KR20050043943A - 단결정, 단결정 웨이퍼 및 에피텍셜 웨이퍼, 및 단결정 육성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 인상법에 의해 얻어진 단결정으로서, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입된 불균일 줄무늬의 간격이 제어된 것임을 특징으로 하는 단결정, 및 단결정인상법에 의하여 단결정을 육성하는 단결정 육성방법에 있어서, 단결정 육성시의 성장속도를 V(mm/min)로 하고, 결정융액의 온도변동주기를 F(min)로 하고, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도를 θ로 한 때에, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정육성방법이다.

이것에 의해, 웨이퍼 표면의 가공조건과는 다른 관점에서 나노토포로지 특성을 개선하고, 나노토포로지 특성, 특히 2mm×2mm크기의 측정에서 나노토포로지 특성이 우수한 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정, 및 그 단결정을 육성하는 단결정육성방법이 제공된다.

Description

단결정, 단결정 웨이퍼 및 에피텍셜 웨이퍼, 및 단결정 육성방법{Single Crystal, Single Crystal Wafer, Epitaxial Wafer and Method of Growing Single Crystal}

본 발명은 반도체 디바이스에 사용되는 재료에 관한 것으로서, 구체적으로는 나노토포로지(nanotopology)특성이 우수한 웨이퍼를 얻을 수 있는 단결정 및 그것을 육성하는 방법, 및 그 단결정으로부터 절출된 단결정 웨이퍼, 및 그 단결정 웨이퍼의 표면에 에피텍셜층을 형성한 에피텍셜 웨이퍼에 관한 것이다.

반도체 디바이스에 사용되는 재료의 하나로 에피텍셜 웨이퍼가 있다.

이 에피텍셜 웨이퍼는 예를 들면, 실리콘 단결정 웨이퍼위에 실리콘을 에피텍셜 성장시킨 것으로서, 그 우수한 특성으로 개별 반도체 및 바이 폴라 IC등을 제조하는 웨이퍼로서 전부터 널리 사용되어 왔다.

또한, MOS LSI에 대해서도 소프트 에러 및 래치 업 특성이 우수한 것이기 때문에, 마이크로 프로세스 유니트 및 플래쉬 메모리 디바이스에 널리 사용되고 있다.

에피텍셜 웨이퍼의 우수한 특성의 일례로서는 단결정 제조시에 도입되는, 소위 그론-인(Grown-in)결함이 에피텍셜 층에 실질적으로 존재하지 않기 때문에 DRAM의 신뢰성등의 불량이 저감한다고하는 것을 들수 있고, 그 수요는 점점 확대되고 있다.

특히, 저항율을 0.1Ω·㎝이하로 한 저 저항율 웨이퍼를 기판으로 하고, 그 위에 에피텍셜 성장된 에피텍셜 웨이퍼는 래치 업특성이 우수하고 또한 기판이 게더링능력을 구비하고 있기 때문에 점점 더 그 중요성이 높아지고 있다.

한편, 최근, 반도체 디바이스 제조공정에서는 웨이퍼상에 금속배선을 형성하고, 그 위에 절연막을 형성하고, 그 절연막을 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP)에 의해 평탄화하고, 또한 그 위에 금속산화막, 제2의 금속배선을 형성하는 경우, 상술한 웨이퍼의 연마면에 존재하는 나노토포로지라고 하는 (나노토포그라피 라고도 함)미소 에리어에서의 나노메타 오더의 요철(凹凸)이 절연막의 두께의 균일성을 상실하고, 내압불량을 일으키는 원인의 하나로서 고려되고, 디바이스 메이커에서 문제시 되어 왔다.

이 나노토 포로지란 웨이퍼 표면의 마이크로 라프니스보다 길고, 표면 평탄성보다도 짧은 주기의 표면형상을 나타내는 것으로, 파장 0.1mm∼20mm정도이고 진폭이 수nm ∼ 100nm정도의 요철인 것이다.

또한, 웨이퍼의 표면의 평탄성은 리소그라피에서의 요청에서 평탄화가 추진되고 있고, 근년의 반도체 디바이스의 고집적화에 의해 리소그라피의 선폭이 0.18㎛, 또는 그것 이상으로 미세화됨에 따라 나노토포로지가 큰 문제가 되고 있다.

더욱이, STI(Shallow Trench Isolation)을 절연막으로 매입하여 표면을 연마할 때에도 CMP 자체의 연마의 균일성 뿐만 아니라, 원래의 웨이퍼의 나노토포로지를 양호하게 하는 것이 불가결하게 되고 있다.

그 때문에, 이 나노토포로지에 대한 연구, 검토는 디바이스 메이커 뿐만 아니라 소재 메이커, 공적기관, 학계를 포함하는 각 소(所)에서 행지고 있고, 그 측정 방법 및 정량적 정의 등에 관하여, 현재 활발한 논의가 전개되고 있다.

그렇지만, 나노토포로지에 대해서는 상기와 같은 인식이 있지만, 아직 나노토포로지에 대한 측정 방법 및 정량적 정의에 관하여 완전히 통일된 공정(公定)표준규격이 결정되는 단계에는 이르지 못하고 있다.

현재 주로 행하여지고 있는 나노토포로지의 평가방법으로는 일변이 0.1mm ∼10mm정도의 정방형 또는 직경이 0.1mm에서 10mm정도의 원형의 블록범위(WINDOW SIZE등이라고도 칭함)의 영역에서, 웨이퍼 표면의 요철의 고저차(P-V치: Peak to Valley)를 평가하는 방법이 있다.

이 P-V 치는 나노토포그라피 높이등이라고도 칭한다.

나노토포그라피에 의한 반도체 웨이퍼의 평가에 있어서는 특히 웨이퍼 면내에 존재하는 요철의 최대치가 작은 것이 요망되고 있고, 통상 2mm×2mm의 정방형으로 복수의 블록 범위에 대하여 측정이 행해지고, 그 P-V치의 최대치로 평가하고, 이 P-V치의 최대치가 작으면 작을 수록 보다 품질이 우수한 웨이퍼로서 평가된다.

이와 같은 나노토포로지의 측정은 ADE사제품의 WIS-CR83-SQM 또는 NanoMapper 및 KLA-Tencor 사 제품의 Surfscan-SP1-STN, 뉴크리에이숀 사 제품의 DynaSearch, 구로다 정공사 제품의 NanoMetro등을 사용하여 행해지고 있다.

이것들의 측정장치는 모두 광학식으로 표면의 반사를 이용하여 요철의 측정을 행하고 있다.

일반적으로, 이와 같은 웨이퍼 표면의 나노토포로지에 대해서는 웨이퍼 표면의 가공공정에서 에칭조건 및 연마조건등으로 결정되는 것으로 여겨지고 있다.

그 때문에, 나노토포로지 특성의 개선은 예를 들면, 일본특개2002-141311호공보에 개시되어 있는 바와 같이, 웨이퍼 표면가공에서 CMP의 문제라고 하는 인식에서, 웨이퍼 표면의 가공조건의 검토에 의한 해결책이 주로 모색되고 있고, 웨이퍼 표면의 가공조건이외의 관점에서 그 개선을 시도하는 것은 거의 없었다.

금후(今後), 나노토포로지 특성에 대해서는 디바이스 사이즈의 미세화가 일층 진전됨에 따라 점점 더 엄격한 규격에 맞출 필요가 높아져 가고 있다.

특히, 차세대를 담당하는 재료는 최선단의 극세 리소그라피의 라인에서 사용되는 것은 명확하고, 우수한 나노토포로지 특성을 갖는 웨이퍼가 필연적으로 요구되게 되는 것은 명확하다.

따라서, 종래와 같이 웨이퍼 표면의 가공조건에서 뿐만 아니라, 다른 관점에서도 나노토포로지 특성의 개선을 도모하는 것에 의하여, 나노토포로지 특성이 매우 우수한 웨이퍼를 제조하는 것이 요구되고 있다.

도 1은 V ×F/sin θ와 나노토포로지 레벨의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 결정성장계면형상을 조사하기 위하여, X선 토포그라프에 의해 단결정의 종할((縱割)샘플을 관찰한 결과(반경부분만)를 표시하는 도면이다.

도 3은 실시예 2에서 웨이퍼의 나노토포로지를 측정한 결과를 맵상으로 나타내는 도면이다.

도 4는 비교예 1에서 웨이퍼의 나노토포로지를 측정한 결과를 맵상으로 나타내는 도면이다.

도 5는 자장강도와 결정용액의 온도변동주기의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 단결정을 육성할 때의 단결정성장계면을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 7은 단결정용액의 온도구배가 불균일줄무늬로서 단결정내에 취입된 모양을 모식적으로 나타내는 단결정의 단면도이다.

도 8은 도 7의 단결정에서 절출된 웨이퍼를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 9는 웨이퍼 표면에서 불균일 줄무늬의 간격 L을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 10은 본 발명에서 사용된 단결정육성장치의 개요도이다.

그래서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 웨이퍼 표면의 가공조건과는 다른 관점에서 나노토포로지 특성을 개선하고, 나노토포로지 특성, 특히 2mm ×2mm크기의 측정에 있어서 나노토포로지특성이 우수한 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정, 그 단결정에서 절출된 단결정 웨이퍼, 및 그 단결정 웨이퍼 표면에 에피텍셜층을 형성한 에피텍셜 웨이퍼, 및 그 단결정을 육성하는 단결정 육성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 단결정 인상법에 의해 얻어진 단결정으로서, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입된 불균일 줄무늬의 간격이 제어된 것임을 특징으로 하는 단결정이 제공된다.

본 발명자등은 웨이퍼 표면의 나노토포로지 특성이 결정성장시의 결정융액의 온도구배에 기인하여 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격에 의하여 좌우되는 것을 새롭게 발견하였다.

따라서, 상기와 같이, 단결정인상법에 의해 얻어진 단결정이 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격이 제어된 것이면, 나노토포로지 특성이 제어된 우수한 단결정 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정으로 하는 것이 가능하다.

이 때, 상기 불균일 줄무늬의 간격이 결정성장 축방향에 대하여 수직한 면내에서 1.5mm이하 또는 2.3mm이상으로 제어된 것이 바람직하다.

이와 같이, 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격이 결정성장축방향에 대하여 수직한 면내에서 1.5mm이하 또는 2.3mm이상으로 제어된 것이면, 현재 주로 측정되고 있는 2mm ×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 레벨이 매우 우수한 단결정 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정으로 하는 것이 가능하다.

더욱이, 상기 단결정이 실리콘 이고, 그 저항율이 0.1Ω·㎝이하인 것이 바람직하다.

본 발명자등은 나노토포로지 특성에 대하여 연구를 거듭한 결과, 종래의 저저항율 단결정 웨이퍼는 게더링 능력이 우수하지만, 저항율 제어를 위하여 첨가된 도펀트의 작용으로, 불균일 줄무늬의 영향에 의한 나노토포로지의 열화가 심각한 것으로 알려져 왔다.

따라서, 본 발명의 단결정이 상술한 바와 같이, 실리콘이고, 그 저항율이 0.1 Ω·㎝이하로 저저항율을 표시하는 것으로 하면, 나노토포로지의 열화를 확실하게 방지하고, 게더링능력이 우수하고 또한 나노토포로지 특성도 매우 우수한 웨이퍼를 얻을 수 있는 단결정으로 할 수 있기 때문에, 매우 유익하다.

또한, 상기 단결정 실리콘 직경이 200mm이상인 것으로 할 수 있다.

일반적으로 직경이 200mm이상인 대구경결정은 어느 정도의 고속에서의 결정성장이 곤란하고, 약간 느린속도범위에서 육성되는 일이 많다.

이 결과, 대구경 결정, 특히 직경이 200mm이상의 결정에서는 나노토포로지특성이 악화되지 않을 수 없었다.

본 발명에서는 성장속도를 어느 정도 빠르게 하는 것에 의하여 나노토포로지 특성을 개선할 수 있는 것을 알았기 때문에, 직경이 200mm이상의 단결정에서도 우수한 나노토포로지 특성을 갖는 웨이퍼가 얻어지는 것을 가능하게 할 수가 있다.

또한, 성장속도를 빠르게 하여 나노토포로지특성을 개선한다고 하는 것은 품질향상 뿐만 아니라 생산성 향상을 도모하는 것도 가능하다.

그리고, 본 발명에 의하면, 상기 본 발명의 단결정에서 절출된 것을 특징으로 하는 단결정 웨이퍼를 제공할 수 있고, 이 때, 상기 단결정 웨이퍼의 웨이퍼 전면에 있어서, 2mm×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균이 14nm이하인 것으로 할 수가 있다.

이와 같은 본 발명의 단결정 웨이퍼이면, 나노토포로지 특성이 우수한 고품질의 웨이퍼가 될 수 있고, 특히 2mm×2mm크기 나노토포로지 레벨을 웨이퍼의 전면에 걸쳐 측정할 때에, 그 최대치의 평균이 14nm 이하인 양호한 레벨이 달성된 단결정 웨이퍼가 된다.

더욱이, 본 발명에 의하면, 상기 본 발명의 단결정 웨이퍼의 표면에 에피텍셜층이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 에피텍셜웨이퍼를 제공할 수 있고, 이 때, 상기 에피텍셜 웨에퍼의 웨이퍼 전면에 있어서, 2mm×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균이 14nm이하인 것으로 할 수가 있다.

에피텍셜 웨이퍼에서 나노토포로지 특성은 기판의 나노토포로지 특성을 반영하는 것이기 때문에, 상기와 같이 본 발명의 단결정 웨이퍼를 기판으로 하여 그 표면에 에피텍셜층을 형성한 에피텍셜 웨이퍼이면, 나노토포로지 특성이 우수한 것으로 할 수가 있다.

특히, 에피텍셜 웨이퍼의 2mm×2mm크기 나노토포로지 레벨을 에피텍셜웨이퍼 전면에 걸쳐 측정한 경우, 그 최대치의 평균이 14nm이하의 양호한 레벨이 달성되는 것이 된다.

더욱이, 나노토포로지 특성이 우수한 에피텍셜 웨이퍼는 단결정 웨이퍼 표면과 에페텍셜층과의 사이에 요철에 기인한 내부응력(변형)의 발생이 적기 때문에, 에피텍셜층에 슬립·라인의 발생이 없다.

그 결과, 디바이스 제조중에 열적기계적강도에 강하고, 특히 0.1Ω·㎝이하의 저저항율단결정 웨이퍼를 기판으로 사용하면, 미스피트에 의한 높은 게더링능력도 갖는 에피텍셜 웨이퍼가 된다.

더욱이, 저저항율의 웨이퍼이면 래치 업특성도 우수하다.

또한, 본 발명에 의하면, 단결정 인상법에 의하여 단결정을 육성하는 단결정 육성방법에 있어서, 단결정 육성시의 성장속도를 V(mm/min)로 하고, 결정융액의 온도변동주기를 F(min)로 하고, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도를 θ로 한 때에, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정 육성방법을 제공할 수가 있다.

이와 같이, 단결정 인상방법에 의하여 단결정을 육성할 때에, 성장속도 V, 결정융액의 온도변동주기 F, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도 θ에 관하여, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하는 것에 의하여, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격을 적절한 크기로 제어할 수 있다.

따라서, 나노토포로지 특성을 제어한 우수한 단결정 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정을 제조할 수가 있다.

또한, V ×F/sin θ는 후술 하는 바와 같이, 결정성장축방향에 대하여 수직한 면내에서 융액의 온도변동에 기인하는 불균일 줄무늬의 간격에 상당하는 것이다.

이 때, 상기 V ×F/sin θ가 1.5mm이하 또는 2.3mm이상이 되도록 하여 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 단결정을 육성할 때에, V ×F/sin θ가 1.5mm이하 또는 2.3mm이상이 되도록 하는 것에 의하여, 2mm×2mm크기의 나노토포로지 레벨이 매우 우수한 단결정 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정을 얻을 수가 있다.

더욱이, 상기 육성된 단결정을 실리콘으로 하고, 그 저항율을 0.1Ω·㎝이하로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 의하여 육성된 단결정을 실리콘으로 하고, 그 저항율을 0.1Ω·㎝이하로 하는 것에 의하여, 저 저항율 단결정에 있어서 문제가 되는 나노토포로지의 열화를 방지하고, 우수한 게더링 능력과 우수한 나노토포로지 특성을 갖는 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정을 제조할 수가 있다.

또한, 상기 결정융액의 온도변동주기의 제어를 결정융액에 인가하는 자장강도, 도가니 회전속도, 단결정 회전속도, 도입개스유량, 결정융액량중의 어느 것이든 하나의 항목이상을 제어하는 것에 의하여 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 온도변동주기의 제어를 결정융액에 인가하는 자장강도, 도가니 회전속도, 단결정 회전속도, 도입개스유량, 결정융액량중의 어느 것이든 하나의 항목이상을 제어하는 것에 의하여, 용이하게 또한 고정도(高精度)로 온도변동주기를 제어할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단결정육성조건의 제어에 의해 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격을 제어하는 것에 의하여, 나노토포로지 특성을 개선할 수 있다.

따라서, 나노토포로지 특성, 특히 2mm×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 특성이 우수한 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정, 이 단결정에서 절출된 단결정 웨이퍼, 및 이 단결정 웨이퍼에 에피텍셜층을 형성한 에피텍셜 웨이퍼를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 에피텍셜 웨이퍼는 에피텍셜층의 막두께 균일성이 우수하고, LSI 디바이스에서 고 수율을 기대할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 실시의 형태를 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

종래, 나노토포로지 특성은 주로 웨이퍼 표면의 가공공정에서 에칭조건 및 연마조건등으로 결정되는 것으로 여겨져 왔고, 웨이퍼 표면 가공이외의 관점에서 나노토포로지 특성을 개선하는 시도가 행해진 일은 없었다.

본 발명자등은 다양한 각도에서 나노토포로지 특성의 개선을 시도하기 위하여 단결정 웨이퍼의 나노토포로지 특성에 대하여 연구를 거듭하였다.

그 결과, 단결정을 육성할 때에, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격이 나노토포로지를 측정할때의 측정영역의 크기와 가까울 때에, 단결정 웨이퍼의 나노토포로지 특성을 열화시키는 것을 발견하였다.

특히, 예를 들면, 보론 및 인등을 도프한 종래의 저저항율의 실리콘 단결정은 게더링능력이 우수하다고 하는 이점을 가지고 있지만, 저항율을 제어하는 도펀트의 양이 많기 때문에 웨이퍼의 경도가 높고, 그 결과, 이 도펀트의 농도의 불균일이 단결정의 경도차이를 일으키고, 그 단결정에서 절출된 실리콘 웨이퍼의 표면에 미소한 요철이 되어 나타나기 쉽다.

따라서, 종래의 저저항율의 실리콘 단결정은 결정성장기인의 불균일 줄무늬에 의하여 기인되는 나노토포로지의 열화가 매우 심각한 것을 알았다.

그래서, 본 발명자들은 단결정을 육성할 때에, 이 결정융액의 온도변동에 기인한 불균일 줄무늬의 간격을 일정한 범위, 즉 나노토포로지를 측정할 때의 측정영역의 크기와 다른 범위로 제어하는 것에 의하여, 웨이퍼 표면가공이외의 관점에서도 나노토포로지 특성의 개선을 도모할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명에 의하면, 단결정 인상법에 의해 얻어진 단결정으로서, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격이 제어되는 것임을 특징으로 하는 단결정이 제공된다.

더욱이, 본 발명은 상기와 같은 단결정을 육성하는 방법으로서, 단결정인상법에 의하여 단결정을 육성하는 단결정 육성방법에 있어서, 단결정 육성시의 성장속도를 V(mm/min)로 하고, 결정융액의 온도변동주기를 F(min)로 하고, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도를 θ로 한 때에, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정 육성방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 단결정육성방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 단결정육성방법에서 사용되는 단결정육성장치는 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 도 10에 나타난 바와 같은 단결정 육성장치를 사용할 수가 있다.

이하에서 도 10을 참조하면서 본 발명의 단결정 육성방법을 행하기 위한 단결정육성장치에 대하여 설명한다.

도 10의 단결정육성장치는 결정융액(4)이 충진된 석영도가니(5)와, 이것을 보호하는 흑연도가니(6)와, 이 도가니(5),(6)을 에워싸도록 배치된 가열히터(7)와 단열재(8)가 메인챔버(1)내에 설치되어 있고, 이 메인 챔버(1)의 상부에는 육성된 단결정(3)을 수용하고, 취출하기 위한 인상챔버(2)가 연접(連接)되어 있다.

이와 같은 단결정육성장치를 이용하여 단결정(3)을 육성하는 경우, 쵸크랄스키법(CZ법)에 의해, 석영도가니(5)중의 결정융액(4)에 종결정을 침적한 후, 종당김을 통하여 회전시키면서 천천히 인상하여 봉상의 단결정(3)을 성장시킨다.

한편, 도가니(5),(6)은 결정성장축방향으로 승강가능하고, 결정성장중에 결정화하여 감소한 융액의 액면하강분을 보충하도록 도가니를 상승시키고, 이것에 의하여 융액표면의 높이를 일정하게 유지하고 있다.

또한, 메인챔버(1)의 내부에서는 인상챔버(2)의 상부에 설치된 개스도입구(10)에서 아르곤 가스등의 불활성가스가 도입되고, 인상중의 단결정(3)과 가스정류통(11)과의 사이를 통과하고, 차열(遮熱)부재(12)의 하부와 융액면과의 사이를 통과하고, 가스배출구(9)에서 배출되게 된다.

더욱이, 방사온도계(도시되어 있지 않음)를 사용하여 석영 도가니(5)중의 결정융액(4)의 온도를, 그라스 창을 통하여 결정융액표면의 복사로부터 측정하고, 결정융액의 온도변동의 주기를 측정한다.

본 발명에 의하면, 이와 같이 하여 단결정을 육성할 때에, 단결정 육성시의 성장속도를 V(mm/min)로 하고, 결정융액의 온도변동주기를 F(min)로 하고, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도를 θ로 한 때에, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하여 단결정을 육성하는 것이 중요하다.

통상, 단결정을 상기와 같이 단결정인상방법에 의하여 육성할 때, 결정성장계면의 형상은 도 6에 나타난 바와 같은 위로 돌출된(凸) 형상이 되어 있기 때문에 도가니내에서의 결정융액온도의 미소한 변동이 단결정중에 취입되고, 도 7에 나타난 바와 같은 불균일 줄무늬를 발생시킨다.

이 때, 불균일 줄무늬의 간격 d는 단결정의 성장속도 V와 결정융액의 온도변동주기 F와의 적(d=V ×F)으로 표현된다.

이 도 7과 같은 불균일 줄무늬가 형성된 단결정에서 단결정 웨이퍼를 절출하면, 제조된 단결정웨이퍼에는 도 8과 같은 줄무늬가 형성되게 된다.

이 때, 웨이퍼 표면에서 불균일 줄무늬 간격을 L로 하면(도 9), 불균일 줄무늬의 간격 L은 결정성장계면의 수평면에 대한 각도 θ를 이용하여 L=d/ sin θ= V ×F / sin θ로 표현된다.

또한, 결정성장계면의 형상은 도 6과 같이 곡률을 갖고 있고, 엄밀하게 측정을 행하면, 동일 웨이퍼 표면내에서도 웨이퍼의 직경방향에서 불균일 줄무늬의 간격 L의 값이 다르게 된다.

그러나, 이 오차는 L의 값에 대하여 매우 작기 때문에, 결정성장계면의 형상에 곡률이 있어도 웨이퍼 표면전체에서 불균일 줄무늬의 간격은 L= V ×F / sin θ를 대표치로 하여 구할 수가 있다.

본 발명자등의 연구에 의하면, 상술한 바와 같이, 이 불균일 줄무늬의 간격L 이 나노토 포로지특성을 측정할 때의 측정영역의 크기와 가까운 값의 경우에, 단결정 웨이퍼의 나노토포로지 특성을 열화시키는 것이 명확하게 되었다.

따라서, 단결정을 육성할 때에, 웨이퍼면상에서의 불균일 줄무늬의 간격 L, 즉 V ×F / sin θ의 값이 나노토포로지를 측정할 때의 측정영역의 크기와 다른 범위가 되도록 단결정의 성장속도 V 및 /또는 결정융액의 온도변동주기 F를 제어하는 것에 의하여, 나노토포로지 특성의 열화를 방지할 수가 있다.

현재의 나노토포로지의 측정은 전술한 바와 같이, 주로 2mm ×2mm 크기의 영역에서 행하여지고 있다.

그 때문에, 이 2mm ×2mm 크기의 영역내에서 나노토포로지 특성을 개선하는데는 육성된 단결정에 있어서, 결정성장축방향에 대하여 수직한 면내에서 불균일 줄무늬의 간격 L, 즉 V ×F / sin θ가 2mm전후의 값이 되어 있지 않는 것이 중요하다.

특히, V ×F / sin θ가 1.5mm 이하 또는 2.3mm이상이 되도록 성장속도 V 및/또는 온도변동주기 F를 제어하여 단결정을 육성하는 것이 바람직하고, 이러한 것에 의하여 웨이퍼를 제조할 때에 14nm이하의 나노토포로지 레벨을 얻을 수 있는 것이 실험적으로 확인되었다(도 1)

또한, 상기 V ×F / sin θ의 범위는 현재 행하여지고 있는 2mm ×2mm 크기의 영역에서 나노토포로지를 측정한 때에 나노토포로지 특성의 열화를 방지하는 것으로서, 본 발명에서 V ×F / sin θ의 범위는 이것에 한정되는 것은 아니다.

즉, 나노토포로지의 측정영역이 공식적인 규격 및 기술의 진보등에 의해 장래적으로 달라지게 되는 경우, 본 발명은 그 나노토포로지의 측정영역에 따라 적절한 V ×F / sin θ의 범위를 적절히 변경할 수 있고, 그것에 의하여 나노토포로지 특성의 열화를 방지할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

이 때, 단결정의 성장속도 V의 제어는 단결정을 인상할 때 인상속도를 제어하는 것에 의하여 행하여 질 수 있다.

또 한편, 결정융액의 온도변동주기 F의 제어는 예를 들면, 결정융액에 인가하는 자장강도, 도가니회전속도, 단결정회전속도, 도입가스 유량, 결정융액량중의 어느 하나의 항목 이상을 제어하는 것에 의하여 용이하게 행할 수 있다.

특히, 온도변동주기는 결정융액에 인가하는 자장강도를 제어하는 것에 의하여 용이하게 또한 고정도로 제어할 수 있다.

실제로, 도 10에 나타난 단결정 육성장치(직경 800mm의 도가니를 장치함)를 이용하여, 320kg의 실리콘 원료를 챠지하여 이것들을 용해한 후, 실리콘 단결정을 육성하기 직전의 상태로 하여 실리콘 융액의 표면온도를 방사온도계를 사용하여 측정하였다.

이 때, 수평자장의 중심에서의 강도를 0 G에서 4000 G까지 변화시켜, 융액표면의 온도변동주기를 측정하였다.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 0 G에서 F=0.26min, 1000G에서 0.39min, 2000G에서 0.44min, 3000G에서 0.50min, 4000G에서 0.55min이 되고, 자장강도변화에 수반하여 온도변동주기도 변화하였다.

그 결과에 의해, 결정융액에 인가하는 자장강도를 제어하는 것에 의하여 결정융액의 온도변동주기를 고정도로 제어할 수 있는 것이 확인되었다.

따라서, 자기강도를 제어하는 것에 의하여, 웨이퍼면내에서의 불균일 줄무늬의 간격 L를 고정도로 제어할 수 있다.

결과로서, 나노토포로지를 대폭적으로 개선할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명의 단결정육성방법을 이용하는 것에 의하여, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격이 제어되는 단결정을 제조할 수가 있다.

이와 같은 결정성장 기인의 불균일 줄무늬의 간격이 제어된 단결정이면, 나노토포로지 특성이 우수한 단결정 웨이퍼를 절출할 수 있는 단결정으로 할 수가 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 종래와 같이 웨이퍼 표면의 가공조건을 제어할 뿐만 아니라 단결정육성조건을 제어하는 것에 의하여, 웨이퍼의 나노토포로지 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다.

더욱이, 본 발명에 의하면, 육성하는 단결정이 실리콘이고, 실리콘에 보론 및 인등을 도프하여 0.1Ω·㎝이하로 저저항율을 나타내는 것이라도, 단결정중에 취입되는 불균일 줄무늬의 간격을 제어하는 것에 의하여, 종래 저저항율의 단결정에서 특히 심각했던 나노토포로지 특성의 열화를 상기와 같이 확실하게 방지할 수 있다.

따라서, 게더링능력이 우수하고, 또한 나노토포로지 특성도 매우 우수한 웨이퍼를 얻을 수 있는 저저항율의 실리콘 단결정을 육성하는 것이 가능하게 된다.

이 때, 저항율의 하한에 대해서는 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 보론 및 인등의 도펀트를 고용한계까지 도프한 때의 단결정의 저항율이 그 하한치가 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 단결정의 직경이 200mm이상이고, 어느 정도 성장속도를 빠르게 하는 것에 의하여 나노토포로지 특성을 개선할 수 있다.

이와 같이, 성장속도를 빠르게 하여 나노토포로지 특성을 개선한다고 하는 것은 품질면 뿐만 아니라 생산성의 면에서도 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 단결정육성방법에 의하여 단결정을 육성한 후, 이 단결정을 절출하고, 종래 행하여진 바와 같은 래핑, 면취, 연마등의 공정을 실시하는 것에 의하여 단결정 웨이퍼를 제조할 수가 있다.

이와 같은 단결정 웨이퍼이면, 나노토포로지 특성이 우수한 고품질의 웨이퍼로 할 수가 있다.

특히, 2mm ×2mm 크기의 영역에서 나노토포로지 레벨을 웨이퍼 전면에 걸쳐 측정한 때에, 그 최대치의 평균이 14nm이하의 양호한 레벨이 달성된 단결정 웨이퍼가 된다.

더욱이, 이 단결정 웨이퍼의 표면에 에피텍셜층을 형성하는 것에 의하여, 에피텍셜 웨이퍼를 제조할 수가 있다.

이와 같은 에피텍셜 웨이퍼이면, 기판이 되는 단결정 웨이퍼의 나노토포로지 특성이 우수하기 때문에 에피텍셜 웨이퍼의 나노토포로지 특성도 우수한 것이 된다.

특히, 에피텍셜 웨이퍼의 2mm ×2mm 크기의 영역에서 나노토포로지 레벨을 웨이퍼 전면에 걸쳐 측정한 경우에, 그 최대치의 평균이 14nm이하의 양호한 레벨이 달성된 것이 된다.

또한, 이와 같은 나노토포로지 특성이 우수한 에피텍셜 웨이퍼는 에피텍셜층의 막두께 균일성이 우수하고, 더욱이 단결정 웨이퍼 표면과 에페텍셜층과의 사이에 요철에 기인한 내부응력(변형)의 발생이 적기 때문에, 에피텍셜층에 슬립·라인이 발생하지 않는다.

따라서, 디바이스 제조중에 열적기계적강도에 강하고, 특히 0.1Ω·㎝이하의 저저항율 단결정 웨이퍼를 기판으로 사용하는 것에 의하여, 높은 개더링능력을 갖는 것이 된다.

따라서, LSI 디바이스에서 고수율을 기대할 수가 있다.

또한, 상기 본 발명에 있어서는 결정융액의 온도변동에 관하여 온도변동주기에 초점을 맞추어 설명을 하고 있다.

그러나, 본 발명의 기본적인 발견에 기초하면, 결정융액의 온도변동폭을 작게하는 것에 의해서도 단결정 웨이퍼의 나노토포로지 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다.

이하, 실시예 및 비교예를 제시하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이하의 실시예 및 비교예에 있어서는 나노토포로지의 측정을 2mm ×2mm 크기의 영역에서 행하는 것이다.

또한, 여기서 사용된 단결정육성장치에서 동일한 직경의 실리콘 단결정을 육성하는 경우의 결정성장계면형상, 즉 결정성장계면의 수평면에 대한 각도 θ를 미리 조사하기 위하여, 이하와 같은 X선 토포그라프에 의한 관찰을 행하였다.

먼저, 성장속도 및 자장강도를 변화시키면서 단결정을 육성하고, 이 단결정을 결정성장축방향으로 슬라이스하여 종할샘플을 제작한 후, 이것에 800℃에서 4시간 + 1000℃에서 16시간의 석출열처리를 행하였다.

그 후, X선토포그라프에 의히여 열처리를 한 종할샘플을 관찰하였다.

그 관찰결과를 도 2에 나타내었다(반경부분만).

이 X 선토포그라프에 의한 관찰결과로부터, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도 θ를 구한 결과, θ=10으로 거의 변화가 없었던 것을 알 수 있었다.

(실시예 1)

먼저, 도 10에 나타난 단결정육성장치(직경 800mm의 석영도가니를 장치함)를 사용하고, 석영도가니에 실리콘 원료를 320kg의 양으로 챠지하고, 중심자장강도 4000G의 수평자장을 인가하면서, 직경 300mm이고 직동(直胴)길이 약 120cm인 실리콘 단결정을 육성하였다.

그 때, 보론을 도프하는 것에 의하여, 단결정의 저항율을 0.006∼0.009Ω·㎝가 되도록 하였다.

이 때, 도 5에 표시된 자장강도와 온도변동주기의 관계로부터 4000G의 자장강도에서의 온도변동주기는 0.55min이기 때문에, 성장속도를 0.44mm/min으로 제어하는 것으로 하고, 실시예1에서 V ×F / sin θ의 값을 V ×F / sin θ=0.44 ×0.55/ sin 10 = 1.39(mm)가 되도록 하였다.

이와 같이 하여 육성된 실리콘 단결정으로부터 실리콘 웨이퍼를 절출하고, 2mm ×2mm 크기의 영역에서 나노토포로지의 측정을 행하였다.

일반적으로, 실리콘 용액량이 많은 만큼 열대류가 강하고 온도변동도 크게 되기 때문에, 단결정 육성이 빠른 단계에서 어느 정도 용액의 온도변동에 기인하는 불균일 줄무늬가 영향을 받기 쉽다.

그 때문에, 본 실시예에서는 단결정 견부로부터 10∼15cm의 범위에서 절출한 실리콘 웨이퍼를 50매 제조하고, 이것들의 나노토포로지를 측정하였다.

그 결과, 50매의 실리콘 웨이퍼에서 2mm ×2mm 크기 영역의 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균은 13.3nm로 양호한 값이고, 나노토포로지 특성이 우수한 것을 알 수 있었다.

(실시예2)

실시예 1과 동일한 단결정육성장치를 사용하여 중심자장강도 3000G의 수평자장을 인가하면서 직경 300mm이고 직동(直胴)길이 약 120cm인 실리콘 단결정을 육성하였다.

그 때, 실시예1과 동일하게 단결정의 저항율을 0.006∼0.009Ω·㎝가 되도록 하였다.

이 때, 3000G의 자장강도에서의 온도변동주기는 0.50min이기 때문에 성장속도를 0.92mm/min으로 제어하는 것으로 하고, 실시예 2에서 V ×F / sin θ의 값을, V ×F / sin θ=0.92 ×0.50/ sin 10 = 2.65(mm)가 되도록 하였다.

이와 같이 하여 육성된 실리콘 단결정의 견부로부터 10∼15cm의 범위에서 절출한 실리콘 웨이퍼를 50매 제조하고, 그것들의 나노토포로지를 측정하였다.

그 결과, 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균은 11.4nm로 매우 양호한 값이고, 나노토포로지 특성이 매우 우수하였다.

또한, 도 3에 제작된 실리콘 웨이퍼의 나노토포로지 특성을 측정한 결과를 맵상으로 한 것을 나타낸다.

도 3에 나타난 바와 같이, 실시예2의 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 표면에 결정기인의 불균일 줄무늬가 강하게는 관찰되지 않고, 웨이퍼 표면의 요철이 작은 것을 알 수 있다.

더욱이, 이 실리콘 웨이퍼의 표면에 에피텍셜층을 형성하여 에피텍셜 웨이퍼를 제작하고, 그 나노토포로지를 측정한 결과, 상기와 거의 동등한 나노토포로지 레벨을 나타내고, 나노토포로지 특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 3)

상기와 동일한 단결정육성장치를 사용하여 자장을 인가시키지 않고 직경 300mm이고 직동(直胴)길이 약 120cm인 실리콘 단결정을 육성하였다.

그 때, 단결정의 저항율을 0.006∼0.009Ω·㎝가 되도록 하였다.

이 때, 0 G의 자장강도에서의 온도변동주기는 0.26min이기 때문에 성장속도를 0.82mm/min으로 제어하고, 실시예 3에서는 V ×F / sin θ=0.82 ×0.26/ sin 10 = 1.23(mm)가 되도록 하였다.

이와 같이 하여 육성된 실리콘 단결정의 견부로부터 10∼15cm의 범위에서 절출한 실리콘 웨이퍼를 50매 제조하고, 그것들의 나노토포로지를 측정하였다.

그 결과, 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균은 12.3nm로 양호한 값이고, 나노토포로지 특성이 우수하였다.

(비교예 1)

상기 실시예와 동일한 단결정육성장치를 사용하여 중심자장강도 4000G의 수평자장을 인가하면서, 직경 300mm이고 직동(直胴)길이 약 120cm인 실리콘 단결정을 육성하였다.

그 때, 실시예와 동일하게 단결정의 저항율을 0.006∼0.009Ω·㎝가 되도록 하였다.

이 때, 성장속도를 0.55mm/min으로 제어하고, V ×F / sin θ=0.55 ×0.55/ sin 10 = 1.74(mm)가 되도록 하였다.

이 값은 이번의 나노토포로지 측정영역이 되는 2mm에 가까운 값이다.

이와 같이 하여 육성된 실리콘 단결정의 견부로부터 10∼15cm의 범위에서 절출한 실리콘 웨이퍼를 50매 제조하고, 그것들의 나노토포로지를 측정하였다.

그 결과, 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균은 14.7nm로 큰 값을 나타내고, 나노토포로지 특성이 저하하고 있었다.

이 때, 제작된 실리콘 웨이퍼의 나노토포로지를 측정한 결과를 맵상으로 나타낸 것이 도 4이고, 웨이퍼표면에 결정성장기인의 불균일 줄무늬가 강하게 관찰되고, 웨이퍼 표면의 요철이 명확히 확인되었다.

(비교예 2)

상기와 동일한 단결정육성장치를 사용하여 중심자장강도 4000G의 수평자장을 인가하면서, 직경 300mm이고 직동(直胴)길이 약 120cm인 실리콘 단결정을 육성하였다.

그 때, 단결정의 저항율을 0.006∼0.009Ω·㎝가 되도록 하였다.

이 때, 성장속도를 0.63mm/min으로 제어하고, V ×F / sin θ=0.63 ×0.55/ sin 10 = 1.99(mm)가 되도록 하였다.

이 값은 이번의 나노토포로지 측정영역과 거의 동일한 값이다.

이와 같이 하여 육성된 실리콘 단결정의 견부로부터 10∼15cm의 범위에서 절출한 실리콘 웨이퍼를 50매 제작하고, 그것들의 나노토포로지를 측정하였다.

그 결과, 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균은 15.3nm로 매우 큰 값을 나타내어, 나노토포로지 특성이 저하하였다.

상기 실시예 1 ∼3 및 비교예 1, 2의 결과에 대하여, V ×F / sin θ를 횡축에, 측정된 나노토포로지 레벨을 종축으로 한 그라프에 플로트 한 결과를 도 1에 나타낸다.

이 도 1에서, V ×F / sin θ의 값이 2mm인 곳에서의 나노토포로지 레벨이 가장 악화되고, V ×F / sin θ값이 2mm에서 작거나 또는 크게 됨에 따라 웨이퍼의 나노토포로지 특성이 양호하게 되는 것을 알 수 있다.

게다가, V ×F / sin θ가 1.5mm이하 또는 2.3mm이상의 범위에서는 나노토포로지의 최대치의 평균이 14nm이하를 나타낸다.

또한, 실시예 2 및 실시예 3과 같이, 성장속도를 빠르게 하여 나노토포로지를 개선할 수 있는 것은 생산성 향상의 점에서도 매우 유망한 기술이다.

직경 200mm이상의 대구경의 단결정을 육성하는 경우, 고속에서의 결정성장은 어렵기 때문에, 일반적으로 결정성장속도가 다소 느린 비교예 1 및 2와 같은 속도범위에서 육성하는 일이 많다.

따라서, 실시예 2 및 3과 같이, 성장속도를 빠르게 하여 나노토포로지특성을 개선하면, 품질향상 뿐만 아니라 생산성의 향상도 도모할 수가 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

상기 실시형태는 예시이고, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용효과를 나타내는 것은 어느 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들면, 상기에서는 직경 300mm의 단결정을 육성하는 경우를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 직경 200mm, 또는 400mm이상의 대구경을 갖는 단결정을 육성하는 경우라도 동일하게 본 발명을 적용할 수가 있다.

Claims (12)

1. 단결정 인상법에 의해 얻어진 단결정으로서, 결정성장시의 결정융액의 온도변동에 기인하여 단결정중에 취입된 불균일 줄무늬의 간격이 제어된 것임을 특징으로 하는 단결정
2. 제1항에 있어서, 상기 불균일 줄무늬의 간격이 결정성장 축방향에 대하여 수직한 면내에서 1.5mm이하 또는 2.3mm이상으로 제어된 것임을 특징으로 하는 단결정
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단결정이 실리콘이고, 그 저항율이 0.1Ω·㎝이하인 것을 특징으로 하는 단결정
4. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 실리콘 직경이 200mm이상인 것을 특징으로 하는 단결정
5. 제1항 내지 제4항중의 어느 한 항에 기재된 단결정에서 절출된 것을 특징으로 하는 단결정 웨이퍼
6. 제5항에 있어서, 상기 단결정 웨이퍼의 웨이퍼 전면에 있어서, 2mm×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균이 14nm이하인 것을 특징으로 하는 단결정 웨이퍼
7. 제5항 또는 제6항에 기재된 단결정 웨이퍼의 표면에 에피텍셜층이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 에피텍셜 웨이퍼
8. 제7항에 있어서, 상기 에피텍셜 웨이퍼의 웨이퍼 전면에 있어서, 2mm×2mm크기의 영역에서 나노토포로지 레벨의 최대치의 평균이 14nm 이하인 것을 특징으로 하는 에피텍셜 웨이퍼
9. 단결정인상법에 의하여 단결정을 육성하는 단결정 육성방법에 있어서, 단결정 육성시의 성장속도를 V(mm/min)로 하고, 결정융액의 온도변동주기를 F(min)로 하고, 결정성장계면의 수평면에 대한 각도를 θ로 한 때에, V ×F/sin θ가 일정한 범위가 되도록 성장속도 및 /또는 온도변동주기를 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정육성방법
10. 제9항에 있어서, 상기 V ×F/sin θ가 1.5mm이하 또는 2.3mm이상이 되도록 하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정육성방법
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 육성하는 단결정을 실리콘으로 하고, 그 저항율을 0.1Ω·㎝이하로 하는 것을 특징으로 하는 단결정육성방법
12. 제9항에서 제11항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 결정융액의 온도변동주기의 제어를 결정융액에 인가하는 자장강도, 도가니 회전속도, 단결정 회전속도, 도입개스유량, 결정융액량중의 어느 하나의 항목 이상을 제어하는 것에 의하여 행하는 것을 특징으로 하는 단결정육성방법