KR20030043387A - 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉곳의 성장 중에 발생하는 결정 성장 결함을 억제하고, 디바이스 제조 시에 요구되는 웨이퍼의 고온 열처리 과정에서 나타나는 슬립을 억제하며, 웨이퍼 활성 영역의 무결함 상태 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역의 적절한 산소 결함층 형성이 가능하도록 하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 또는 탄소 불순물을 소정의 양으로 도핑 하면서 잉곳을 성장시키는 단계; 성장된 잉곳을 슬라이싱 하여 웨이퍼 형태로 만드는 단계; 슬라이싱 된 웨이퍼를 수소와 불활성 가스 분위기 및 1100oC 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 열처리하는 단계; 및 열처리된 웨이퍼를 폴리싱 및 크리닝 하는 단계를 포함하는 것으로서, 디바이스 제조 시에 요구되는 웨이퍼의 고온 열처리 과정에서 나타나는 슬립을 근본적으로 억제하였으며, 웨이퍼 활성 영역의 무결함 상태 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역의 적절한 산소 결함층 형성이 가능하도록 하였으므로, 웨이퍼의 품질이 향상되어, 256 메가 DRAM 급 이상의 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 고품질 웨이퍼의 생산 수율을 증가시키는 효과가 있다.

Description

단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법{Manufacturing method of single crystal silicon wafer}

본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 성장 시에 질소 또는 탄소 등의 불순물 도핑을 하여, 잉곳의 성장 중에 발생하는 결정 성장 결함(grown-in defect)을 억제하고, 디바이스 제조 시에 요구되는 웨이퍼의 고온 열처리 과정에서 나타나는 슬립(dislocation defect)을 억제하며, 웨이퍼 활성 영역(active region)의 무결함 상태 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역(bulk region)의 적절한 산소 결함층 형성이 가능하도록 하는 기술에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 얇게 절단하여 만든다. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있으며, 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 것으로서, 아래에 CZ법에 의한 일반적인 단결정 실리콘 잉곳 제조 단계를 대략적으로 설명한다.

먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)단계를 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)단계를 거치며, 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정이 성장된다. 이 과정을 몸통그로잉(body growing)단계라 부르는데 이때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어지는 부분이 된다. 일정한 길이 만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다. 이러한 결정성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 결정성장장치(Grower)에서 용융실리콘이 단결정 잉곳으로 성장될 때의 용융실리콘과 잉곳 접촉 주위의 공간을 의미한다. 결정성장장치는 용융실리콘 도가니, 가열장치, 보온 구조물, 잉곳인상장치 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

다음으로, 잉곳의 성장이 완료되면, 잉곳을 절단하여 웨이퍼 형태로 만드는 슬라이싱 공정, 얇게 절단된 웨이퍼의 에칭(etching), 산소 석출을 위한 열처리, 웨이퍼 표면을 깨끗하게 하는 폴리싱(polishing)과 크리닝(cleaning) 등의 공정을 거쳐 디바이스용 웨이퍼로 생산되게 된다.

그런데, 잉곳 또는 웨이퍼에 발생되는 여러 가지 결정 성장 결함들을 제거하고자 하는 연구가 계속되어 오면서, 그 결과로 CZ 법에 의하여서도 상당한 정도로 결정 성장 결함들이 제거되면서, 잉곳의 생산성을 향상시키는 바가 크다 하겠으나, 아직도 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다. 특히, 결정 성장 결함들을 제거하기 위한 방법으로 대부분은, 보이드(void)를 형성하는 COP(Crystal Originated Particle) 들을 제거하고, 웨이퍼의 벌크 영역에는 고밀도의 산소 결함층이 형성되도록 하는 방법들이다. 그러나, 이때에 COP를 제거하기 위하여, 보통 수소 가스 분위기 등에서 이루어지는 고온 열처리 시에, 도 1과 같이 열충격 또는 기계적인 접촉부위의 불연속점 존재 때문에 슬립이 발생하고, 5E15(ea/cm2) 이상의 고밀도 산소 석출 농도를 얻기가 쉽지 않아 도 2와 같이 BMD(Bulk Micro Defect) 발생은 있으나 무결함층(DZ:denuded zone)이 발생되지 못하는 문제가 있다. 또한, 이와 같이 발생되는 슬립은 디바이스 제조 시에 수율을 저하시키는 문제로 나타난다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자하여 제안된 것으로서, 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 성장 시에 질소 또는 탄소 등의 불순물 도핑을 하여, 게터링 능력이 향상되도록 함으로써, 잉곳의 성장 중에 발생하는 결정 성장 결함을 억제하고, 디바이스 제조 시에 요구되는 웨이퍼의 고온 열처리 과정에서 나타나는 슬립을 근본적으로 억제하며, 웨이퍼 활성 영역의 무결함상태 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역의 적절한 산소 결함층 형성이 가능하도록 하는 기술에 관한 것이다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 소정의 인상장치 내에서 쵸크랄스키 방식으로 성장되는 단결정 실리콘 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,

(a) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 또는 탄소 불순물을 소정의 양으로 도핑 하면서 잉곳을 성장시키는 단계;

(b) 상기 성장된 잉곳을 슬라이싱 하여 웨이퍼 형태로 만드는 단계;

(c) 상기 만들어진 웨이퍼를 수소와 불활성 가스 분위기 및 1100oC 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 열처리하는 단계; 및

(d) 상기 열처리된 웨이퍼를 폴리싱 및 크리닝 하는 단계를 포함한다.

또한, (a) 단계에 있어서, 상기 단결정 실리콘 잉곳에 소정의 양으로 도프되는 질소, 또는 탄소 불순물이, 1E11 내지 5E13 (atoms per cubic cm) 범위로 도프되는 것을 특징으로 하고, (c) 단계에 있어서, 상기 수소와 불활성 가스 분위기는, 수소의 비율이 70% 이내인 수소와 불활성 가스의 혼합 가스인 것을 특징으로 하며, (c) 단계에 있어서, 상기 소정의 시간은, 1분 내지 270분 범위인 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적으로 고온 열처리 후에 슬립을 보여주는 웨이퍼 사진.

도 2는 도 1에 나타난 웨이퍼의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 제조 공정의 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 웨이퍼 사진.

도 5는 본 발명에 따른 웨이퍼 단면도.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 설명한다.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 공정의 흐름도가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조는, 먼저, 소정의 인상장치 내에서 질소 또는 탄소 불순물을 도핑 하면서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는데(S100), 이때의 질소 또는 탄소의 농도는 잉곳에 도프되는 양이 1E11 내지 5E13 (atoms per cubic cm) 범위가 되도록 조절한다. 여기서, 잉곳에 도프되는 질소 또는 탄소의 농도가 일정 범위가 되도록 하는 것은, 균일한 무결함층이 형성되도록 하기 위함이며, 이 범위를 벗어나게 되면, 즉 이 범위이상으로 주입되어지는 경우, COP(Crystal Originated Particle)나 FPD(Flow Pattern Defect) 등 비정상적인 결정 결함들이 유발되어지게 되고 또한 이들을 제거하는 것이 상당히 어렵게 된다. 또한 이 범위로 이하로 주입되어지는 경우, 질소(N2)나 탄소(Carbon)의 농도가 낮음에 따라서 게터링 효과가 전혀 발생되어지지 않게 된다.

여기서, COP나 FPD는 반도체 웨이퍼 자체의 결함을 발견하기 위한 여러 가지 방법상에서 정의된 일반적인 용어로서, 그 크기가 크고 전자회로에 고장의 원인을 제공하는 중요한 결함들에 붙여진 이름이다. 반도체 웨이퍼에 전자 회로를 형성하기 위한 여러 가지 공정들을 실행하고 그 결과 얻어지는 제품이 설계된 대로 동작하려면 웨이퍼 자체에 이러한 결함이 없어야 한다.

다음에, 위와 같이 성장된 단결정 실리콘 잉곳을 슬라이싱 하여 웨이퍼 형태로 만들게 되고, 슬라이싱 시에 발생한 슬라이싱 데미지(damage)는 일정한 에칭 공정을 거치면서 제거된다(S101).

위와 같이, 슬라이싱과 에칭 단계를 거친 웨이퍼는 1100oC 이상의 고온에서 1분 내지 270분 정도 열처리되는데(S102), 이때의 혼합가스 분위기는, 수소 비율이 70% 이내가 되도록 한 수소와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기이다. 여기서, 적절한 열처리 온도 범위는, 1100oC ~ 1250oC이며, 적절한 열처리 시간은, 1분 ~ 90분이다.

열처리가 끝난 웨이퍼는, 일반적인 경우와 같이 표면을 깨끗하게 하는 폴리싱(S103)과 크리닝(S104) 등의 공정을 거쳐 디바이스용 웨이퍼로 생산된다.

위와 기술한 바와 같은, 공정 순서에 따라 제조된 웨이퍼에 대한 결과를 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4에는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단결정 실리콘 웨이퍼의 사진이 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단결정 실리콘 웨이퍼의 단면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단결정 실리콘 웨이퍼에서는, 상기와 같은 고온 열처리 후에, 기계적 결함 등이 원인이 되어 슬립으로 발전되는 현상이 발견되지 않았으며, 단지 미소한 결함만이 존재하게 되었다.

또한, 도 5의 단면도에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단결정 실리콘 웨이퍼에서는, 상기와 같은 고온 열처리 후에, 웨이퍼의 활성 영역(표면쪽)에 무결함층(DZ) 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역(웨이퍼 내부)에는 적절한 산소 결함층(BMD) 형성이 가능하다는 것을 확인하였다. 이때에 형성된, 고밀도 산소 석출 결함층의 결함 밀도는 5E15 (ea/cm2)이상으로 형성되어 디바이스 제조 공정에서 필요한 요구 조건을 만족한다.

여기서, DZ층과 BMD층은, 웨이퍼 상에 전자회로를 제작하기 위한 디바이스 제조 시에 반드시 필요한 것으로서, DZ층은 웨이퍼 상에 제작되는 전자회로가 이상적으로 동작하는데 필요한 활성영역이고, BMD층은 DZ층 밑으로 벌크영역에 존재하고, 어느 정도의 결함 형성에 의하여 적절한 저항율을 유지하여, DZ층에서 동작하는 전자회로가 여러 가지 기생용량 효과 없이 정상적으로 동작하도록 하는 영역이다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법에서는, 소정의 인상장치 내에서 쵸크랄스키 방식으로 성장된 단결정 실리콘 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 또는 탄소 불순물을 소정의 양으로 도핑 하면서 잉곳을 성장시키고, 상기 성장된 잉곳을 슬라이싱 하여 웨이퍼 형태로 만드는 공정을 거쳐, 상기 만들어진 웨이퍼를 수소와 불활성 가스 분위기 및 1100oC 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 열처리하고, 상기 열처리된 웨이퍼를 폴리싱 및 크리닝 함으로써 웨이퍼를 제조하였다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 제조방법에서는, 잉곳의 성장 중에 발생하는 결정 성장 결함을 억제하였고, 디바이스 제조 시에 요구되는 웨이퍼의 고온 열처리 과정에서 나타나는 슬립을 근본적으로 억제하였으며, 웨이퍼 활성 영역의 무결함 층 형성과 동시에 웨이퍼 벌크 영역의 적절한 산소 결함층 형성이 가능하도록 하였으므로, 웨이퍼의 품질이 향상되어, 256 메가 DRAM 급 이상의 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 고품질 웨이퍼의 생산 수율을 증가시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 소정의 인상장치 내에서 쵸크랄스키 방식으로 성장된 단결정 실리콘 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 또는 탄소 불순물을 소정의 양으로 도핑 하면서 잉곳을 성장시키는 단계;

   (b) 상기 성장된 잉곳을 슬라이싱 하여 웨이퍼 형태로 만드는 단계;

   (c) 상기 만들어진 웨이퍼를 수소와 불활성 가스 분위기 및 1100oC 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 열처리하는 단계; 및

   (d) 상기 열처리된 웨이퍼를 폴리싱 및 크리닝 하는 단계

   를 포함하는 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
2. 제 1항의 (a) 단계에 있어서,

   상기 단결정 실리콘 잉곳에 소정의 양으로 도프되는 질소, 또는 탄소 불순물이, 1E11 내지 5E13 (atoms per cubic cm) 범위로 도프되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
3. 제 1항의 (c) 단계에 있어서,

   상기 수소와 불활성 가스 분위기는, 수소의 비율이 70% 이내인 수소와 불활성 가스의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
4. 제 1항에 (c) 단계에 있어서,

   상기 소정의 시간은, 1분 내지 270분 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 제조 방법.