KR20080006013A - 실리콘 단결정의 육성 방법 및 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 단결정의 육성 방법 및 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법은, 초크랄스키법에 의해, ASTM-F121 1979에 의한 측정으로 산소 농도가 12×1017∼18×1017atoms/cm3인 실리콘 단결정을 육성하는 방법이다. 단결정을 육성하는 분위기 가스는, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스로 한다. 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 제어한다.
실리콘 단결정, 분위기 가스, 온도 구배

Description

실리콘 단결정의 육성 방법 및 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 {METHOD FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SILICON WAFER}
본 발명은, 게터링능(gettering ability)을 충분히 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도를 갖는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 및, 실리콘 웨이퍼의 소재가 되는 실리콘 단결정의 육성 방법에 관한 것으로, 특히, 직동부(直胴部)가 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)이 되는 실리콘 단결정을 수율 좋게 제조할 수 있는 실리콘 단결정의 육성 방법에 관한 것이다.
본원은, 2005년 6월 20일에 출원된 일본 특허 출원 2005-179997호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
실리콘 웨이퍼의 소재인 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 초크랄스키법(이하, 「CZ법」이라고 함)에 의한 육성 방법이 알려져 있다.
CZ법으로 제조된 실리콘 단결정에는, 디바이스의 제조 과정에서 현재화(顯在化)해지는 미세 결함, 즉 그로운-인(Grown-in) 결함이 생기는 것이 알려져 있다. 도1 은, CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 반경방향에 있어서의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 단면도이다. 도1 에 나타내는 바와 같이, CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 그로운-인(Grown-in) 결함은, 적외선 산란체 결함 또는 COP(Crystal Originated Particle) 등으로 불리는 크기가 0.1∼0.2㎛ 정도의 공공(空孔) 결함 및, 전위 클러스터로 불리는 크기가 10㎛ 정도의 미소 전위로 이루어진다.
도1 에 나타내는 실리콘 단결정에서는, 산소 유기 적층 결함(이하, 「OSF(Oxygen induced Stacking Fault)」라고 함)이 외경의 약 2/3의 영역에 링 형상으로 나타나 있다. OSF가 발생하는 OSF 발생 영역의 내측 부분에는, 적외선 산란체 결함이 105∼106개/cm3 정도 검출되는 영역(적외선 산란체 결함 발생 영역)이 있고, 외측 부분에는, 전위 클러스터가 103∼104개/cm3 정도 존재하는 영역(전위 클러스터 발생 영역)이 있다.
도2 는, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도1 은, 도2 에 있어서의 A의 위치에 상당하는 인상 속도로 육성된 실리콘 단결정의 단면도이다.
도2 에 나타내는 바와 같이, 인상 속도가 빠른 단계에서는, 결정 주변부에 링 형상의 OSF 발생 영역이 나타나고, OSF 발생 영역의 내측 부분이 적외선 산란체 결함이 다수 발생하는 적외선 산란체 결함 발생 영역으로 되어 있다. 인상 속도의 저하에 따라, OSF 발생 영역의 지름이 점차 작아져 OSF 발생 영역의 외측 부분에 전위 클러스터가 발생하는 전위 클러스터 발생 영역이 나타나고, 결국에는 OSF 발생 영역이 소멸하여, 전면(全面)에 전위 클러스터 발생 영역이 나타난다.
또한, 링 형상의 OSF 발생 영역에 접하는 외측에는, 산소 석출물(BMD: Bulk Micro Defect)을 형성시킬 수 있는 산소 석출 촉진 영역(PV 영역)이 있고, 산소 석 출 촉진 영역과 전위 클러스터 발생 영역과의 사이에 산소 석출을 일으키지 않는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)이 있다. 산소 석출 촉진 영역(PV 영역), 산소 석출 억제 영역(PI 영역), 링 형상의 OSF 발생 영역은, 모두 그로운-인(Grown-in) 결함이 극히 적은 무결함 영역이다.
적외선 산란체 결함이 검출되는 실리콘 단결정은, 전위 클러스터가 검출되는 실리콘 단결정과 비교하여 디바이스로의 악영향이 작고, 인상 속도를 빠르게 할 수 있기 때문에 생산성이 우수하다. 그러나, 근년의 집적 회로의 미세화에 따라, 적외선 산란체 결함에 의한 산화막 내압성의 저하가 지적되어, 적외선 산란체 결함도 전위 클러스터도 검출되지 않는 무결함 영역으로 이루어지는 고품질인 실리콘 단결정이 요구되고 있다.
무결함 영역으로 이루어지는 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 예를 들면, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 실리콘 단결정을 육성하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1: 국제 공개 WO2004/083496호 팜플렛). 도3 은, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도3 에 나타내는 바와 같이, (Gc≥Ge)가 되는 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치로, 도3 에 나타내는 B 내지 C의 범위의 인상 속도로 육성하면, 고액 계면 근 방에서의 결정측의 온도 구배(G)가 제어되어, 웨이퍼면 전면에 걸쳐서 균일한 무결함 영역이 되는 실리콘 단결정이 얻어진다. 또한, 무결함 결정을 인상할 수 있는 인상 속도 범위(도3 에서는 B 내지 C의 범위)를 무결함 결정의 인상 속도 마진(margin)이라고 한다.
또한, 특허 문헌 1에는, (Gc≥Ge)가 되는 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 인상로(爐) 내에 수소를 첨가함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 하는 기술이 제안되고 있다. 도4 는, 도3 과 동일한 (Gc≥Ge)가 되는 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하고, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
단결정을 육성하는 분위기 가스를 불활성 가스와 수소와의 혼합 가스로 한 경우, 수소에 의해 격자간 원자에 기인하는 전위 클러스터의 발생이 억제되기 때문에, 무결함 영역이 인상 속도의 저속측으로 이행한다. 따라서, 인상로 내에 수소를 첨가하지 않은 도3 에 나타내는 예와 비교하여, 도4 에 나타내는 바와 같이, 무결함 결정을 인상할 수 있는 최저 인상 속도가 늦어지고, 무결함 결정을 인상할 수 있는 인상 속도 범위(무결함 결정의 인상 속도 마진(도4 에서는 D 내지 E의 범위))가 커진다.
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 설명)
그러나, 특허 문헌 1에 있어서, 인상로 내에 수소를 첨가함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 한 경우라도, 무결함 결정의 인상 속도 마진의 폭이 불충분하기 때문에, OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역 중에서 선택되는 1개의 영역으로 이루어지는 실리콘 단결정을 육성하고 싶은 경우에, OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역이 혼재하기 쉬운 것이 문제가 되고 있었다.
OSF 발생 영역은, 전술한 바와 같이, 적외선 산란체 결함도 전위 클러스터도 검출되지 않는 무결함 영역이지만, 산소 농도가 높은 경우에는 산소 석출물의 2차 결함인 OSF가 현재화하여, 디바이스 특성에 악영향을 주는 경우가 있다. 이 때문에, 무결함 영역으로 이루어지는 실리콘 단결정을 육성하는 경우, OSF가 현재화하지 않도록 산소 농도를 12×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979) 이하의 낮은 농도로 하지 않으면 안되었다. 그러나, 실리콘 단결정의 산소 농도를 12×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979) 이하의 낮은 농도로 한 경우, 게터링능을 충분히 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도를 갖는 실리콘 웨이퍼가 얻어지지 않는 경우가 있다.
또한, 실리콘 단결정 중에 PV 영역과 PI 영역이 혼재하면, 육성된 실리콘 단결정으로부터 채취된 실리콘 웨이퍼의 면내에 있어서의 산소 석출물의 밀도, 사이즈, DZ 폭 등의 산소 석출 특성이 균일하지 않게 되는 경우가 있다. 즉, 웨이퍼내에 PV 영역과 PI 영역이 혼재하면, 디바이스 프로세스에서의 산소 석출물의 분포가 불균일하게 되어, 게터링능이 강한 부분과 약한 부분이 혼재하게 된다. 또한, 디바이스의 표층 근방의 활성 영역은, 적외선 산란체 결함이나 전위 클러스터뿐만 아니라, 산소 석출물이나 그 2차 결함인 OSF나 펀치 아웃 전위 등이 프리(free)일 필요가 있지만, 이와 같은 결함이 존재하지 않는 영역의 폭, 즉 DZ 폭이 웨이퍼 면내에서 불균일하게 된다. 게터링능(IG능)이나 DZ 폭이 불균일하게 분포하고 있으면, 디바이스 특성이 불균일하여, 수율의 저하를 초래한다.
무결함 결정 내에 OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역이 혼재하는 것에 의한 전술한 문제를 해결하기 위해서는, 무결함 결정의 인상 속도 마진(도4 에서는 D 내지 E의 범위) 중, 각각의 영역만의 인상 속도 마진으로 실리콘 단결정을 육성하는 것이 고려된다. 그러나, OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역의 모두를 포함해도 좁은 무결함 결정의 인상 속도 마진이 더욱 좁아져 버리기 때문에, 공업 생산적으로 안정적으로 제조하는 것은 곤란했다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 게터링능을 충분하게 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도를 갖는 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 직동부가 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 실리콘 단결정을 수율 좋게 제조할 수 있는 실리콘 단결정의 육성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법은, 초크랄스키법에 의해 산소 농도가 12×1017∼18×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 단결정을 육성하는 분위기 가스는, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스로 하고, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 제어한다. 이 단결정의 육성 방법에 의해, 상기 과제는 해결된다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 방법으로 해도 좋다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 산소 농도가 13×1017∼16×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 방법으로 해도 좋다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 산소 농도가 14×1017∼15×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 방법으로 해도 좋다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간이, 80∼180분인 방법으로 해도 좋다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 하는 방법으로 해도 좋다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 실리콘 단결정의 직동부를, 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 하는 방법으로 해도 좋다.
상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 실리콘 단결정의 직동부를, 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 하는 방법으로 해도 좋다.
본 발명의 실리콘 웨이퍼의 제조 방법은, 상기의 어느 하나에 기재된 실리콘 단결정의 육성 방법에 의해 육성된 실리콘 단결정의 직동부로부터 채취된 것으로서, 산소 석출물 밀도가 1×104∼1×106개/cm2인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실리콘 웨이퍼는, 상기의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에서는, 단결정을 육성하는 분위기 가스를, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스 등, 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함하는 가스로 하고, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축 방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 제어하기 때문에, 후술하는 바와 같이, 무결함 결정의 인상 속도 마진이 넓어진다.
이 때문에, OSF 발생 영역과, PV 영역 및 PI 영역과의 혼재를 회피하는 인상 속도 마진에서의 실리콘 단결정의 육성이 가능해진다. 그 결과, OSF가 현재화하지 않도록 산소 농도를 12×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979) 이하의 낮은 농도로 할 필요가 없어져서, 산소 농도가 12×1017∼18×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.
이하에 본 발명의 원리에 대하여 설명한다.
육성중의 장치 내에서는, 불활성 가스 분위기 중에 포함되는 수소의 분압에 비례한 수소가, 실리콘 융액중에 녹아들어가 응고하는 실리콘 결정중에 분배된다.
실리콘 융액중의 수소 농도는, 헨리(Henry)의 법칙으로부터 기상(氣相)중의 수소 분압에 의존하여 정해지며,
PH2 = kCLH2로 나타난다.
여기서, PH2는 분위기 중의 수소 분압, CLH2는 실리콘 융액 중의 수소 농도, k는 양자(兩者)간의 계수이다.
한편, 실리콘 단결정 중의 농도는, 실리콘 융액중의 농도와 편석(偏析)과의 관계로 정해지며,
CSH2 = k'CLH2 = (k'/k)PH2로 나타난다.
여기서, CSH2는 결정 중의 수소 농도, k'는 수소의 실리콘 융액-결정간의 편석 계수이다.
이상에서, 수소를 포함하는 불활성 가스 분위기 중에서 육성할 때, 응고 직후의 실리콘 단결정 중의 수소 농도는, 분위기 중의 수소 분압을 제어함으로써 결정의 축방향으로 일정하게 소망하는 농도로 제어할 수 있다. 이 수소 분압은 수소 농도와 로(爐) 내 압력에 의해 제어할 수 있다.
또한, 그로운-인 결함의 형성에 영향을 미친 수소의 대부분은, 그 후의 냉각의 과정에서 실리콘 단결정 외로 일산(逸散)한다.
단결정을 육성하는 분위기 가스를, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스로 하면, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 할 수 있다. 또한, 불활성 가스 분위기 중에 포함되는 수소의 분압을 조정함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진 중, 각각의 영역만의 인상 속도 마진을 효과적으로 크게 할 수 있다.
도5 는, 분위기 중의 수소 분압과 V/G와의 관계를 나타낸 그래프이다. 인상중의 단결정 내부의 온도 분포는, 핫 존 구조가 동일하면 인상 속도가 변화해도 거의 변화하지 않기 때문에, 도5 에 나타낸 V/G의 변화는, 인상 속도의 변화에 대응한다. 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 중의 수소 분압의 증가에 따라, 무결함 결정이 얻어지는 인상 속도는 저하되고 있지만, 무결함 결정의 인상 속도 마진은 커지고 있다.
또한, OSF 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 좁아지고 있다. PI 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 대폭으로 확대된다. 또한, PV 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 넓어지거나 좁아지거나 하고 있지만, 수소 분압이 100∼250Pa일 때에 인상 속도 마진이 커지고 있다.
도5 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 효과적으로 크게 할 수 있다. 이 때문에, 전면(全面)이 무결함 결정인 대구경(大口徑)의 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 또한, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정과, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정의 구분 제작이 용이하게 된다.
또한, 수소 분자 분압을 40Pa 미만으로 한 경우, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 하는 효과가 충분히 얻어지지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 수소 분자 분압이 400Pa을 초과하는 경우, 수소 결함으로 불리는 거대 공동(空洞) 결함이 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 400Pa 이하로 함으로써, 가령, 실리콘 단결정의 육성 장치내로 리크(leak)하여 공기가 유입했다고 해도, 수소가 연소하는 일 없이 안전하게 조업하는 것이 가능하다.
또한, 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼160Pa(도5 에서는 I의 범위)로 함으로써, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 수소 분자 분압이 160Pa을 초과하는 경우, PI 영역이 혼재하기 쉬워져, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 육성하기 어렵게 된다. PV 영역은 산소 석출물을 형성하기 쉽고, PV 영역으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼에서는, 예를 들면, 표면에 소위 DZ(Denuded Zone)층 형성 처리를 행했을 때에, 내부에 게터링 작용을 갖는 BMD를 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 160∼400Pa(도5 에서는 Ⅱ의 범위)로 함으로써, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 또한, OSF 발생 영역을 축소시킬 수 있기 때문에, 산소 농도를 높게 한 무결함 결정으로 이루어지는 웨이퍼가 용이하게 제조할 수 있게 된다. 수소 분자 분압을 160Pa 미만으로 한 경우, PV 영역이 혼재하기 쉽게 되어, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 육성하기 어렵게 된다.
또한, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어하기 때문에, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 보다 효과적으로 크게 할 수 있다.
도6 은, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.3℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이며, 도7 은, 도6 과 동일한 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하고, 또한, 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조는, 예를 들면, 응고 직후의 단결정의 주위를 둘러싸는 열차폐체의 치수나 위치를 개량함과 아울러, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각 수단에 의해 냉각함으로써 얻어진다.
도6 및 도7 에 나타내는 실리콘 단결정의 육성에 이용한 핫 존 구조에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간이, 180분 이하가 된다.
예를 들면, 도1 및 도2 를 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예는, 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않는 핫 존 구조를 이용하여 육성된 것이다. 이러한 핫 존 구조에서는, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)보다 작아지고(Gc<Ge), 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간은, 180분을 초과하는 시간이 된다. 또한, 도3 을 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간은, 80∼180분이 된다.
육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간은, 실리콘 단결정 중에서 OSF핵이 성장하는 온도 영역이다. 도6 에 나타내는 실리콘 단결정의 육성예에서는, 도2 및 도3 에 나타내는 예와 비교하여, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간이 짧기 때문에, 실리콘 단결정 중에서의 OSF핵의 성장이 억제되어, 무결함 결정의 인상 속도 마진이 커진다.
또한, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용함으로써, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)가 커지고, V/G를 변경하는 일이 없이 인상 속도(V)를 크게 할 수 있어, 무결함 결정을 인상할 수 있는 최저 인상 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기의 방법으로 육성함으로써, 실리콘 단결정을 인상할 때에 있어서의 V/G의 제어성(制御性)을 향상시킬 수 있다.
이러한 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용함으로써, PV 영역과 OSF 발생 영역과의 사이에서 형성되는 경계면에 있어서, 도6 에 나타내는 바와 같이 중앙부가 결정축방향으로 볼록하게 되어 있는 부분 m의 육성에 상당하는 속도를 fpD로 하고, 도6 에 나타내는 바와 같이 링 형상으로 볼록하게 되어 있는 부분(결정의 반경방향에서 결정 중심과 최외부와의 중간 위치에서 결정축방향으로 볼록 형상을 이루는 부분) n의 육성에 상당하는 속도를 fpR로 하면,
(fpD-fpR)/fpD×100=±20(%)가 되도록 제어할 수 있다.
또한, 도7 에 나타내는 바와 같이 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급한 경우, 분위기 가스를 불활성 가스로 한 도6 에 나타내는 예와 비교하여, 무결함 결정의 인상 속도 마진(도6 에서는 F 내지 G의 범위, 도7 에서는 F 내지 G의 범위)를 크게 할 수 있다.
또한, 도7 에 나타내는 바와 같이, 상기의 방법으로 육성함으로써, 산소 석출 촉진 영역(PV 영역)의 인상 속도 마진 및 산소 석출 억제 영역(PI 영역)의 인상 속도 마진(도7 에서는 H 내지 G의 범위)이 커지기 때문에, 웨이퍼면 전면에 걸쳐서 PV 영역이 되는 실리콘 단결정이나, 웨이퍼면 전면에 걸쳐서 PI 영역이 되는 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, OSF 발생 영역과, PV 영역 및 PI 영역과의 혼재를 회피하는 인상 속도 마진에서의 실리콘 단결정의 육성이 가능해지기 때문에, 산소 농도가 12×1017∼18×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 실리콘 단결정을 제조할 수 있고, 육성된 실리콘 단결정의 직동부로부터 채취된 것을 이용함으로써, 게터링능을 충분히 확보할 수 있는, 산소 석출물 밀도가 1×104∼1×106개/cm2인 실리콘 웨이퍼를 얻는 것이 가능해진다.
산소 농도가 12×1017atoms/cm3미만이면, 육성된 실리콘 단결정으로부터 채취된 실리콘 웨이퍼에서는 게터링능을 충분히 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도가 얻어지지 않을 우려가 생긴다. 또한, 18×1017atoms/cm3을 초과하는 산소 농도이면, 육성된 실리콘 단결정으로부터 채취된 실리콘 웨이퍼에 OSF가 석출되는 우려가 생긴다.
또한, 산소 농도의 조정은, 도가니의 회전수나 로 내 압력, 히터 등을 조정함으로써 행할 수 있고, 본 발명에 있어서, 산소 농도가 13×1017∼16×1017atoms/cm3, 보다 바람직하게는 14×1017∼15×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 실리콘 단결정을 제조함으로써, 보다 한층 우수한 게터링능을 갖는 실리콘 웨이퍼를 얻는 것이 가능해진다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서, 수소 원자 함유 물질의 기체는, 수소 가스로 해도 좋다. 또한 예를 들면, H20, CH4, HCl 등의 수소 원자를 포함하는 무기 화합물이나, 실란 가스, CH4, C2H2 등의 탄화 수소, 알코올, 카르복실산 등의 수소 원자를 포함하는 각종 물질의 기체로부터 선택되는 1종 또는 복수의 가스를 이용해도 좋다.
또한, 수소 원자 함유 물질의 기체로서 수소 가스를 이용하는 경우에는, 시판의 수소 가스봄베(Gasbombe), 수소 가스 저장 탱크, 수소 흡장(吸藏) 합금에 수소를 흡장시킨 수소 탱크 등으로부터 전용의 배관을 통하여 인상로내에 공급해도 좋다.
또한, 불활성 가스(희(希)가스)로서는, Ar, He, Ne, Kr, Xe으로부터 선택되는 1종 또는 복수의 가스를 이용해도 좋다. 통상, 저렴한 아르곤(Ar) 가스가 이용되지만, Ar 가스에 He, Ne, Kr, Xe 등의 다른 불활성 가스를 혼합한 것을 이용해도 좋다.
또한, 분위기 가스 중에 있어서의 산소 가스(O2)의 농도는, 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 환산에서의 농도를 α로 하고, 산소 가스(O2) 농도를 β로 했을 때, α-2β≥3%(체적 %)를 만족시키는 것으로 된다. 분위기 가스 중에 있어서의 산소 가스(O2)의 농도 β와, 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 환산에서의 농도 α가 상기 식을 만족시키지 않는 경우, 실리콘 단결정 중에 취입된 수소 원자에 의한 그로운-인(Grown-in) 결함의 생성을 억제하는 효과를 얻을 수 없다.
또한, 본 발명에 있어서는, 로 내압이 4∼6.7kPa(30∼50Torr)의 범위인 경우, 분위기 가스 중에는, 20 체적% 이하의 농도로 질소(N2)가 존재해도 좋다.
질소 농도가 20 체적% 을 초과하는 경우, 실리콘 단결정이 유전위화할 우려가 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 게터링능을 충분히 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도를 갖는 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도1 은 CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 지름방향에 있어서의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도2 는 실리콘 단결정의 측면부에 있어서 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않음으로써, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)보다 작아지는(Gc<Ge) 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도3 은 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각함으로써, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면 이다.
도4 는 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하고, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도5 는 분위기 중의 수소 분압과 V/G와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도6 은 Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.3℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도7 은 Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.3℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하고, 그리고, 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도8 은 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법을 실시하기에 적합한 CZ로(爐)의 종단면도이다.
도9 는 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리와 BMD 밀도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도10 은 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리와 BMD 밀도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 도가니
1a : 석영 도가니
1b : 흑연 도가니
2 : 히터
3 : 실리콘 융액
4 : 인상축
5 : 시드척(seed chuck)
6 : 단결정
7 : 열차폐체
8 : 수냉 수단
9 : 자장(磁場) 공급 장치
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명에 따른 제1 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.
도8 은, 본 실시 형태에 있어서의 실리콘 단결정의 육성 방법을 실시하기에 적합한 CZ로(爐)의 종단면도이다.
도8 에 나타내는 CZ로는, 챔버내의 중심부에 배치된 도가니(1)와, 도가니(1)의 외측에 배치된 히터(2)와, 히터(2)의 외측에 배치된 자장 공급 장치(9)를 구비하고 있다. 도가니(1)는, 내측에 실리콘 융액(3)을 수용하는 석영 도가니(1a)를 외측의 흑연 도가니(1b)로 지지하는 이중 구조이며, 페디스털(pedestal)로 불리는 지지축에 의해 회전 및 승강 구동된다.
도가니(1)의 상방에는, 원통 형상의 열차폐체(7)가 마련되어 있다. 열차폐체(7)는, 흑연으로 외각(外殼)을 만들고, 내부에 흑연 펠트(felt)를 충전한 구조이다. 열차폐체(7)의 내면은, 상단부로부터 하단부에 걸쳐서 내경이 점차 감소하는 테이퍼면으로 되어 있다. 열차폐체(7)의 상부 외면은 내면에 대응하는 테이퍼면이며, 하부 외면은, 열차폐체(7)의 두께를 하방을 향하여 점차 증가시키도록 거의 스트레이트면으로 형성되어 있다.
이 CZ로는, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 보다 바람직하게는, 1.2∼1.4, 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm, 보다 바람직하게는 3.2∼3.3℃/mm가 되는 핫 존 구조를 구비한 것이며, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간이, 80∼180분, 보다 바람직하게는 100∼150분으로 되는 것이다. 이와 같은 핫 존 구조는, 열차폐체(7) 및 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 구성된다.
열차폐체(7)는, 히터(2) 및 실리콘 융액(3)면으로부터 실리콘 단결정(6)의 측면부로의 복사열을 차단하는 것으로, 육성중의 실리콘 단결정(6)의 측면을 포위함과 아울러, 실리콘 융액(3)면을 포위하는 것이다. 열차폐체(7)의 사양예를 들면 다음과 같다.
반경 방향의 폭(W)은 예를 들면 50mm, 역원추대면(逆圓錐臺面)인 내면의 수직방향에 대한 기울기(θ)는 예를 들면 21°, 열차폐체(7)의 하단(下端)의 융액면으로부터의 높이(H1)는 예를 들면 60mm로 한다.
수냉 수단(8)은, 열차폐체(7)의 내측에 부착되어 있다. 수냉 수단(8)을 열차폐체(7)의 내측에 부착함으로써, 효과적으로 실리콘 단결정(6)의 측면부를 냉각할 수 있음과 아울러, 열차폐체(7)의 내측을 고속으로 하강하는 불활성 가스류(流)에 의해, 수냉 수단(8)으로의 SiO의 석출이 억제되게 된다.
수냉 수단(8)으로서는, 구리나 스텐레스 등으로 이루어지는 코일 형상의 통수관(通水管)이나, 통수격벽(通水隔壁)을 갖는 수냉 재킷 등을 사용할 수 있다. 수냉 수단(8)의 통수량은, 10리터/분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 수냉 수단(8)의 냉각 능력은, 수냉 수단(8)의 결정 인상 방향의 높이나 융액 표면으로부터의 설치 거리를 조정함으로써 조정 가능하며, 통수량에 따라 통수관이나 수냉 재킷의 구성을 적절히 변경할 수 있다. 또한, 수냉 수단(8)의 냉각 능력을 조정함으로써, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력이 30∼45MPa의 범위로 변화함과 아울러, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간이, 80∼180분의 범위로 변화된다.
또한, 인상하는 단결정의 직경을 Dc로 할 때, 수냉 수단(8)의 냉각용 부재는 그 내주면의 지름이 1.20Dc∼2.50Dc, 길이가 0.25Dc 이상이며, 융액 표면으로부터 냉각용 부재의 하단면까지의 거리가 0.30Dc∼0.85Dc의 범위로 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 자장 공급 장치(9)로부터 공급되는 자장의 강도는, 수평 자장(횡자장)에 있어서는 2000∼4000G, 보다 바람직하게는 2500∼3500G로 되고, 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -150∼+100mm, 보다 바람직하게는 -75∼+50mm의 범위내가 되도록 설정된다.
또한, 카스프(cusp) 자장에 있어서는, 자장 공급 장치(9)로부터 공급되는 자장의 강도가, 200∼1000G, 보다 바람직하게는 300∼700G로 되고, 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -100∼+100mm, 보다 바람직하게는 -50∼+50mm의 범위내가 되도록 설정된다.
상기의 자장의 강도로 상기의 자장 중심 높이 범위에서 자장 공급 장치(9)로부터 자장을 공급함으로써, 대류를 억제할 수 있고, 고액 계면의 형상을 바람직한 형상으로 할 수 있다.
도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여 실리콘 단결정(6)의 인상을 행하는 경우, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.2℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.3∼2.5℃/mm이며, Gc/Ge는 1.3 정도가 된다. 또한, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력은, 30∼45MPa가 된다. 이 상태는, 인상 속도를 바꾸어도 거의 변화하지 않는다.
다음으로, 도8 에 나타내는 CZ로를 이용하고, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 이용하여, 실리콘 단결정(6)의 육성을 행하는 방법에 대하여 설명한다.
(조업 조건의 설정)
먼저, 목표로 하는 결함 상태의 실리콘 단결정을 육성하기 위한 조업 조건의 설정을 행한다. 여기에서는, 조업 조건의 설정의 일 예로서, 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 무결함 결정을 육성하기 위한 조업 조건의 설정 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 수소 농도와 무결함 결정이 얻어지는 인상 속도의 허용 범위를 파악하기 위해, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 분자 분압을 예를 들면, 0, 20, 40, 160, 240, 400Pa의 혼합 비율로 하여, 각각의 조건에서 목표 직경, 예를 들면 300mm의 단결정을 육성한다.
도가니 내에 고순도 실리콘의 다결정을, 예를 들면 300kg 장입하고, 단결정의 전기 저항률을 소망하는 값, 예를 들면 10Ωcm가 되도록 p형(B, Al, Ga 등) 또는 n형(P, As, Sb 등)의 도펀트를 첨가한다. 장치 내를 아르곤 분위기에서, 감압의 1.33∼26.7kPa(10∼200torr)로 하고, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 분자 분압이 상기의 소정의 혼합 비율이 되도록 설정하여 로 내에 유입시킨다.
이어서, 자장 공급 장치(9)로부터, 예를 들면 3000G의 수평 자장을 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -75∼+50mm가 되도록 공급함과 아울러, 히터(2)에 의해 실리콘의 다결정을 가열하여 실리콘 융액(3)으로 하고, 시드척(5)에 부착한 종결정을 실리콘 융액(3)에 침지하여, 도가니(1) 및 인상축(4)을 회전시키면서 결정 인상을 행한다. 이때, 소망하는 산소 농도가 되도록, 도가니의 회전수나 로 내 압력, 히터 등을 조정한다. 결정 방위는 {100}, {111} 또는 {110}의 어느 하나로 하고, 결정 무전위화를 위한 시드 네킹(necking)을 행한 후, 숄더부를 형성시켜, 교대로 메어 목표 바디(body) 지름으로 한다.
그리고, 바디 길이가, 예를 들면 300mm에 달한 시점에서, 인상 속도를 임계 속도보다도 충분히 큰, 예를 들면 1.0mm/min로 조정하고, 그 후 인상 길이에 따라 거의 직선적으로 인상 속도를 저하시키고, 바디 길이가 예를 들면 600mm에 달했을 때에 임계 속도보다도 작은, 예를 들면 0.3mm/min가 되도록 하고, 그 후는 이 인상 속도로, 예를 들면 1600mm까지 바디부를 육성하고, 통상 조건에서 테일링(tailing)을 행한 후, 결정 성장을 종료한다.
이와 같이 하여, 다른 수소 농도로 육성된 단결정을 인상축을 따라 종분할하여, 인상축 근방을 포함하는 판형상 시편을 제작하고, 그로운-인(Grown-in) 결함의 분포를 관찰하기 위해, Cu 데코레이션을 행한다. 먼저, 각각의 시편을 황산구리 수용액에 침지한 후 자연 건조하여, 질소 분위기 중에서 900℃로, 20분 정도의 열처리를 행한다. 그 후, 시편 표층의 Cu 실리사이드층을 제거하기 위해, HF/HNO3 혼합 용액중에 침지하여, 표층 수십 미크론(micron)을 에칭 제거한 후, X선 토포그라프(topograph)법에 의해 OSF 링의 위치나 각 결함 영역의 분포를 조사한다. 또한, 이 슬라이스 편(片)의 COP의 밀도를, 예를 들면 OPP법, 전위 클러스터의 밀도를 예를 들면, Secco 에칭법으로 각각 조사한다.
상기와 같은 인상 실험에 의해, 적외선 산란체 결함 발생 영역, OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역, 전위 클러스터 발생 영역의 각 결함 영역의 V/G와 수소 농도와의 관계가 얻어진다. 또한, 인상 속도를 변화시키는 위치를, 300mm 에서부터 600mm, 500mm 에서부터 800mm 및, 700mm 에서부터 1000mm와 같이 다른 부위에서 수 개소 실시함으로써, 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 무결함 결정의 인상 속도 마진과 결정축방향 위치와의 관계가 구해지고, 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 무결함 결정을 얻기 위한 조업 조건의 설정이 가능해진다.
(실리콘 단결정의 육성)
다음으로, 도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 이용하여, 전술한 방법에 의해 설정된 적절한 조업 조건에서, 직동부가 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 무결함 영역인 실리콘 단결정(6)의 육성을 행한다.
이와 같이 하여 실리콘 단결정이 육성되면, 통상의 가공 방법에 따라 ID 소(saw) 또는 와이어 소(wire saw) 등의 절단 장치로 슬라이스하여, 모따기, 래핑(lapping), 에칭, 연마 등의 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼로 가공한다. 또한, 이들의 공정의 외에도 세정 등 여러가지의 공정이 있고, 공정순의 변경, 생략 등 목적에 따라 적절한 공정은 변경 사용된다.
이와 같이 하여 얻어진 웨이퍼에 RTA 처리를 행함으로써, DZ층 형성에 있어서의 산소 외측 확산을 위한 고온으로 장시간의 열처리를 행하는 일 없이, 게터링능을 충분히 확보할 수 있는 1×104∼1×106개/cm2의 산소 석출물 밀도, 사이즈를 갖고, 디바이스 활성 영역을 완전히 무결함으로 할 수 있는 충분한 DZ 폭을 웨이퍼의 면내에서 균일하게 할 수 있는 우수한 웨이퍼로 할 수 있다.
본 실시 형태의 실리콘 단결정의 육성 방법에 의하면, 단결정을 육성하는 분 위기 가스를, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스로 하고, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 제어하기 때문에, 무결함 결정의 인상 속도 마진이 넓어진다. 이 때문에, OSF 발생 영역과, PV 영역 및 PI 영역과의 혼재를 회피하는 인상 속도 마진에서의 실리콘 단결정의 육성이 가능해진다. 그 결과, OSF가 현재화하지 않도록 산소 농도를 12×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979) 이하의 낮은 농도로 할 필요가 없어져, 산소 농도가 12×1017∼18×1017atoms/cm3(ASTM-F121 1979)인 실리콘 단결정(6)을 제조할 수 있다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각한 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은, 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 경우에만 한정되는 것은 아니며, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각할 수 있다면 다른 어떠한 수단을 이용하여 냉각해도 좋다.
(실시예)
본 발명을 검증하기 위해 이하에 나타내는 실험을 행하였다.
(실험예 1∼실험예 3)
본 발명의 실시예로서, 이하에 나타내는 핫 존 구조 1을 갖는 결정 육성 장 치를 이용하여, 전술한 방법에 의해 설정된 조업 조건에서, 도가니 내에 고순도 실리콘의 다결정을 300Kg 장입하고, 분위기 가스로서, 아르곤 가스 중에 수소 가스를 수소 분자 분압이 240Pa이 되도록 혼합한 혼합 가스를 이용하여, 외경 300mm, 바디 길이 1600mm, 표1 에 나타내는 산소 농도의 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
실험예 산소 농도 (×1017atoms/cm3) OSF 농도(개/cm2) 결정 영역
1 13∼14 14 PV 영역+PI 영역
2 13∼14 0 PI 영역
3 14∼15 0 PI 영역
(핫 존 구조 1)
도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여, 수냉 수단(8)의 냉각 능력을, 치수가 내경 600mm, 높이 200mm로 하고, 그 하면이 융액 표면으로부터 150mm가 되도록 설치함과 아울러, 자장 공급 장치(9)로부터 3000G의 수평 자장을 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 0mm 정도가 되도록 공급하고, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.2℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.2℃/mm이며, Gc/Ge가 1.3이 되는 핫 존 구조로 했다.
(실험예 4, 실험예 5)
다음으로 비교예로서, 이하에 나타내는 핫 존 구조 2를 갖는 결정 육성 장치를 이용하여, 도가니 내에 실험예 1과 동일한 고순도 실리콘의 다결정을 300Kg 장입하고, 분위기 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 외경 300mm, 바디 길이 1600mm, 표2 에 나타내는 산소 농도의 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
실험예 (비교예) 산소 농도 (×1017atoms/cm3) OSF 농도(개/cm2) 결정 영역
4 11.5∼12.5 70 OSF 영역+PV 영역 +PI 영역
5 13∼14 >1000 OSF 영역+PV 영역 +PI 영역
(핫 존 구조 2)
수냉 수단(8) 및 열차폐체(7)가 없는 CZ로를 이용하여, 핫 존 구조 1과 동일하게 하여 수평 자장을 공급하고, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 2.8℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.5℃/mm이며, Gc/Ge가 1.1이 되는 핫 존 구조로 했다.
이와 같이 하여 얻어진 실험예 1∼실험예 5의 실리콘 단결정을 슬라이스하여 얻어진 실리콘 웨이퍼에 1000℃, 16시간의 열처리를 행하여, 에치 피트법(etch pit)으로 OSF 농도의 측정을 행하였다. 그 결과를 표1 및 표2 에 나타낸다.
또한, OSF 농도의 측정은, 1000℃, 90분의 평가용 열처리를 행한 후, 불산(弗酸)과 순수(純水)의 혼합액으로 산화막을 제거한 후, 세코(Secco) 에치에 의해 웨이퍼 표면에 나타나 있는 OSF를 선택적으로 에칭하여 현재화시켜, 광학 현미경에 의해 OSF 밀도를 계측하는 에치 피트법에 의해 구했다.
또한, 전술한 열처리 후의 실험예 1∼실험예 5 각각의 실리콘 웨이퍼에 대하여, 실리콘 웨이퍼의 내부에 형성된 BMD 밀도를 측정하여, 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리와 BMD 밀도와의 관계를 조사했다. 그 결과를 도9, 도10 에 나타낸다.
또한, BMD의 밀도는, 열처리 후의 실리콘 웨이퍼에 산화 분위기로 1000℃/16hr의 추가 열처리를 행함으로써 석출물을 성장시키고, 웨이퍼가 벽개(cleavage) 후에 웨이트 에칭(라이트 에칭)을 2 미크론 실시하여, 벽개 단면인 웨이퍼 표면의 피트를 광학 현미경(적외 산란법)으로 카운트하여 구했다.
또한, BMD 밀도와 OSF 농도의 측정의 결과로부터, 실리콘 웨이퍼의 결함 영역을 조사했다. 그 결과를 표1 및 표2 에 나타낸다.
도9 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 실험예 1에서는, 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리가 10∼70mm인 영역 및 120∼145mm인 영역의 BMD 밀도가 1×105개/cm2, 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리가 70∼120mm인 영역의 BMD 밀도가 1×104개/cm2 이상으로, 게터링능을 충분하게 확보할 수 있는 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 실험예 1에서는, OSF의 발생은 근소하였다.
또한, 실험예 1에서는, 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리가 10∼70mm인 영역 및 120∼145mm인 영역은, PV 영역이고, 실리콘 웨이퍼의 중심으로부터의 거리가 70∼120mm인 영역은, PI 영역이며, 표1 에 나타내는 바와 같이, PV 영역과 PI 영역이 혼재하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도9 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 실험예 2에서는, BMD 밀도가 1×104개/cm2 이상으로서, 실리콘 웨이퍼의 면내에서 전역에 걸쳐서 균일하며, 게터링능을 충분하게 확보할 수 있는 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 실험예 2는, OSF의 발생은 없고, PI 영역만으로 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도9 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 실험예 3에서는, BMD 밀도가 1×105개/cm2 이상으로서, 실리콘 웨이퍼의 면내에서 전역에 걸쳐서 균일하며, 우수한 게터링능을 확보할 수 있는 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 실험예 3은, OSF의 발생은 없고, PI 영역만으로 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
이에 대하여, 도10 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 비교예인 실험예 4에서는, BMD 밀도가 1×104개/cm2 정도로서, 본 발명의 실시예인 실험예 1∼실험예 3과 비교하여, 실리콘 웨이퍼의 면내에서의 불균일이 컸다. 또한, 실험예 4에서는, 표2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 실험예 1∼실험예 3보다도 산소 농도를 낮게 했음에도 불구하고, OSF가 다수 관찰되었다.
또한, 실험예 4에서는, 표2 에 나타내는 바와 같이, OSF 영역, PV 영역, PI 영역이 혼재하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도10 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 비교예인 실험예 5에서는, BMD 밀도가 1×105개/cm2 정도이었지만, 표2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 실험예 1 및 실험예 2와 동일한 산소 농도로 했음에도 불구하고, OSF가 검출 한계를 초과하여 매우 다수 관찰되었다.
또한, 실험예 5에서는, 표2 에 나타내는 바와 같이, OSF 영역, PV 영역, PI 영역이 혼재하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 의하면, 게터링능을 충분히 확보할 수 있는 산소 석출물 밀도를 갖는 산소 석출 촉진 영역(PV 영역) 및/또는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼를 공업 생산에 적합한 제조 효율로 안정적으로 제조할 수 있다. 본 발명의 방법으로 제조된 게터링능이 균일한 웨이퍼를 이용하면, 디바이스 제조 공정에서의 디바이스 특성의 불균일을 억제하여, 높은 수율로 디바이스 제조를 행할 수 있다.

Claims (9)

  1. 초크랄스키법에 의해, ASTM-F121 1979에 의한 측정으로 산소 농도가, 12×1017∼18×1017atoms/cm3인 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서,
    상기 단결정을 육성하는 분위기 가스가 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함하고,
    융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 제어하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    ASTM-F121 1979에 의한 측정으로, 상기 산소 농도가 13×1017∼16×1017atoms/cm3인 실리콘 단결정의 육성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간이, 80∼180분인 실리콘 단결정의 육성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분위기 가스 중에 있어서의 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 단결정의 직동부를, 산소 석출 촉진 영역, 또는 산소 석출 억제 영역, 또는 산소 석출 촉진 영역 및 산소 석출 억제 영역으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 단결정의 직동부를, 산소 석출 억제 영역으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  8. 제1항∼제7항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정의 육성 방법에 의해 육성된 실리콘 단결정의 직동부로부터 채취된 것으로서, 산소 석출물 밀도가 1×104∼1×106개/cm2인 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
  9. 제8항에 기재된 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 의해 제조된 실리콘 웨이퍼.
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