결정 기판(12)의 도전형이 p인 경우에서, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위의 도펀트 농도는 0.03Ω·cm 이상 300Ω·cm 이하의 저항률 범위내로 대략적으로 변환된다.
서셉터(14)상의 규소 단결정 기판(12)의 배치에 이어, 반응용기(10)내의 분위기를 바꾸기 위해, H2가스가 MFC(24), 공통 가스 배관(22a), 및 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여, H2가스의 가스소스로부터 반응용기내로 공급된다. 또한, 서셉터(14)상에 수평으로 재치되어 있는 규소 단결정기판(12)과 함께 서셉터(14)는 회전장치에 의해 회전축(16)을 통하여 도 1 및 도 6에 있는 화살표로 도시된 바와 같이, 시계방향으로 회전한다. 적외선 방사 램프(30)로 인하여, 소정의 세트 온도로 규소 단결정 기판의 주면에 온도를 상승시키기 위해 소정의 온도 프로그램에 따라서 서셉터(14)상에 있는 규소 단결정 기판(12)상에 가열을 행한다.
이점에서, 다음 기상성장 단계에서 생기는 슬립전위의 발생을 막기 위해, 적외선 방사 램프(30)로부터의 가열출력 분포를 미리 조정한다. 즉, 콜드-웰식 기상성장 장치에서, 반응용기(10)의 외벽면이 냉매에 의해서 강제적으로 냉각되기 때문에, 가열에너지는 벽면의 강제 냉각의 영향하에서 벽면에 가까운 규소 단결정 기판(12)의 주변부로부터 방산되기 쉬워진다. 이러한 이유로, 주변부와 중심부사이의 온도차이가 커지는 것을 막기 위해, 규소 단결정 기판(12)의 주변부는 규소단결정 기판의 중심부보다 더욱 강하게 가열되어야 하며, 이를 위해서, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막에 슬립전위가 발생되지 않도록 온도 분포가 미리 조정된다.
그러나, 이경우에, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장된 규소 단결정 박막의 도전형이 p라면, 규소 단결정 박막의 주변부에 있는 저항률은 규소 단결정 박막의 중심부에 있는 저항률보다 낮게 되기 쉽고, 반면, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장된 규소 단결정 박막의 도전형이 n라면, 규소 단결정 박막의 주변부에 있는 저항률은 규소 단결정 박막의 중심부에 있는 저항률보다 높게 되기 쉽다.
가열출력 조정에 이어, 규소 단결정 기판(12)의 주면 온도가 소정의 온도 프로그램에 따라서 제어되고, 기상성장 단계에서, 반도체 원료 가스가 MFC(24), 공통 가스 배관(22a), 및 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반도체 원료가스의 가스소스로부터 반응용기(10)내로 공급됨과 동시에, 도펀트 가스가 MFC(28a,28b,28c), 공통 가스 배관(22a), 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b), 제 2 부 도펀트 가스 배관(22c), 및 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 도펀트 가스의 가스소스로부터 반응용기(10)로 또한 공급된다.
이 때, 도펀트 가스는 주 도펀트 가스 배관으로서 역활을 하는 공통 가스 배관(22a)으로부터 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)로 공급된다. 또한, 도펀트 가스는 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b)으로부터 내측 도입구(18a,18b)를 통하여 추가로 공급된다. 이에 추가로, 도펀트 가스는 제 2 부 도펀트 가스 배관(22c)으로부터 중간 도입구(18c,18d)를 통하여 반응용기(10)로 추가로 공급된다.
이러한 구성으로 인하여, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장된 규소 단결정 박막의 기본적인 참조 저항률값은 주 도펀트 가스 배관으로서 역활을 하는 공통 가스 배관(22a)으로부터 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 공급된 도펀트 가스의 도펀트 가스농도를 주로 조정함으로써 실현된다.
또한 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b) 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22c)으로부터 특정 도입구로서 내측 도입구(18a,18b) 및 중간 도입구(18c,18d)를 통하여 각각 공급된 도펀트 가스의 도펀트 가스농도는 규소 단결정 박막을 따른 거의 균일한 저항률 분포를 달성하도록 개별적으로 조정된다.
또한, 이때, 캐리어가스로서의 H2가스 및 반도체 원료가스의 유량은 MFC(24), MFC(26)에 의해 정교하게 개별적으로 각각 제어된다. 반면, 주 도펀트 가스 배관으로서 역활을 하는 공통 가스 배관(22a)으로부터 공급된 도펀트 가스의 유량은 MFC(28a)에 의해 정교하게 제어되며, 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터 추가로 공급된 도펀트 가스의 유량은 MFC(28b,28c)에 의해서 정교하게 개별적으로 제어된다.
MFC(28a,28b,28c)로 각각 정교하게 제어된 도펀트 가스 흐름은 폭방향으로의 확산이 거의 없이, 반응용기(10)의 폭방향으로 배치된 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 혼합되어 반응용기(10)내로 도입된다.
도 1에 도시된 기상성장 장치에서, 반응용기(10)로 도입된 프로세스 가스는 규소 단결정 기판에 거의 평행하게 그리고 한방향을 중심으로 회전축(16)에 대해 회전하는 서셉터(14)상에 위치된 규소 단결정 기판(12)의 주면상으로 통과한다.
이점에서, 내측 도입구(18a,18b) 및 중간 도입구(18c,18d)를 통과하는 도펀트 가스 흐름은 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터의 추가공급에 의해 외측도입구(18e,18f)를 통과하는 도펀트 가스 흐름보다 더 높은 도펀트 가스 농도를 각각 갖는다. 이러한 상황에서, 화학 반응이 발생하고, 규소 단결정 박막(32)이 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장한다.
(실시예)
도 2 및 3의 사용으로, 도 1 및 6에 도시된 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 사용하여, 규소 단결정 박막을 규소 단결정 기판의 주면상에 형성하는 상세한 동작 조건, 및 이에 따라 상세한 동작조건으로 형성된 규소단결정 박막(32)의 저항률 분포가 설명될 것이다.
도 2는 도 1에서 도시된 기상성장 장치를 사용하여 반도체 웨이퍼를 제조할 때, 온도 프로그램을 도시하는 그래프이며, 도 3은 도 1의 기상성장장치를 사용하여 제조된 반도체 웨이퍼의 직경에 따른 저항률 분포를 도시하는 그래프이다.
반응용기(10)에 있는 서셉터(14)상에 위치된 규소 단결정 기판(12)으로서, 직경이 300mm±0.2mm, 저항률이 1Ω·cm 이상 20Ω·cm 이하의 범위(6×1014atoms/cm3이상 2×1016atoms/cm3이하 범위에 도펀트 농도로 변환됨)에 있는 p-형 규소 단결정 기판(12)이 사용되며, 도핑된 보론으로 인하여 오토-도핑상의 고려가 필요없이 매우 낮은 농도로 보론이 도핑된다.
규소 단결정 기판(12)이 반응용기(10)에 있는 서셉터(14)상에 수평으로 위치된 후, 반응용기(10)가 H2분위기로 되도록 H2가스가 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)내로 공급된다. 또한, 예를 들면, 서셉터(14)상에 수평으로 규소 단결정 기판(12)를 재치함과 동시에 회전장치에 의해 시계방향으로 서셉터(14)가 회전된다.
H2분위기에서, 서셉터(14)상에 있는 규소 단결정 기판(12)을 가열시키고 도 2의 온도 프로그램에 따라서 규소 단결정 기판(12)의 주면의 온도를 1130℃로 상승시키기 위해(온도상승단계), 가열소스로서 적외선 방사 램프(30)를 통전시킨다. 다음, 규소 단결정 기판(12)상에 형성된 자연산화막을 제거하는 열처리를 수행하기 위해 온도를 1130℃에서 일정시간 유지한다(가열 처리단계).
이 때, 열처리 조건은 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막에서 슬립전위가 발생되지 않도록 미리 행해지고, 열처리는 조건에 따라 수행된다. 예를 들면, 본 실시예에서, 전체 가열출력의 약 60%는 규소단결정 기판(12)의 주변부 근방에 부여되고, 약 40%는 중심부근방에 부여된다.
가열처리후, 규소 단결정 기판(12)의 주면의 온도를 1100℃ 내지 1130℃로 낮추고, 이러한 온도변화에 이어, 캐리어가스로서 H2가스로 이루어진 프로세스 가스, 반도체 원료 가스, 및 도펀트가스가 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)내로 공급된다.
이때, 캐리어 가스로서 H2가스의 유량은 MFC(24)를 사용하여 70 l/min으로 정확하게 제어되고, 균등하게 모든 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)내로 공급된다. 추가로, 반도체 원료가스로, 예를 들면, 수소를 액체 SiHCl3내에서 버블링함으로써 얻어진 혼합가스를 사용하고, 이러한 반도체 원료가스로부터 공급된 혼합가스는 MFC(26)를 사용하여 22 l/min으로 정확하게 제어되어, 균등한 방식으로 모든 6개의 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 반응용기(10)내로 공급된다.
추가로, 공통 도펀트 가스소스로서, 예를 들면, 수소로 희석된 B2H6가스가 사용되고, 수소로 희석된 B2H6가스가 주 도펀트 배관으로서 역활을 하는 공통 가스 배관(22a)로부터 6개의 모든 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 90 cm3/min으로 반응용기(10)내로 공급된다. 이와 동시에, 수소로 희석된 B2H6가스가 제 1 부 도펀트 가스 배관(22b)으로부터 4 cm3/min의 유량으로 내측 도입구(18a,18b)를 통과하고 제 2 부 도펀트 가스배관(22c)으로부터 40 cm3/min의 유량으로 중간 도입구(18c,18d)를 통과하여 반응용기(10)내로 도입된다.
주 도펀트 가스 배관(22a)으로 역활을 하는 공통 가스 배관(22a) 및 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터의 도펀트 가스 흐름은 MFC(28a,28b, 28c)에 의해 각각 정밀하게 개별적으로 제어된다.
이러한 방식으로, 반응용기(10)로 공급된 반응가스에서 화학반응이 발생하고, 13Ω·cm의 목표 저항률값 및 ±3%(양쪽 제한값 포함)의 목표 저항률 분포를 갖는 p-형 규소 단결정 박막(32)이 규소 단결정 기판(12)의 주면상에서 4μm의 두께로 기상성장한다(기상성장 단계).
기상성장한 후, 반응용기(10)의 내측은 H2가스로 충분하게 퍼지된다(퍼지단계). 다음, 가열소스로서 적외선 방사 램프(30)로의 출력공급이 차단되고, 규소 단결정 박막(32)을 규소단결정 기판(12)의 주면상에 형성함으로써 얻어진 반도체 웨이퍼가 650℃로 냉각된다(냉각단계). 그 후, 반도체 웨이퍼는 반응용기(10)에서 꺼내진다.
다음, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막(32)의 저항률이 측정된다.
미국 매사추세츠 워번에 위치한 QC Solutions CO.의 SCP(Surface Charge Profiler)장치를 사용하여 저항률 측정을 행한다.이 SCP장치는 아래 설명될 측정원리로서 SPV(Surface Photo Voltage)법을 사용한다.
즉, 먼저, 샘플 웨이퍼를 약 300℃로 단시간동안 가열하여, 샘플 웨이퍼의 표면에 형성된 자연산화막의 전하량이 일정하게 된 후, 진동수가 40Hz인 펄스로 GaN(질화갈륨) LED(Light Emitting Diode)로부터 방사된 파장 450nm인 광으로 샘플 웨이퍼 표면을 조사한다.
약 0.4μm의 침투깊이로 입사광에 의해 여기된 소수 캐리어는 샘플 웨이퍼에 전위 변화를 일으키고, 이러한 전위변화는 SPV 신호로서 검출된다. SPV 신호는 공핍층의 폭에 비례하고, 이 폭은 반도체 웨이퍼 규소중의 불순물 농도에 비례하기 때문에, 샘플 웨이퍼 표면으로부터 약 1 μm의 깊이에서의 불순물의 농도가 검출되고, 검출된 값은 저항률값으로 변환된다.
SPV 장치를 사용하여, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막(32)의 직경에 따른 저항률 분포는 10mm의 간격으로 측정되었고, 도 3의 그래프에 도시된 바와 같은 결과로서 얻어졌다.
(비교 실시예)
다음, 상기 실시예의 결과와의 비교를 행하기 위해, 종래의 수평형의 단일 웨이퍼 기상성장 장치를 사용하여 규소 단결정 기판의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막의 저항률분포가 도 4를 참조로 설명될 것이다.
도 4는 도 5에 도시된 종래의 기상성장 장치를 사용하여 제조된 반도체 웨이퍼의 직경에 따른 저항률분포를 도시한 것이다.
비교실시예에서, 수소로 희석된 B2H6가스가 도펀트 가스로서 사용되고, 수소로 희석된 B2H6가스는 각각의 모든 도입구(18a 내지 18f)를 통하여 160 cm3/min의 유량으로 반응용기(10)에 균등하게 공급되고, 1130℃의 온도에서 기상성장시켰다.
크기, 사용된 규소 단결정 기판(12)의 저항률, 캐리어 가스 및 반도체 원료가스의 종류 및 유량등의 조건, 온도 상승 단계, 가열처리단계, 기상성장단계, 퍼지단계, 냉각단계를 포함하는 온도 프로그램의 조건, 및 규소 단결정 박막(32)의 저항률 측정조건은 상기 실시예와 동일하게 하였다.
규소 단결정 박막(32)은 종래의 기상성장 장치를 사용하여 상기 조건으로 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성되었고, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 직경에 따라서 10mm 간격으로 측정되었으며, 도 4의 그래프에 도시된 바와 같은 측정결과를 얻었다. 다음, 실시예의 도 3의 그래프에 도시된 결과와 비교실시예의 도 4를 서로 비교하였다.
먼저, 도 3 및 4의 그래프를 서로 직접 비교할 때, 양쪽 모두의 규소 단결정 박막(32)의 각각의 외주변부의 근방에서 저항률의 감소가 관찰에 있어서, 실시예에서는 저항률의 감소가 관찰되지 않았지만, 비교실시예에서는 저항률의 저하가 명확하게 관찰되었다.
이러한 이유는, 비교실시예에서의 규소 단결정 박막(32)은 박막의 중심부 근방보다 박막의 외주변부 근방에서 더욱 강하게 가열되었기 때문에, 도펀트가스로서 가스상태에서 규소 단결정 박막(32)으로 공급된 보론의 취입률이 박막의 외주변부에서 더 높게 되고, 따라서, 여기서 저항률이 저하하게 되는 반면, 실시예에서, 외주변부의 근방에서의 저항률의 저하에 대응하는 도펀트 양은 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)을 통하여 중심부근방으로 추가로 공급되기 때문에, 규소 단결정 박막(32)의 외주변부 근방에서의 저항률 저하가 중심부근방과 비교했을 때 관찰되지 않는다.
추가로, 도 3 및 4 사이를 수치값으로 비교하면 다음과 같다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 실시예에서, 규소 단결정 박막(32)의 모든 측정점상의 평균 저항률값은 12.97Ω·cm이고, 이것은 목표저항률값 13Ω·cm에 매우 근접한 값이다. 또한, 다음 공식을 사용하여 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포를 측정할 때,
(최대저항률-최소저항률)/(최대저항률+최소저항률) (1)
규소 단결정 박막(32)의 최대저항률 및 최소저항률은 각각 13.38Ω·cm, 및 12.68Ω·cm이고, 이에 따라 이 경우에 저항률 분포는 ±2.69%내이며, 이것은 ±3.0%이하의 목표 저항률 분포를 만족시킨다.
평균시간에서, 공식(1) 대신에 다음 공식을 사용하여 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포를 계산할 때,
(최대저항률-최소저항률)/모든 측정점에서의 평균저항률 (2)
저항률 분포는 5.4%였다.
반면, 비교 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 규소 단결정 박막(32)의 모든 측점점에서의 평균저항률은 11.62Ω·cm이다. 또한, 규소 단결정 박막(32)의 최대저항률 및 최소저항률은 각각 12.02Ω·cm, 및 10.77Ω·cm이고, 이에 따라 이 경우에 저항률 분포는 ±5.48%내이며, 이것은 ±3.0%의 목표값을 초과한다. 공식(2)를 사용하여 계산했을 때, 이경우에 저항률 분포는 10.8%이다.
상기와 같이, 실시예와 비교실시예의 비교로부터, 심지어 규소 단결정 박막(2)이 직경이 300mm±0.2mm크기의 규소 단결정 기판의 주면상에 기상성장했을 때에도, 규소 단결정 박막(32)의 직경에 따른 저항률 분포의 균일성이 종래기술과 비교했을 때 충분히 향상되었음이 확인된다.
발명자가 상기 실시예에서 고려한 조건 이외를 포함하는 다양하는 조건을 변화시키면서 실험을 반복했을 때, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 반응용기(10)로 공급된 도펀트 가스 및 반도체 원료 가스의 농도, 및 반응온도에 따라서, 다소 변동이 생길 수 있다. 그러나, 상기 실시예에 관한 반도체 웨이퍼 제조 방법이 사용된다면, 직경 300mm인 약하게 도핑된 규소 단결정 기판(12)의 주면상에, 규소 단결정 박막(32)이 기상성장할 때, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 ±3%이하(공식(1)을 사용할 경우) 또는 6%이하(공식(2)를 사용할 경우)로 쉽게 제어될 수 있다.
비록 규소 단결정 기판(12)의 직경이 300mm 이상 400mm 이하의 범위에 있는 경우에도, 상기와 유사하게, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 기상성장한 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포도 ±3%이하(공식(1)을 사용할 경우) 또는 6%이하(공식(2)를 사용할 경우)로 쉽게 제어될 수 있다. 추가 설명을 위하여, 규소 단결정 기판(12)의 직경이 400mm를 초과할 경우에, 충분한 고품질의 규소 단결정 기판(12)은 현단계에서는 안정적으로 제조하는 것이 곤란한 반면, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에 형성된 규소 단결정 박막(32)의 직경에 따른 저항률 분포에서의 균일화의 개선은 가능하다.
또한, 실시예에서, 규소 단결정 기판(12)의 주면상에, p-형 규소 단결정 박막(32)이 기상성장한 경우에, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 중심부 근방에서 상대적으로 높은 경향이 있기 때문에, 내측 도입구(18a,18b), 중간 도입구(18c,18d)를 통하여 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터 반응용기(10)로 도펀트가스가 추가 공급된다.
n-형 규소 단결정 박막(32)이 기상성장한 경우에, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 주변부 근방에서 상대적으로 높은 경향이 있기 때문에, 외측 도입구(18e,18f) 또는 외측 도입구(18e,18f) 및 중간 도입구(18c,18d)를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기(10)로 도펀트가스가 추가 공급되는 것이 바람직하다.
더우기, 규소 단결정 박막(32)의 저항률이 이와 달리 국부적으로 더 높은 영역을 갖는 경우, 이 경우의 도펀트가스는 영역에 대응하는 특정 가스 도입구, 즉 내측 도입구, 외측 도입구, 및 중간도입구로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 두 종류의 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 추가로 공급된다.
또한, 상기 실시예에서, 도펀트 가스는 내측도입구(18a,18b), 중간 도입구 (18c,18d)를 통하여, 제 1 및 제 2 부 도펀트 가스 배관(22b,22c)으로부터 반응용기(10)내로 추가로 제공되는 반면, H2가스가 도펀트 가스 대신에 제공될 수 있다. 이 경우에, 모든 도입구(18a,18f)를 통하여, 주 도펀트 가스 배관으로서 기능을 하는 공통 가스 배관(22a)으로부터 공급된 도펀트 가스는 국부적으로 희석된다. 더욱 상세히 설명하면, H2가스는 부 도펀트 가스 배관으로부터, 규소 단결정 박막(32)의 낮은 저항률의 국부 영역에 대응하는 특정 가스 도입구를 통하여 추가로 공급되며, 이로 인해, 규소 단결정 박막(32)의 저항률 분포는 실시예와 유사하게 균일화될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼 및 기상성장 장치에 따라서, 다음과 같은 효과가 얻어질 수 있다.
즉, ±3%이내의 직경에 따른 저항률 분포 및 박막내에 슬립전위가 실질적으로 발생되지 않는 반도체 박막을 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성하도록, 직경이 300mm 이상 400mm 이하의 범위내에 크기를 갖고, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위로 낮은 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판이 사용되어 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼가 구성된다. 본 발명에 관한 반도체 웨이퍼로 인하여, 반도체 웨이퍼가 최근에 요구하는 큰 직경 및 저항의 균일화가 동시에 달성될 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼는 반도체 칩의 제조에서의 수율 및 스루풋을 증가시키는 향상에 크게 기여하다.
추가로, 본 발명에 관한 기상성장 장치에 따라서, 모든 복수의 도펀트 가스 도입구로 도펀트 가스를 제공하는 주 도펀트 가스 배관, 특정가스 도입구로 도펀트 가스를 제공하는 부 도펀트 가스 배관이 제공되며, 이러한 구성으로 인하여, 다음과 같은 동작이 수행될 수 있다: 반도체 박막을 반도체 단결정 기판의 주면상에 기상성장하고, 소정의 목표 저항률값의 근방으로 반도체 박막의 전체 저항률값이 실현되도록 모든 가스 도입구를 통하여 주 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내에 있는 반도체 단결정 기판의 주면상으로 도펀트가스가 공급되며, 이와 동시에, 반도체 박막의 저항률 분포를 조정하도록 특정 가스 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내에 있는 반도체 단결정 기판의 주면상으로 도펀트가스가 추가로 공급된다. 따라서, 본 발명에 관한 기상성장 장치의 사용으로 인하여, 반도체 박막이 큰 직경의 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성될 때에도, 반도체 박막의 저항률 분포의 균일화가 달성될 수 있다.
예를 들면, 반도체 웨이퍼는, 직경 300mm 이상 400mm 이하의 범위내에 크기를 갖고, 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위로 낮은 도펀트 농도를 갖는 반도체 단결정 기판의 주면상에, 직경에 따른 저항률 분포가 ±3%이하로 제어되는 반도체 박막이 형성되도록 제공될 수 있다.
또한, 반도체 박막의 목표 저항률이 변경될 때, 상기 변경이 다음과 같이 실현될 수 있다: 주 도펀트 가스 배관 및 부 도펀트 가스 배관으로부터의 도펀트 가스에 대한 공급조건이, 반도체 박막의 직경에 따른 저항률분포가 즉, ±3%이하로 한정되도록 조정된 후, 주 도펀트 가스배관 및 부 도펀트 가스 배관으로부터의 도펀트 가스의 유량비가 한 값으로 유지됨과 동시에, 희석제로서 수소가스의 공급량이 제어되며, 그 결과, 저항률분포의 균일화를 유지하여 반도체 박막의 목표 저항률에서의 변경을 실현가능하게 할 수 있다. 따라서, 반도체 박막의 목표저항률에서의 변경이 쉽고 신속하게 달성되어, 생산성의 향상을 이끌 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 더욱 바람직한 기상 성장 장치에 따라서, 복수의 가스 도입구는 내측 도입구, 외측 도입구, 중간 도입구를 포함한 3 종류의 도입구로 분류되며, 부 도펀트 가스 배관이 도펀트 가스를 제공하는 특정 가스 도입구는 3 종류의 가스 도입구로부터 선택된 1 또는 2 종류의 도입구가 될 수 있다. 이러한 구성으로 인하여, 도펀트 가스는 반도체 단결정 기판의 주면상에 기상성장된 반도체 박막중 높은 저항률을 갖는 국부영역에 대응하여 특정 가스 도입구를 통하여, 즉, 내측 도입구, 외측 도입구, 및 중간도입구로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2 종류의 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 추가적으로 공급될 수 있기 때문에, 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성된 반도체 단결정 박막의 저항률 분포의 균일화가 달성될 수 있다.
또한, 더욱 바람직한 기상성장 장치에 따라서, 주 도펀트 가스 배관 및 부 도펀트 가스 배관이 각각의 도펀트 가스 유량 제어기와 함께 장치화된다. 이러한 구성으로 인하여, 모든 가스 도입구를 통하여 주 도펀트 가스배관으로부터 반도체 단결정 기판의 주면상에 공급된 도펀트 가스의 유량, 및 특정 가스 도입구를 통하여 부 도펀트 가스 배관으로부터 반도체 단결정 기판의 주면의 국부영역에 추가로 공급된 도펀트 가스의 유량이, 개별적으로 제어되기 때문에, 반도체 박막의 저항률 분포가 고정밀도로 조정될 수 있고, 이로 인해, 심지어 반도체 박막이 큰 직경의 반도체 단결정 기판의 주면상에 형성될 때에도, 반도체 박막의 직경에 따른 저항률분포의 더욱 균일화가 달성될 수 있다.

Claims (11)

  1. 직경이 300mm 이상 400mm 이하의 범위에 있고 도펀트 농도가 4×1013atoms/cm3이상 3×1018atoms/cm3이하의 범위에 있는 반도체 단결정 기판의 주면상에, 직경에 따른 저항률 분포가 ±3 %이하인 반도체 박막을 형성함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  2. 제 1 항에 있어서, 반도체 단결정 기판의 도전형이 p형이고, 반도체 단결정 기판의 저항률이 0.03 Ω·cm 이상 300 Ω·cm 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  3. 제 2 항에 있어서, 반도체 단결정 기판의 저항률이 1 Ω·cm 이상 20 Ω·cm이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 보론이 반도체 단결정 기판에 첨가되는 도펀트로서 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 반도체 단결정 기판의 직경은 길이가 300mm인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 반도체 단결정 기판은 규소 단결정 기판이고, 반도체 박막은 규소 단결정 박막인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼.
  7. 반응용기, 및 반응용기의 폭방향으로 배치된 복수의 가스 도입구를 포함하며, 반도체 박막을 반도체 단결정 기판의 주면상에 기상성장하도록 반도체 단결정 기판의 주면에 거의 평행하게 한 방향으로 반도체 원료 가스를 반응용기에서 회전하는 반도체 단결정 기판의 주면상에 공급하는 기상성장 장치에 있어서,
    도펀트 가스를 모든 복수의 가스 도입구에 공급하는 주 도펀트 가스 배관; 및
    도펀트 가스를 복수의 가스 도입구로부터 선택된 특정 가스 도입구에 제공하는 부 도펀트 가스 배관;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 복수의 가스 도입구는 반응용기의 폭방향에서의 내측에 배치된 내측 도입구, 반응용기의 폭방향에서의 외측에 배치된 외측 도입구, 및 각각이 내측 도입구와 외측 도입구 사이에 있는 중간 도입구를 포함하는 3 종류의 도입구로 되어 있으며, 도펀트 가스가 부 도펀트 가스 배관으로부터 반응용기내로 공급되는 특정 가스 도입구는 내측 도입구, 외측 도입구, 및 중간 도입구로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2 종류의 도입구인 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 주 도펀트 가스 배관 및 부 도펀트 가스 배관은 도펀트 가스의 공급을 제어하는 각각의 도펀트 가스 유량 제어기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 부 도펀트 가스 배관은 2 종류의 도펀트 가스 배관으로 구성되어 있고, 2 종류의 도펀트 가스 배관은 각각의 도펀트 가스 유량 제어기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 콜드-웰식 기상성장 장치인 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
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