KR20020026567A

KR20020026567A - 에피택셜 실리콘 웨이퍼

Info

Publication number: KR20020026567A
Application number: KR1020027001765A
Authority: KR
Inventors: 고미야사토시; 요시노시로; 단바타마사요시; 하야시다고이치로
Original assignee: 고마쯔 덴시 긴조꾸 가부시끼가이샤
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-04-10
Also published as: US20040065250A1; JP2001068477A; EP1231301A4; TW503472B; KR100753169B1; WO2001016408A1; US20070113778A1; EP1231301A1

Abstract

질소를 도핑하면서, 반도체 디바이스용으로서 충분한 특성을 구비하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼로서, 산소 농도가 7 ×10¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×lO¹⁵atoms/cm³이하이며 또한 산소 농도가 1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내에 있는 질소 농도 및 산소 농도인, 높은 게터링 성능을 가지는 질소 도핑 베이스 실리콘 웨이퍼를 제공한다.

Description

에피택셜 실리콘 웨이퍼 {EPITAXIAL SILICON WAFER}

통상 저항의 에피택셜용 기판(베이스 실리콘 웨이퍼)는, 에피택셜 공정에서의 초기의 고온 프로세스에 있어서 경계 사이즈 이하의 산소 석출핵(析出核)이 소실되어 버리기 때문에, 석출의 지연에 기인한 게터링 능력의 저하에 의해 디바이스 생산성의 저하가 생긴다.

이 문제의 해결책으로서, 에피 프로세스 전에 열처리를 행함으로써 석출물을 미리 성장시켜 두는 방법이나, 게터링 사이트로서 기판 이면(裏面)에 폴리실리콘층을 형성하는 방법 등이 제안되어 있다. 그러나, 이들 방법에서는, 걸리는 시간이나 노력이 크고, 제품의 생산성이 현저하게 악화됨으로써 비용 상승으로 이어진다고 하는 문제가 있었다.

이러한 점에서, 쵸크랄스키법(CZ 법)에 의한 단결정 육성시에 질소를 도핑하면 산소 석출의 촉진 효과가 있다고 하는 지식에 따라, 게터링 능력의 확보를 위해 실리콘 단결정 중에 질소를 도핑하는 것이 검토되고 있다.

그러나, 질소의 도핑에 의해, CZ 법에 의한 단결정 육성 후의 산소 석출물은커져 버리기 때문에, 질소가 도핑된 실리콘 웨이퍼는 에피택셜 성장에 제공되는 베이스 실리콘 웨이퍼로는 부적합했다.

실제로, 질소의 도핑을 행하는 방법의 경우에는, 대폭적인 비용 상승으로 이어지지는 않지만, 디바이스 활성층(즉 웨이퍼 표층 근방의 DZ 층)의 확보와 벌크의 게터링 사이트의 제어를 주의 깊게 행할 필요가 있다. 에피 서브에 있어서도 그것은 예외가 아니며, 특히 베이스 실리콘 웨이퍼 표층에 산소 석출물이 존재한 경우에는, 그것을 기점으로 한 에피 성장 이상이 일어나, 그것이 에피 표층의 결함으로되어 디바이스 특성을 악화시킨다.

본 발명은 이상과 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 디바이스 특성을 악화시키는 에피 표층의 결함이 발생되지 않는 질소 도핑 베이스 실리콘 웨이퍼의 조건을 발견하고, 첨단의 반도체 디바이스용으로서 충분한 특성을 구비한 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있도록 하는 것에 있다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들이 예의 연구를 거듭한 결과, 질소를 소정의 농도 이상 도핑하면, 디바이스 특성을 악화시키는 에피 표층의 결함이 증대되는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

또한 본 발명자들은 동시에, 에피 표층의 결함이 발생되지 않도록 하기 위해서는, 산소 농도가 낮은 경우에는 질소 농도가 높아도 되는 한편, 산소 농도가 높은 경우에는 질소 농도를 낮게 하지 않으면 안된다는 것과 같이, 에피 표층에서의 결함 발생 방지를 위해서는, 질소 농도와 산소 농도를 대응시켜 고려해야 하는 것도 발견했다.

본 발명은 에피택셜 실리콘 웨이퍼, 특히 질소 도핑 실리콘 웨이퍼에 에피택셜 성장이 실시된 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명자들에 의해 발견된 「구상 결함」의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는, 결정 성장에 따른 실리콘 잉곳 중의 질소 농도의 변화와 산소 농도의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은, 질소 농도와 LPD(Light Point Defect)의 관계를 플롯한 그래프를 도시한 도면이다.

도 4는, 질소 농도와 산소 농도의 관계를 플롯한 그래프를 도시한 도면이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 다음과 같은 웨이퍼 및 방법을 제공한다.

(1) 질소가 도핑된 베이스 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜막이 형성된 에피택셜 실리콘 웨이퍼로서, 상기 에피택셜막 상에 구상(丘狀) 결함이 관찰되지 않는 에피택셜 실리콘 웨이퍼.

(2) 질소가 도핑된 베이스 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜막이 형성된 에피택셜 실리콘 웨이퍼로서, 상기 에피택셜막 상에 있어서 120nm 이상의 LPD로서 관측되는 결정 결함이 20개/200mm 웨이퍼 이하인 에피택셜 실리콘 웨이퍼.

(3) 에피택셜 성장 후에 120nm 이상의 LPD로서 관측되는 결정 결함이 20개/200mm 웨이퍼 이하로 되는 영역에서, 질소를 도핑하면서 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.

(4) 산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×1O^l5atoms/cm³이며, 또한 산소 농도가 1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3×10¹⁴atoms/cm³인 범위를 넘지 않는 질소 농도 및 산소 농도의 범위 내에서 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.

(5) 질소 농도의 증가에 대응하여 산소 농도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 (4) 기재의 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.

(6) 산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×10¹⁵atoms/cm³이하이며, 또한 산소 농도가 1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내에 있는 질소 농도 및 산소 농도인 질소 도핑 실리콘 웨이퍼.

(7) 산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 1 ×10¹⁵atoms/cm³이하이며, 또한 산소 농도가 1.5 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 1×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내에 있는 질소 농도 및 산소 농도인 질소 도핑 실리콘 웨이퍼.

(8) 직동부(直胴部) 최종단의 질소 농도가 1 ×1O¹⁵atoms/cm³로부터 3×1O¹⁵atoms/cm³의 범위 내에 있는 실리콘 잉곳.

(9) (8)기재의 실리콘 잉곳에 있어서, 상기 실리콘 잉곳 중의 질소 농도의 변화에 대응하여 상기 실리콘 잉곳 중의 산소 농도가 적당히 제어된 실리콘 잉곳.

질소 도핑 실리콘 웨이퍼는, 그대로는 제품화에 적합한 특성을 가진다고는 할 수 없지만, 베이스 실리콘 웨이퍼의 질소 농도·산소 농도가 상기와 같은 범위로 조정되어 있는 에피택셜 실리콘 웨이퍼는, 디바이스 특성을 악화시키는 표층의 결함이 존재하지 않거나 또는 매우 적기 때문에, 제품화에 적합하다.

본 발명자들의 연구에 의하면, 질소가 도핑된 베이스 실리콘 웨이퍼에 에피를 쌓은 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 표층에 나타나는 결함은, 도 1에 도시된 바와 같이, 폭이 약 10㎛이고 높이가 약 10nm의 구상의 결함이었다(AFM에 의해 관측). 본 명세서에서는 이것을「구상 결함」이라고 하고 있지만, 이 구상 결함은, 에피 웨이퍼 표면에서 LPD(Light Point Defect)로서 관측되기 때문에, LPD로서 관측되는 결함의 일부에는 이 구상 결함이 포함되게 된다.

또, 질소 농도·산소 농도가 지나치게 적으면, 게터링 사이트의 감소에 의한 중금속 포획 효과의 저하를 초래하게 되지만, 게터링 사이트량을 어느 정도로 설정할 것인가는, 질소 농도·산소 농도를 적당히 조정함으로써, 의도하는 제품의 종류 등에 따라 당업자가 적당히 결정할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예로서, 베이스 실리콘 웨이퍼는 쵸크랄스키법(CZ 법)으로 제조한다. 이 경우에서는, 쵸크랄스키법에 의해, 질소를 도핑하여 실리콘 단결정을 인상하여, 실리콘 잉곳을 제조하고, 여기에서 질소 농도 및 산소 농도가 상기 범위 내에 있는 부분을 잘라 내고, 베이스 실리콘 웨이퍼로 한다. 또, CZ 법을 사용하는 경우에는, 융액에 자장을 형성하는 방식(MCZ 법)도 채용할 수 있다.

또, 질소의 도핑을 위한 방법은, 결정 성장 시에 노(爐) 내에 통과되는 아르곤 가스 중에 질소를 혼입시키는 방법이나, 질화 규소를 원료 융액 중에 용해시켜 인상하여 단결정 중에 질소 원자를 도입하는 방법 등, 현재 공지된 모든 방법 및 장래 발견될 모든 방법을 사용할 수 있다.

여기에서, 실리콘 융액으로부터 실리콘 잉곳을 인상한 경우에 있어서, 산소 농도 등을 고의로 제어하지 않으면, 도 2에 나타내는 형태로, 질소의 편석(偏析)에 의한 질소 농도의 변동과 받아들이는 산소 농도의 변동이 생긴다. 보다 구체적으로 말하면, 질소 농도는, 인상하는 최초의 부분(숄더 부분)으로부터 종단(테일 부분)에 이르기까지 점차 증가해 나가는 한편, 산소 농도는 점차 감소해 나간다.

따라서, 제품 취득 대상 영역 내에서 최고의 질소 농도를 나타내는 직동부 최종단의 부분에서 상기 질소 농도를 상기 질소 농도의 상한이 되도록 설정함으로써, 실리콘 잉곳 전체에서 질소 농도를 3 ×10¹⁵atoms/cm³미만으로 할 수 있고, 이 실리콘 잉곳 중의 질소 농도의 변화에 대응하여 산소 농도를 적당히 제어하고, 산소 농도 ·질소 농도가 상기 (6)에서 나타낸 범위 내에 있도록 함으로써, 인상된 실리콘 잉곳의 직동 부분에서 불필요한 부분을 형성하지 않고, 상기 직동 부분 모두를 제품 취득 대상 영역으로서 빠짐없이 사용하는 것이 가능하게 되는 실리콘 잉곳으로 할 수 있다.

이 경우에 있어서, 산소 농도는, 질소 농도와 비교하면 비교적 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 실리콘 잉곳의 직동 부분의 거의 모두를 실리콘 웨이퍼의 제조 대상 영역으로 하는 직동부 효율 사용용 실리콘 잉곳으로 하기 위해 산소 농도 를 제어하거나, 또는 얻고 싶은 베이스 웨이퍼의 산소 농도 ·질소 농도에 맞춰 적당히 산소 농도를 제어하도록 하면 된다.

실험예로서, 여러 가지 조건으로 육성한 CZ-Si 단결정으로부터 실리콘 웨이퍼를 잘라 내고, 경면 연마 가공을 실시한 후에 에피 성장을 실시하여 에피 기판의 산소 석출 거동 및 에피 표층의 결함에 대해 조사했다.

이 실험예에 있어서, 결정은 도펀트로서 붕소를 첨가한 직경 200mm, p형, 결정방위 <10O>이고, 산소 농도는 8 ×10¹⁷∼ 16 ×1O¹⁷atoms/cm³가 되도록 제어하는 동시에, 질소 농도는 4.9 ×10¹³∼ 1.24 ×1O¹⁵atoms/cm³가 되도록 질소를 첨가하고, 비교를 위하여 질소 첨가없는 결정도 준비했다. 에피 성장은, 성장 가스로서 트리크롤실란, 성장 온도는 1100℃이고, 에피막 두께를 6㎛으로서 행했다.

결과를 도 3 및 도 4에 나타낸다. 도 3은, 질소 농도와 결함 발생수(LPD로서 관찰되는 결함의 수)의 관계를 알 수 있도록 한 것이며, 도 4는, 같은 데이터에 따라, 질소 농도와 산소 농도의 관계를 알 수 있도록 한 것이다.

먼저, 도 3으로부터, 산소 농도가 낮은 경우에는, 질소 농도가 비교적 높아지더라도 결함의 수는 그다지 증대하지 않지만, 산소 농도가 높은 경우에는, 질소 농도가 높아지면 결함의 수가 많아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 도 3으로부터, 산소 농도가 높은 경우에는 질소 농도를 낮게 해야 할 필요가 있다는 것과 같이, 산소 농도와 질소 농도 사이에는 소정의 상관 관계가 있는 것이 시사된다.

또, 도 4로부터, 산소 농도와 질소 농도를 각각 횡축과 종축으로 하여 플롯을 하여 보면, 산소 농도와 질소 농도의 사이에 소정의 상관 관계가 있는 것이 명백해 진다.

여기서, 제품으로서 적절한가 여부의 경계로서, 200mm의 웨이퍼당의 LPD 수(0.12㎛ 이상)이 20개 이하라고 하는 것을 기준으로 하여 보면, (산소 농도, 질소 농도) = (7 ×1O¹⁷atoms/cm³, 약 3 ×1O¹⁵atoms/cm³와(산소 농도, 질소 농도) = (1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³, 약 3 ×1O¹⁴atoms/cm³를 연결하는 선(도 4 중의 기울어진 실선)이 경계선이라는 것이, 이 도 4로부터 시사된다. 또, 제품으로서 보다 엄격한 기준을 설정한 경우에는, (산소 농도, 질소 농도) = ( 7 ×1O^l7atoms/cm³, 약 1×1O¹⁵atoms/cm³와 (산소 농도, 질소 농도) = (1.5 ×1O¹⁸atoms/cm³, 약 1×1O¹⁴atoms/cm³를 연결하는 선(도 4 중의 점선)이 경계선으로서 시사되는 것이다. 단지, 어느 경우에나, 현시점에서 얻어지고 있는 데이터의 범위 내에서의 이야기이기 때문에, 수치에 관해서는, 어느 정도의 여유가 허용되어야 한다.

따라서 이 도 4로부터, 에피택셜 실리콘 웨이퍼 제조를 위해 바람직한 질소도핑 베이스 실리콘 웨이퍼를 작성하기 위해서는, 실선의 좌측(보다 구체적으로는, 산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×1O¹⁵atoms/cm³이하이며 또한 산소 농도가 l.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내)가 되도록 실리콘 단결정의 인상을 행하면 되게 된다. 그리고, 보다 바람직하게는, 점선의 좌측(보다 구체적으로는, 산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 1 ×1O¹⁵atoms/cm³이하이며, 또한 산소 농도가 1.5 ×1O¹³atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 l ×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내)가 되도록 실리콘 단결정의 인상을 행하면 되게 된다.

또, 산소 농도와 질소 농도의 하한에 관해서는, 제품에 따라서 게터링 사이트로서 충분한 산소 석출물 밀도를 확보하기 위한 베이스 실리콘 웨이퍼의 초기 산소 농도와의 함수로 되는 질소 첨가량의 하한치를 결정하도록 하면 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 디바이스의 특성을 악화시키는 표층 결함에 의한 영향이 없고, 우수한 특성을 구비하고 있다. 즉, 본 발명에 의한 조건에 있어서 제조된 실리콘 웨이퍼에 에피막을 성장시킨 제품은, 첨단의 반도체 디바이스용으로서 우수한 특성을 구비하게 된다.

또, 적절한 조건을 설정함으로써, 게터링 사이트가 소실되어 있지 않아 높은 게터링 성능을 구비하는 질소 도핑 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

Claims

질소가 도핑된 베이스 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜막이 형성된 에피택셜 실리콘 웨이퍼로서, 상기 에피택셜막 상에 구상(丘狀) 결함이 관찰되지 않는 에피택셜 실리콘 웨이퍼.
질소가 도핑된 베이스 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜막이 형성된 에피택셜 실리콘 웨이퍼로서, 상기 에피택셜막 상에 120nm 이상의 LPD로서 관측되는 결정 결함이 20개/200mm 웨이퍼 이하인 에피택셜 실리콘 웨이퍼.
에피택셜 성장 후에 120nm 이상의 LPD로서 관측되는 결정 결함이 20개/200mm 웨이퍼 이하가 되는 영역에서, 질소를 도핑하면서 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×1O¹⁵atoms/cm³이며, 또한 산소 농도가 1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×lO¹⁴atoms/cm³인 범위를 넘지 않는 질소 농도 및 산소 농도의 범위 내에서 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
제4항에 있어서,

질소 농도의 증가에 대응하여 산소 농도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
산소 농도가 7 ×10¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3 ×10^l5atoms/cm³이하이며, 또한 산소 농도가 1.6 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 3×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내에 있는 질소 농도 및 산소 농도인 질소 도핑 실리콘 웨이퍼.
산소 농도가 7 ×1O¹⁷atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 1 ×1O¹⁵atoms/cm³이하이며, 또한 산소 농도가 1.5 ×1O¹⁸atoms/cm³일 때의 질소 농도가 약 1×1O¹⁴atoms/cm³이하의 범위 내에 있는 질소 농도 및 산소 농도인 질소 도핑 실리콘 웨이퍼.
직동부(直胴部) 최종단의 질소 농도가 1 ×1O¹⁵atoms/cm³로부터 3×1O¹⁵atoms/cm³의 범위 내에 있는 실리콘 잉곳.
제8항에 있어서,

상기 실리콘 잉곳 중의 질소 농도의 변화에 대응하여 상기 실리콘 잉곳 중의 산소 농도가 적당히 제어되는 실리콘 잉곳.