KR20070091141A - 단결정의 제조방법 및 어닐 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

Abstract

쵸크랄스키법에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 내의 원료융액으로부터 복수개의 단결정을 인상하는 멀티 풀링법으로서, 원료 융액(4)으로부터 단결정(3)을 인상한 후, 히터(7) 전원을 끄지 않고 나머지 원료 융액(4)에 다결정 원료를 추가 투입하여 융해 한 후, 다음 단결정(3)을 인상하고, 이것을 반복하여 복수의 단결정(3)의 인상을 실시하는 단결정 제조방법에 있어서, 단결정(3)의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)와 고액 계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배(G)와의 비율을 V/G로 하는 경우, 각각의 인상 단결정(3)의 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 위하여, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 상기 인상 속도(V) 등의 인상조건을 단결정을 인상하기 전에, 사전에 수정을 가하여, 원하는 결함영역을 갖는 단결정(3)을 육성하는 단결정 제조방법. 이것에 의해, 원하는 품질의 웨이퍼 제품을 대량으로, 동시에 안정적이면서 저 비용으로 제조하기 위한 단결정 제조방법이 제공된다.

실리콘, 단결정, 멀티풀링, 인상조건, 결함영역

Description

단결정의 제조방법 및 어닐 웨이퍼의 제조방법{Process for Producing Single Crystal and Process for Producing Annealed Wafer}

본 발명은 메모리나 CPU 등 반도체소자의 기판으로서 이용되는 실리콘 웨이퍼 등을 절출하는 실리콘 등의 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 반도체집적회로에는 그 집적도가 현저하게 향상하고, 성능·신뢰성·제품 수율이 높은 집적회로를 얻기 위해서는, 기계적인 정밀도 및 전기적인 특성 모두에 대해 보다 우수한 것이 요구되고 있다. 이에 따라 반도체집적회로 등의 디바이스를 제작하기 위해서 이용되는 실리콘 웨이퍼의 품질에 대해, 보다 엄격한 조건이 부과되게 되고, 결정 품질이 보다 뛰어난 실리콘 웨이퍼를 제조하는 것이 요구되게 되었다. 또한, 반도체집적회로의 세계적 파급과 수요 확대에 따라, 실리콘 웨이퍼는 다양한 형태로 고품질인 것이 대량으로, 동시에 안정적으로 요구되기에 이르렀다.

실리콘 웨이퍼를 실리콘 등의 반도체의 다결정 재료로부터 얻는 방법으로서, 다결정 재료를 도가니 내에서 일단 융해하고, 종결정을 원료 융액으로부터 인상하여 실리콘단결정을 얻는 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하 CZ법으로 생략한다. 인상법이라고도 한다.) 이 있다.

이 CZ법에 따라 육성된 실리콘단결정이 슬라이스되어 래핑, 면취, 연마 등을 실시함으로써, 실리콘 웨이퍼가 제작된다. 이 실리콘 웨이퍼의 품질을 향상시키는 방법 중에, 산화막 내압 특성이나 디바이스의 특성을 악화시키는 단결정 성장 기인의 Grown－in 결함의 밀도와 사이즈를 저감시키는 방법이 있지만, 먼저, Grown－in 결함의 형성에 대해서 설명한다.

단결정 성장 기인의 Grown－in 결함의 원인이 되는 점결함에는, 원자 공공 형태의 점결함인 Vacancy와 격자간 실리콘 형태의 점결함인 Interstitial이 있다. 이 점결함의 포화 농도는 온도의 함수로, 단결정 육성중의 온도 저하에 따라, 과포화 상태가 된다. 이 과포화 상태에서는 대소멸(對消滅)이나 외방 확산·경사(坂 道)확산 등이 일어나고, 과포화 상태를 완화하는 방향으로 진행된다. 그 결과, Vacancy이거나 Interstitial의 한쪽이 우세한 과포화 점결함으로서 남는다. 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)와 고액 계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배(G)와의 비 Ⅴ／G가 크면 Vacancy가 과잉 상태로 되기 쉽고, 반대로 V/G가 작으면 Interstltial이 과잉상태로 되기 쉬운 것이 알려져 있다. 이 과잉농도가 어느 정도 이상이 되면, 이들이 응집하여 단결정 성장중에 이들 점결함의 2차 결함인 Grown－in 결함이 형성된다. Vacancy가 우세한 경우, 2차 결함인 Grown-in 결함으로는 COP나 FPD등으로 관찰되는 보이드 결함이나 산화 처리 후에 OSF로서 관찰되는 결함 등이 알려져 있고, 산화막 특성을 열화시킨다.

한편, Interstitial이 우세한 경우, 전위루프 등으로서 관찰되는 2차 결함인 Grown－in 결함을 형성하고, 리크 등의 중대한 불량을 일으킬 수 있다.

이들 Grown－in 결함이 발생하지 않도록 컨트롤하는 기술로, 일본 특개평8－3 30316호 공보, 일본 특개평 11－79889호 공보 등에 개시되어 있는 무결함 결정의 제조 기술이 있지만, 과잉 점결함의 농도를 가능한 한 낮게 하기 위해, 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)와 고액 계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배 G와의 비 Ⅴ／G를 매우 한정된 범위로 컨트롤하고 있다. 따라서 인상 속도(Ⅴ)의 범위가 매우 좁은 범위로 한정되고, 실제로는 불량품 등이 많이 발생하여 제품수율·생산성을 크게 저하시키는 것이었다. 그래서, 일본 특개평11-147786호 공보에는, CZ법에서의 제어폭을 넓게 개선하여 제어하기 쉬운 성장 조건하에서 실리콘단결정을 제조하면서, 결정결함을 줄이는 기술을 제공하고 있다.

그러나, 이들 기술에 의해서도, 소수의 단결정 제조장치에서, 연속하여 많은 실리콘단결정을 제조했을 경우, 동일한 조건으로 인상한 것이 분명한 실리콘단결정의 품질에 편차(불균일)가 생기기 때문에, 고품질의 실리콘 웨이퍼가 대량으로 동시에 안정적으로 요구되는 현 웨이퍼 제품의 수요에 저비용으로 대응하는 것은 곤란하다. 이러한 실리콘단결정의 품질 불량이 생기는 원인에는 다음의 것이 있다.

단결정의 고액 계면 근방에서의 인상 축방향의 결정 온도구배(G)는 단결정 제조장치내에 도입되는 히터나 열실드 등(HZ：Hot Zone)으로 구성되는 열환경에 의해 결정된다. 하지만, 시간의 경과와 함께 원료인 실리콘과 석영 도가니에서 발생하는 산소가 반응하여 형성되는 실리콘산화물이 단결정 제조장치의 챔버 등의 저온부에 부착된다. 챔버부는 방사열을 흡수하고 있는 부분으로, 이것이 산화물로 덮이면 열흡수력이 약해져 G가 작아져 버리는 경향이 있다. 따라서 시간의 경과에 따라 G의 저하가 발생하면, Ⅴ／G가 증대하고, Grown －in 결함 사이즈의 증대와 같은 결과가 되고, 인상되는 실리콘단결정의 품질에 불량이 생기게 되는 것이다.

따라서, 일본 특개2003－327494호 공보에는, 단결정의 넥크부의 제작에 소비한 히터 전력의 평균치를 산출하고, 이것에 근거하여, 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)를 수정함으로써, 장치의 개체차이나, 제조되는 실리콘단결정의 배치 마다의, 히터 등의 열화에 의해 생기는 시계열적 변동 인자에 대응하는 기술을 제공하고 있다. 그러나, 단결정 육성중의 G는 서서히 작아지기 때문에, 원하는 품질의 실리콘단결정을 대량으로 동시에 안정적으로 제조하는 경우, 단결정의 내크부의 제작에 소비한 히터 전력의 평균치에 근거해 직동부에서의 인상 속도(Ⅴ)를 일률적으로 일정량 수정하는 것만으로는 불충분하였다.

또한, 이상과 같은 단결정 육성 단계만으로의 제어로, 고품질의 무결함 웨이퍼를 얻는 것은 상기와 같이 곤란하고 매우 고비용이 되기 때문에, 단결정 성장을 제어하기 쉬운 저비용인 조건으로 실시하고, 실리콘단결정으로부터 절출한 후의 웨이퍼에 고온 열처리 등을 행하여, 웨이퍼 표면 근방의 결함을 소멸 또는 원하는 결함밀도로 제어하는 경우가 많다. 그 특징을 가장 잘 살린 웨이퍼가 표면 무결함층(Denuded Zone, DZ)를 갖는 웨이퍼이며, 그 우위성은 거의 증명되어 있다.

실리콘단결정으로부터 절출한 후의 실리콘 웨이퍼를 처리함으로써 표면 근방을 무결함화하는 것으로서, (a) 실리콘 웨이퍼를 고온으로 열처리하는 것으로 표층에 무결함층을 형성하는 어닐 웨이퍼(일본 특개2002－184779호 공보), (b) 실리콘 웨이퍼를 서브스트레이트로서 사용하고 그 위에 무결함층을 에피택셜 성장시키는 에피 웨이퍼가 있다. 일반적으로, 이것들에 사용되는 실리콘 웨이퍼에는 결정 성장시에 형성되는 Grown-in 결함이 존재한다. 이 중에서, 에피 웨이퍼는 고비용이기 때문에 제조비용면에서 어닐 웨이퍼가 우위이지만, 어닐용의 웨이퍼 특징으로서 매우 중요한 것은 열처리에 의해 표층 근방의 결함이 소멸 또는 원하는 결함 밀도로 제어하기 쉽도록 Grown－in 결함의 사이즈가 작아 쉽게 사라지는 상황이 되어 있는 것으로, 그러기 위해서는, 단결정 육성 단계에서 Ⅴ／G를 어느 정도 작게 하고, 동시에 V/G의 편차를 작게 제어하는 것이 필요하다.

즉, 상기와 같이 Ⅴ／G에 의해 최종적으로 우세가 되는 점결함의 종류가 변화하고, V/G가 클 때는 Vacancy, 작을 때는 Interstitial인 것을 나타냈지만, Va cancy 영역안에서도 Ⅴ／G의 수치가 작은 것이 최종적으로 도입되는 Vacancy 농도가 적게 된다. 도입되는 Vacancy 농도가 적으면, 이것이 응집하여 형성되는 Grown－in 결함의 사이즈도 작아진다. 그러나,Ⅴ／G가 작아지는 방향은 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)가 작아지는 방향이기도 하기 때문에, 일반적으로 비용이 비싸지는 방향이다. 따라서, 웨이퍼를 제작한 후에 실시하는 열처리에 의해 결함을 소멸시킬 수 있는 최대한의 Ⅴ／G를 이용하는 것이 비용을 억제하는 열쇠가 된다. 이 값은 열처리 조건에 의존하는 것이다.

또한, 단결정 육성시에 질소를 도프하는 것에 의해서도 Grown－in 결함 사이즈를 작게 할 수 있는 것이 알려져 있으며, 어닐용의 웨이퍼는 단결정 육성시에 질소가 도프되는 것이 많다. 게다가, 어닐을 실시할 때에, 표면 결함을 소멸 또는 원하는 결함밀도로 제어시키는 것과 동시에 웨이퍼 내부에 내부 미소 결함(Bulk Micro Defects, 이하 BMD라 한다)을 형성하는 것으로, 디바이스 공정에서의 중금속 오염물질을 포획하는 능력(게터링 능력)을 갖게 하는 경우가 있다.

이 BMD를 형성할 때에도 질소 도프의 경우가 쉽게 형성되는 것이 알려져 있다. 따라서, 어닐용의 웨이퍼를 절출하기 위해서 육성하는 결정에 질소를 도프하는 것은 Grown－in 결함을 작게 하고, BMD를 형성하기 쉽게 한다는 2점에서 메리트가 있다(일본 특개 2002－353225호 공보). 하지만, 질소를 도프한 어닐 웨이퍼용의 실리콘단결정 육성에는 질소 농도가 편석에 의해 정해지기 때문에, 결정축 방향의 질소 농도가 다르다. 또한 동일한 질소 농도라도 G의 차이에 의해 Grown－in 결함의 형성에 미치는 영향이 다르므로, 질소를 도프하여 품질이 균일한 것을 대량으로, 동시에 안정적으로 얻기에는 큰 곤란이 따른다.

도프된 질소의 농도나, 저항제어용 인이나 붕소 등의 도펀트의 편석에 의한 저항값의 변동 등을 일정 범위내로 억제하고, CZ법으로 동일한 품질의 단결정 봉을 대량으로 얻는 방법으로서 멀티 풀링(multipulling)법이 있다. 여기서, 멀티 풀링법이란, 단결정을 인상한 후, 히터 전원을 끄지 않고 나머지 실리콘 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고, 다음의 단결정을 인상, 이것을 반복하여 복수의 단결정을 인상하는 방법을 말한다(국제 공개 제W002/014587호 팜플렛).

이에 따라, 1 배치로 동일 품질의 결정봉을 완전히 동일한 조건에서 몇 개라도 인상할 수 있어, 균일한 것을 대량으로 얻을 수 있기 때문에, 상기 곤란을 극복하기 위한 이용가치가 있다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점에 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 원하는 품질의 웨이퍼 제품을 대량으로, 동시에 안정적으로 저비용으로 제조하기 위한 단결정 제조방법과 이것을 이용한 어닐 웨이퍼의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 쵸크랄스키법에 따라 챔버 내에서 동일한 도가니내의 원료융액으로부터 복수개의 단결정을 인상하는 멀티 풀링법으로, 원료 융액으로부터 단결정을 인상한 후, 히터 전원을 끄지 않고 나머지 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 후, 다음의 단결정을 인상하고, 이것을 반복하여 복수의 단결정 인상을 실시하는 단결정 제조방법에 있어서, 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)와 고액계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배(G)와의 비율을Ⅴ／G로 하였을 경우, 각각의 인상 단결정의 Ⅴ／G를 소정값로 제어하기 위해, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 적어도 상기 인상 속도 (V), 상기 챔버내에 도입하는 불활성 가스의 유량, 상기 챔버안의 압력, 상기 원료 융액의 융액면과 상기 챔버 안에서 상기 원료 융액면에 대향 배치된 차열 부재와의 거리중 어느 하나 이상의 인상 조건을 단결정 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가하여, 원하는 결함 영역을 가지는 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법이 제공된다.

이와 같이, 단시간에 많은 단결정을 얻을 수 있는 저비용인 멀티 풀링법을 이용하여 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 단결정의Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 때문에 인상 속도(V) 등의 인상 조건을 단결정의 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가함으로써 원하는 품질의 단결정을 대량으로, 동시에 안정적으로 저비용으로 제조할 수 있다. 조업 개시로부터의 경과시간으로서, 예를 들어, 히터 전원을 켠 후의 경과시간을 기준으로 할 수가 있고, 각각의 인상 단결정의 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 때문에 경과시간에 따라 인상 속도(Ⅴ) 등의 인상 조건으로 수정을 가함으로써, 동일 배치 내에서의 조업 시간의 경과에 수반하는 결정 온도구배(G)의 저하 등에 유연하게 대응할 수가 있고, 원하는 품질의 단결정을 육성할 수가 있다.

이때, 상기 인상하는 복수개의 단결정 중, 적어도 2개 이상의 동일 품종의 단결정을 인상하는 경우에, 상기 Ⅴ／G가 동일한 소정값이 되도록 해당 단결정의 인상이 몇번째인지에 따라, 각각의 단결정의 상기 인상 조건을 단결정의 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 단결정 인상이 몇번째인지에 따라, 상기 인상 조건을 단결정의 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가해 상기 Ⅴ／G를 소정값으로 하는 방법은 인상 조건의 설정 방법이 간소하고, 저비용으로 실시할 수가 있다.

또한, 상기 인상 조건의 수정은 상기 각 인상 조건의 패턴을 경과시간에 근거하여 미리 복수 준비해 두고, 경과시간에 따라서 해당 인상 단결정의 최적인 인상 조건의 패턴을 선택하여 실시하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 인상 조건의 수정은 각 인상 조건의 패턴을 경과시간에 근거하여 미리 복수 준비해 두고, 경과시간에 따라 최적인 인상조건의 패턴을 선택하는 방법이 간단하면서 확실하고, 저비용으로 실시하는 것이 가능하다.

또한, 상기 단결정에 질소를 도프한 실리콘단결정을 인상할 수 있다.

본 발명은 단결정에 질소를 도프함으로써 발생하는 시간 경과에 따른 V/G의 편차에 대해서, 특히 효과적으로 억제할 수가 있으므로, 단결정에 질소를 도프함으로써, Grown-in 결함을 작게 하고, BMD를 형성하기 쉽게 한 균일하고 고품질의 질소 도프 어닐 웨이퍼를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 이러한 단결정의 제조방법으로 제조된 실리콘단결정으로부터 실리콘 웨이퍼를 절출하고, 수소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스인 비산화성 분위기에서 1100℃~1400℃, 5min~600min의 열처리를 행하는 것으로 어닐 웨이퍼를 제조하는 것을 특징으로 하는 어닐 웨이퍼의 제조방법이 제공된다.

이와 같이 실리콘 웨이퍼를 절출하여 열처리를 함으로써, 웨이퍼 표면의 Gr own－in 결함을 소멸시켜 BMD를 형성시킬 수 있다. 열처리 온도를 1100℃이상으로 하고, 열처리 시간을 5min 이상으로 함에 따라 웨이퍼 표면 근방에서의 Grown－in 결함의 소멸 효과를 높게 유지할 수가 있고, 열처리 온도를 1400℃이하로 하고, 열처리 시간을 600min 이하로 함에 따라, 열처리에 의한 웨이퍼 제품에의 금속오염이나 열처리로의 내구성 문제, 및 처리시간이 길어지는 것 등에 의해 생기는 비용을 작게 할 수 있다. 열처리 온도와 열처리 시간은 열처리하는 웨이퍼 상태에 따라 필요한 Grown－in 결함의 소멸 효과와 열처리에 필요한 비용을 고려함으로써, 최적인 조건을 선택할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 복수의 요인이 관계되기 때문에 단순일률적인 인상 조건의 수정으로는 불충분한, 질소 도프 어닐용의 실리콘단결정의 품질을 균일하게 하는 경우에 있어서 특히 유효하다.

그리고, 본 발명에 따르면, 상기 어닐 웨이퍼는 표면으로부터 깊이 5μm까지의 표면 근방에서 20nm이상 사이즈의 표면 근방 결함의 평균 밀도가 20/cm²이하이고, 결정축 방향에서의 상기 어닐 웨이퍼 표면에서 깊이 5μm까지의 표면 근방에서 20nm이상 사이즈의 표면 근방 결함의 밀도의 편차(σ)가 평균값의 100%이하가 되는 것으로 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 인상한 실리콘단결정에서 절출된 웨이퍼를 열처리하여 얻을 수 있는 웨이퍼 제품의 표면 근방 결함의 편차를 일정한 규격내로 정확하게 제어하는 것이 가능하다. 게다가 본 발명에 따르면, 하나의 단결정으로부터 얻어지는 결정축 방향에서의 어닐 웨이퍼의 표면 근방 결함 밀도의 불규칙뿐만 아니라, 동일 멀티 풀링법으로 얻어진 다른 단결정으로부터 얻어진 웨이퍼 제품도 포함한 어닐 웨이퍼의 표면 근방 결함의 밀도 편차를, 일정한 규격내로 정확하게 제어할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따라, 웨이퍼 제품의 제품수율, 생산성을 향상시킬 수 있고, 품질이 일정한 웨이퍼 제품의 수요 증대에 저비용으로 대응할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 단결정 제조장치의 개략도이다.

도 2는 실시예 1에서 사용한 단결정의 인상 속도(Ⅴ)의 패턴이다.

도 3은 실시예 1에서 얻어진 웨이퍼의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도의 결정축 방향 분포를 나타낸 도면이다.

도 4는 실시예 1에서 얻어진 웨이퍼의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도 분포를 나타낸 히스토그램 도면이다.

도 5는 실시예 2에서 얻어진 웨이퍼의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도의 결정축 방향 분포를 나타낸 도면이다.

도 6은 비교예 1에서 얻어진 웨이퍼의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도의 결정축 방향 분포를 나타낸 도면이다.

도 7은 비교예 1에서 얻어진 웨이퍼의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도 분포를 나타낸 히스토그램 도면이다.

도 8은 불활성가스 유량과 결정 온도구배(G)와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 9는 챔버 안의 압력과 결정 온도구배(G)와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 10은 원료 융액의 융액면과 상기 원료 융액면에 대향 배치된 차열 부재와의 거리와 결정 온도구배(G)와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

본 발명자들은 동일 품질의 단결정 봉을 대량으로 얻기 위해, 멀티 풀링법으로, 동일 배치내에서 동일한 인상 조건으로 Ⅴ／G를 제어하여 동일 품종의 결정을 복수개 인상하였다. 그런데, 얻어진 각 결정 봉의 품질이 최근 요구되는 균일성을 반드시 만족하지 않은 것을 발견하였다. 즉, 예를 들어 멀티 풀링법으로, 1개의 단결정 봉을 인상한 후, 도가니내에 원료를 추가하고, 완전히 같은 융액량으로 되돌 려 다음 단결정 봉을 인상하는 경우, 동일한 품종의 결정을 인상한다면, 완전히 동일한 조건으로 Ⅴ／G를 제어하여 단결정을 인상하는 것이 상식이었다.

그런데, 이렇게 하여 인상된 실리콘단결정을 절출하여 웨이퍼를 제작하고, 예를 들어 아르곤 분위기에서 1200℃로 1시간의 열처리를 실시하고, 표면 근방의 결함밀도 측정 장치： MO601 미츠이 금속사 제품으로 웨이퍼 전면에 걸치는 표면 근방(표면으로부터 깊이 약 5μm까지)에서의 20nm이상 사이즈의 결함의 평균 밀도를 구한 결과, 편차가 커 요구되는 규격내에 들지 않는 것이 나오는 것을 알 수 있었다. 이것은 완전히 동일한 인상 조건으로 단결정을 인상해 있는 것으로부터,Ⅴ／G도 동일하게 된다고 가정하고 있었던 것에 오류가 있고, 복수개의 단결정 봉 사이에 실제 Ⅴ／G 값에 상위가 있는 것에 의한 것인 것을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명자들은 멀티 풀링법에 있어서 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 인상 조건을 단결정의 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가함으로써, 현실의 복수의 단결정 봉의 Ⅴ／G를 소정값으로 할 수가 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 쵸크랄스키법에 따라 챔버 안에서 동일한 도가니 내의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는데, 우선, 도 1에 의해 사용하는 단결정 제조장치의 개략에 대하여 설명한다.

이 단결정 제조장치는, 메인챔버(1) 내부에는 흑연 도가니(6)에 삽입된 석영 도가니(5)가 회전축을 통해 설치되어, 모터에 의해 원하는 회전 속도로 회전된다. 흑연 도가니(6)를 둘러싸도록 히터(7)이 설치되어 있고, 히터(7)에 의해, 석영 도가니(5) 내에 수용된 원료 실리콘 다결정이 용해되어 원료 융액(4)이 된다. 또한, 단열부재(8)가 설치되고 있고, 히터(7)로부터의 복사열이 메인챔버(1) 등의 금속성 기구에 직접 닿는 것을 막아 주고 있다. 원료 융액(4)의 융액면상에는 차열 부재(12)가 융액면에 소정간격으로 대향 배치되어 원료 융액면으로부터의 복사열을 차단하고 있다.

이 도가니안에 종결정을 침적한 후, 원료 융액(4)으로부터 봉 상태의 단결정 (3)이 인상된다. 도가니는 결정 성장 축방향으로 승강 가능하고, 단결정의 성장이 진행하여 감소한 원료 융액(4)의 액면 하강분을 보충하도록, 성장중에 도가니를 상승시킴으로써, 원료 융액(4)의 융액면 높이는 항상 일정하게 유지된다.

또한, 단결정 육성시에 퍼지 가스로서 아르곤 가스 등의 불활성가스가 가스 도입구(10)로부터 도입되어 인상 중의 단결정(3)과 가스 정류통(11)과의 사이를 통과한 후, 차열부재(12)와 원료 융액(4)의 융액면과의 사이를 통과하고, 가스유출 구(9)로 유출된다. 도입되는 가스의 유량과 펌프나 밸브에 의한 가스 배출량을 제어하는 것으로써, 인상중의 챔버내 압력이 제어된다. 또한, 원료 융액(4)의 융 액면과 차열부재(12) 간 거리는, 도가니를 결정 성장 축에 의한 액면 저하 분과는 다른 속도로 밀어 올림으로써, 원료 융액면의 높이를 결정 성장 축방향으로 상승·하강시키거나 또는 구동 수단에 의해 가스 정류통(11)을 승강시켜 차열부재(12)의 위치를 상하로 이동시킨다거나 하는 것에 의해, 용이하고 고정밀도로 변경시킬 수가 있다.

이 단결정 제조장치에 따라, 동일한 도가니 내의 원료융액(4)으로부터 복수개의 실리콘단결정을 인상하는 멀티 풀링법을 실시한다.

구체적으로는, 원료 융액(4)으로부터 실리콘단결정을 인상한 후, 히터(7)의 전원을 끄지 않고 나머지 원료 융액(4)에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해하여 원래 융액량으로 되돌린 후, 다음 실리콘단결정을 인상하고, 이것을 반복하여 복수의 실리콘단결정 인상을 실시한다.

이때, 각각의 인상 단결정의 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 위하여, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 인상 조건을 단결정을 인상하기 전에, 사전에 수정을 가해 원하는 결함 영역을 갖는 실리콘단결정을 육성한다. 여기서, 조업 개시 기준시간은 예를 들어, 히터(7)에 의한 가열 개시시로 할 수 있다.

여기서 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 저하해 버리는 결정 온도구배(G)의 저하분에 따라 다음 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)를 저하시켜 V/G를 소정값으로 제어할 수 있다. 특히 실리콘단결정 육성중에 결정이 유전위화한 경우는 히터(7)로 공급하는 전력을 증가시키고, 이때까지 성장한 결정을 융액에 침적시켜 재용융할 필요가 있어, 조업 개시로부터 소정 실리콘단결정의 인상 종료까지의 예정 시간에 어긋남이 생기는 경우가 있지만, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라, 인상 속도(Ⅴ)를 수정하여 Ⅴ／G를 소정값으로 제어함으로써, 대응할 수 있다.

또한, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 저하하려고 하는 G를 아르곤 가스 등의 불활성가스의 유량이나, 챔버내 압력, 원료융액(4)의 융액면과 상기 챔버내에 서 상기 원료 융액면에 대향 배치된 차열부재(12)와의 거리 등의 인상 속도(Ⅴ) 이외의 인상 조건에 수정을 가하는 것으로, G를 소정값으로 유지하는 것을 통하여 Ⅴ／G를 소정값으로 유지하고, 원하는 결함 영역을 갖는 단결정을 육성하는 것이 가능하다.

또한, 조업개시로부터의 경과시간에 따라 인상 속도(Ⅴ), 불활성가스 유량, 챔버 안의 압력, 및 원료 융액(4)의 융액면과 차열 부재(12)와의 거리중 어느 2개 이상의 인상 조건을 조합하고, 경과시간에 따라 Ⅴ／G를 소정값으로 제어함으로써, 원하는 결함 영역을 갖는 단결정의 품질 정밀도를 올리는 것도 가능해진다.

인상하는 복수의 단결정 중, 적어도 2개 이상의 동일한 품종의 단결정을 인상하는 경우에는 Ⅴ／G가 동일한 소정값이 되도록, 해당 단결정의 인상이 몇번째가 되는지에 따라서, 각각의 단결정의 상기 인상 조건에 수정을 가하는 것이 가능하고, 이에 따라 인상 조건의 수정이 간이화되어 비용 삭감이 된다. 이러한 간단하고 쉬운 방법에 의해서도, 종래와 같이 일률적으로 같은 조건으로 인상하는 경우보다 현격히 단결정 품질의 균일성을 높일 수가 있다.

상기 인상 조건의 수정은 상기 각 인상 조건의 패턴을 경과시간에 근거하여 미리 복수 준비해 두고, 경과시간에 따라 해당 인상 단결정의 최적인 인상조건의 패턴을 선택하여 실시하는 것이 간단하고 확실하고, 저비용이다. 예를 들어, 미리, 실험 등을 통해서, 경과시간에 근거하여 복수의 패턴을 컴퓨터 등의 안에 입력해 두고, 경과시간에 따라 해당 인상 단결정의 최적인 인상 조건의 패턴을 프로그램실행 등에 의해 선택함으로써, Ⅴ／G가 소정값이 되도록 제어한다.

여기서, 각 조건의 Ⅴ／G와의 관계는 장치마다 계산 혹은 실측할 수 있으므로 경과시간에 따라 각 조건을 미리 구한 Ⅴ／G와의 관계에 근거하여 수정할 수 있다. 도 8 ~ 도 10에 일례로서, 챔버내로 도입하는 불활성가스의 유량, 챔버내 압력, 원료 융액의 융액면과 상기 원료 융액면에 대향 배치된 차열부재와의 거리와 결정 온도구배(G)와의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다.

상기와 같이, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 이들 조건에 수정을 가하는 것에 의해 결정 온도구배(G)를 제어하는 것을 통해 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하고, 원하는 결함 영역을 갖는 단결정을 육성함으로써, 품질의 정밀도를 올리는 것이 가능하다. 또한, 인상 속도(V)를 가능한 한 크게 해 두는 한편, 경과시간에 따른 상기 조건 중 적어도 하나에 수정을 가해 결정 온도구배(G)를 제어하는 것에 의해, Ⅴ／G를 소정값으로 제어함에 따라, 원하는 결함 영역을 갖고, 품질이 일정한 실리콘단결정을 보다 저비용으로, 보다 대량으로, 동시에 안정적으로 생산할 수 있게 된다.

상기와 같은 인상 조건으로 육성된 단결정은 균질한 결함 사이즈를 가지고 있고, 이 단결정으로부터 절출한 웨이퍼에 수소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스인 비산화성 분위기로 1100℃~1400℃, 5 min~600 min라는 열처리를, 상기 웨이퍼 상태에 따라 필요하게 되는 Grown－in 결함의 소멸 효과를 고려하여 실시한다. 또한 열처리 시간 및 열처리 온도의 상한값은 열처리에 의한 웨이퍼 제품에의 금속오염이나 열처리로의 내구성 문제, 및 배치시간이 길어지는 것 등에 의해 생기는 비용이 고려되어 설정된 참고값이며, 열처리 시간 및 열처리 온도의 하한값은 Grown－in 결함의 소멸 효과를 고려한 참고값이다.

이때, 어닐 웨이퍼의 표면 근방 결함의 밀도가 원하는 밀도에 대해서 빗나갔을 경우는 표면 근방 결함의 밀도 레벨 및 조업 개시로부터의 경과시간을 고려하여, 챔버내로 도입하는 불활성가스의 유량, 챔버내 압력, 원료 융액의 융액면과 상기 원료 융액면에 대향 배치된 차열 부재와의 거리 중, 어느 하나 이상의 인상 조건에 수정을 가함으로써, 경과시간에 따른 최적의 조업 조건으로 변경한다.

이에 따라, 표면 근방에서의 표면 근방 결함의 밀도의 편차(σ)를 평균값의 100%이하로 억제한 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다. 그 결과, 제조 시간의 경과에 관계없이 제품의 표면 근방 결함 밀도의 편차를 일정한 규격 내로 정확하게 제어 하는 것이 가능해지고, 웨이퍼 제품의 제품수율, 생산성을 향상시킬 수가 있다. 이와 같이, 본 발명은 멀티 풀링에 의해 1 배치로 품질이 일정하게 된 제품을 대량으로 제조할 수 있으므로, 복수의 요인이 관계되기 때문에 단순일률적인 인상 조건의 수정으로는 불충분한 질소 도프 어닐용 실리콘단결정에 있어 특히 유효이다. (실시예 1)

도 1에 나타낸 단결정 제조장치에 직경 55cm인 도가니를 구비하고, CZ법을 이용해 직경 20cm인 실리콘단결정을 육성하기 위해, 먼저, 도가니에 실리콘 다결정 원료를 120kg장입하고, 육성하는 실리콘단결정의 질소 농도가 3×10¹³atoms/cm³가 되도록 질소를 도프하였다. 그리고, 실리콘 다결정 원료를 히터 가열에 의해 용융 하고, 직동부가 100cm이고, 직경이 20cm인 실리콘단결정을 육성하였다.

이어, 1 번째를 인상 단결정과 동일 중량인 원료 다결정을 도가니에 추가 장입하고 멀티 풀링법으로 동일 품종의 결정 인상을 반복하였다.

이때 도 2에 나타난 바와 같이, 히터 가열을 개시하고 난 후의 시간에 따라 3개의 단결정 인상 조건을 준비하였다. 히터 가열을 개시하고 난 후의 시간이 35시간 이하(1번째)에서는 패턴(1)의 인상속도, 35시간부터 70시간(2번째)에는 패턴(2)의 인상 속도, 70시간 이상(3번째)에는 패턴(3)의 인상 속도를 이용하여 실리콘단결정을 육성했다. 이들 실리콘단결정으로부터 절출함으로써, 웨이퍼를 제작하여 아르곤 분위기에서 1200℃, 1시간의 열처리를 실시하고, 표면 근방의 결함밀도 측정 장치：MO601 미츠이 금속사 제품으로 웨이퍼 전면에 걸친 표면 근방(표면으로부터 깊이 약5μm까지)에서의 20nm이상인 사이즈의 표면 근방 결함의 평균 밀도를 구했다.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 패턴1(1번째), 패턴2(2번째), 패턴3(3번째)의 어느 경우에도 단결정의 길이 방향에 균질한 표면 근방 결함의 밀도를 얻을 수 있고, 또한 이들의 히스토그램을 도 4에 나타내었는데, 표면 근방 결함 밀도의 평균값이 3.85/cm², 불균일의 표준 편차는 평균값의 57%였다.

이와 같이, 본 발명에 따라 실리콘단결정의 인상 조업 개시로부터의 경과시간에 관계없이, 인상한 실리콘단결정으로부터 얻을 수 있는 웨이퍼 제품의 표면 근방 결함에서의 표면 근방 결함의 밀도 편차를 저감하여, 규격내로 정확하게 제어하는 것이 가능해졌다.

(실시예2)

다음에, 실리콘단결정 육성시에 있어서 퍼지 가스로서 가스 도입구(10)로부터 도입되어, 인상중의 단결정(3)과 가스 정류통(11)과의 사이를 통과한 후, 차열부재(12)와 원료 융액(4)의 융액면과의 사이를 통과하고, 가스유출구(9)로부터 유출되는 불활성가스인 아르곤 가스의 유량을 시간의 경과에 맞춰 변화시킨 패턴(2´)을 준비하고, 히터가열을 개시하여 35시간부터 70시간(2번째)에서 이 패턴(2´)(가스 유량을 1번째보다 15% 올림), 인상 속도는 1번째와 동일한 패턴(1)을 사용하는 것으로 하고, 그 이외의 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도가 단결정의 길이 방향을 향해 균일한 분포를 얻을 수 있고, 표면 근방 결함 밀도의 평균값이 2.65/cm², 불균일의 표준 편차(σ)는 평균값의 60%가 되고, 도 3(b)의 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수 있었다.

(비교예 1)

실시예 1에 대해서, 히터 가열을 개시하고 난 후의 시간이 35시간부터 70시간(2번째)일 때 1번째와 동일한 패턴(1)을 이용하여 단결정 육성을 실시하고, 그 이외의 조건을 실시예1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 도3(a)에 나타난 실시예 1의 패턴 1：35시간 이하나, 도 3(b)에 나타난 실시예 1의 패턴2：35시간부터 70시간과 비교하여 균일성이 손상된 것을 알 수 있다.

또한, 히터 가열을 개시하고 난 후의 시간 경과에 관계없이, 모든 실리콘단결정으로 동일한 패턴(1)을 이용하여 실리콘단결정을 육성하고, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시했을 경우의 히스토그램을 도7에 나타내었다. 그 결과, 표면 근방 결함 밀도의 평균값이 4.97/cm², 불균일의 표준 편차(σ)는 평균값의 112%이었다.

이와 같이, 실리콘단결정 제조의 조업 개시로부터의 경과시간에 따라, 인상 단결정의 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 때문에 인상 조건의 수정을 실시하지 않으면 인상한 실리콘단결정으로부터 얻어지는 웨이퍼 제품의 표면 근방에서의 표면 근방 결함 밀도의 편차가 커지게 되어, 규격 내로 제어하는 것이 곤란하다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는 단순한 예시이며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (6)

1. 쵸크랄스키법에 따라 챔버 내에서 동일한 도가니 내의 원료융액으로부터 복수개의 단결정을 인상하는 멀티 풀링법으로, 원료 융액으로부터 단결정을 인상한 후, 히터 전원을 끄지 않고 나머지 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하여 융해 한 후, 다음 단결정을 인상하고, 이것을 반복하여 복수의 단결정 인상을 실시하는 단결정 제조방법에 있어서, 단결정의 직동부를 성장시킬 때의 인상 속도(Ⅴ)와 고액 계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배(G)와의 비율을 V/G로 하는 경우, 각각의 인상 단결정의 Ⅴ／G를 소정값으로 제어하기 위하여, 조업 개시로부터의 경과시간에 따라 적어도 상기 인상 속도(V), 상기 챔버내로 도입하는 불활성가스의 유량, 상기 챔버내 압력, 상기 원료 융액의 융액면과 상기 챔버 내에서 상기 원료 융 액면에 대향 배치된 차열 부재와의 거리 중 어느 하나 이상의 인상 조건을 단결정 인상을 개시하기 전에, 사전에 수정을 가하여 원하는 결함 영역을 갖는 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 인상하는 복수개의 단결정 중, 적어도 2개 이상의 동일한 품종의 단결정을 인상하는 경우에, 상기 Ⅴ／G가 동일한 소정값이 되도록 해당 단결정의 인상이 몇번째인지에 따라, 각각의 단결정의 상기 인상 조건을 단결정의 인상을 개시 하기 전에, 사전에 수정을 가하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 인상 조건의 수정은 상기 각 인상 조건의 패턴을 경과시간에 근거하여 미리 복수 준비해 두고, 경과시간에 따라 해당 인상 단결정의 최적인 인상 조건의 패턴을 선택하여 실시하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 단결정에 질소를 도프한 실리콘단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 제조방법에 의해 제조된 실리콘단결정으로부터 실리콘 웨이퍼를 절출하여, 수소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스인 비산화성 분위기에서 1100℃~1400℃, 5min~600min의 열처리를 실시하는 것에 의해 어닐 웨이퍼를 제조하는 것을 특징으로 하는 어닐 웨이퍼의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 어닐 웨이퍼는 표면으로부터 깊이 5μm까지의 표면 근방에서 20nm이상 사이즈의 표면 근방 결함의 평균 밀도가 20/cm²이하이고, 결정축 방향에서의 상기 어닐 웨이퍼 표면에서 깊이 5μm까지의 표면 근방에서 20nm이상 사이즈의 표면 근방 결함밀도의 편차(σ)가 평균값의 100%이하가 되는 것을 특징으 로 하는 어닐 웨이퍼의 제조방법.

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