KR20110134827A

KR20110134827A - 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20110134827A
Application number: KR1020110049761A
Authority: KR
Inventors: 마틴 베버; 베르너 샤힝거; 피오트르 필라
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-12-15
Also published as: DE102010023101A1; CN102277616A; US20110304081A1; JP5309190B2; DE102010023101B4; CN102277616B; US8628613B2; TWI453308B; JP2011256103A; SG177078A1; KR101381326B1; TW201144490A

Abstract

실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 도가니에서 가열된 용융물로부터 시드 결정에서 단결정을 인상하고, 단결정의 원통형 구역이 인상되는 동안에, 적어도 한 번 2 kW 이상으로 증가된 다음 다시 감소되는 화력으로, 도가니 바닥의 중심에 열을 공급하고, 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 것을 포함하는 방법이 개시된다.

Description

실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR WAFERS COMPOSED OF SILICON}

본 발명은 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에서 가열된 용융물로부터 시드 결정에서 단결정을 인상하고, 도가니 바닥의 중심에 열을 공급하고, 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.

도가니는 보통 석영과 같은 이산화규소를 함유한 재료로 구성된다. 이는 일반적으로 다결정질 실리콘으로 구성된 덩어리 및/또는 과립으로 채워지며, 이는 도가니 주변에 배치된 측면 히터의 도움으로 용융된다. 용융물의 열 안정화 단계 후에, 단결정질 시드 결정이 용융물 안으로 디핑되고 들어올려진다. 이 경우에, 실리콘은 용융물에 의해 습윤된 시드 결정의 그 단부에서 결정화된다. 결정화 속도는 실질적으로 시드 결정이 들어올려지는 속도(결정 리프팅 속도) 및 용융된 실리콘이 결정화되는 계면에서의 온도에 의해 영향을 받는다. 이들 파라미터의 적합한 제어를 통하여, 전위(dislocation)를 제거하기 위하여, 먼저 얇은 네크(thin neck)라 불리는 구역이 인상되고, 이어서 단결정의 원뿔형 구역이 인상되며, 마지막으로 단결정의 원통형 구역이 인상되고, 이로부터 나중에 반도체 웨이퍼가 슬라이싱된다.

도가니 재료 내의 해리된 기체 함유물, 덩어리 및/또는 과립을 둘러싸는 기체, 용융물 내에서 생기는 이산화규소 및 용융물 안으로 확산되는 기체는 단결정에서 핀홀(pinhole) 결함으로 불리는 보이드가 생기는 가능한 원인으로 간주된다. 이는 성장 단결정과 용융물 사이의 계면으로 작은 기포가 통과하는 경우 그리고 단결정이 그 주위로 결정화되는 경우 생긴다. 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 공정 중에 분리 평면이 핀홀 결함을 교차하면, 그 결과의 반도체 웨이퍼는 통상적으로 수 마이크로미터에서부터 수 밀리미터까지일 수 있는 직경을 갖는 원형 오목부(depression)나 홀을 갖게 된다. 이러한 핀홀 결함이 존재하는 반도체 웨이퍼는 전자 부품을 제조하기 위한 기판 웨이퍼로서 사용할 수가 없다.

따라서, 이러한 핀홀 결함의 형성을 어떻게 억제할 수 있는지에 대한 일련의 제안들이 이미 공개되어 왔다. 이들 제안 중의 대부분은 도가니 재료의 특성을 개선하는 데에 중점을 둔다. 그러나, 이에 관련하여 개선된 도가니는 일반적으로 더 비싸다거나 다른 단점을 수반하는데, 예를 들어 이는 단결정에서 전위의 형성을 일으키는 물질들을 해리시키기 때문이다.

다른 제안들은 덩어리 및/또는 과립의 용융 기간 동안에 작은 기포를 제거하거나 억제하는데 집중한다. 따라서, 예로써, US 2008/0011222 A1은 측면 히터의 화력(heating power)을 우선 도가니의 측면으로 그리고 그 뒤에 도가니의 베이스 표면으로 집중시킬 것을 권한다. 이러한 방안에 대해 불리한 점은, 단결정의 성장이 시작되자마자 이는 더 이상 작은 기포의 발생과 그의 계면으로의 이동에 영향을 미치지 못한다는 것이다.

본 발명의 목적은 단결정에서의 핀홀 결함의 형성에 대응하며 단결정을 인상하는 공정 중에 효과적인 적어도 하나의 방안을 포함하는 방법을 제안하는 것이다.

실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 도가니에서 가열된 용융물로부터 시드 결정에서 단결정을 인상하고, 단결정의 원통형 구역이 인상되는 동안에, 적어도 한 번 2 kW 이상으로 증가된 다음 다시 감소되는 화력으로, 도가니 바닥의 중심에 열을 공급하고, 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 것을 포함하는 방법에 의해 목적이 달성된다.

본 발명자들은, 단결정의 원통형 구역을 인상하는 공정 중에, 도가니 바닥에서의 최고 온도가 도가니 바닥의 에지의 위치로부터 도가니 바닥의 중심에까지 옮겨지는 방식으로, 도가니 바닥 영역의 온도 필드가 적어도 한 번 변경되는 경우, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼에서의 핀홀 결함의 빈도수가 상당히 감소된다는 것을 알아내었다. 그 동안에 도가니 바닥의 내벽에 붙어있는 작은 기포들이 용융물의 자유 표면에까지 그들을 이동시키는 대류 구동되는 용융물 흐름에 의해 분리되는 것으로 추정되며, 상기 자유 표면은 도가니 및 성장 단결정에 의해 커버되지 않는 것이다. 이 방식으로, 작은 기포들은 성장 단결정과 용융물 사이의 계면으로 전달되지 않고서 용융물을 떠날 수 있다.

온도 필드의 변화는 바람직하게, 도가니 바닥에 인접해있으며 도가니와 함께 상승 및 하강될 수 있는 가열 장치(도가니 바닥 히터)의 도움으로 실시된다. 이러한 목적을 위해, 도가니 바닥 히터의 화력은 적어도 한 번 2 kW 이상으로, 바람직하게는 2 내지 5 kW로 증가된 다음, 다시 감소된다. 화력은 바람직하게 적어도 한 번 0 kW 내지 2-5 kW로 증가된 다음, 0 kW로 다시 감소된다. 화력을 2 kW보다 작게 증가시키는 것은 핀홀 결함을 피하는데 작은 영향만 미치며, 5 kW보다 많이 증가시키는 것은 도가니에 부적합한 정도로 열 스트레스를 가하고, 단결정에서 전위의 형성을 위한 계기가 될 수 있다.

도가니 바닥 히터의 화력은 바람직하게 90분 이상 및 900분 이하의 기간 내의 램프(ramp)를 따르는 방식으로 증가된다. 이 경우에, 단결정이 용융물로부터 인상되는 속도는 바람직하게 0.3 내지 0.8 mm/min이고, 특히 바람직하게는 0.45 내지 0.65 mm/min이다. 램프는, 도가니 바닥 히터의 화력이 바람직하게는 선형 증가하는 구역, 적절한 경우 도가니 바닥 히터의 화력이 일정한 구역, 그리고 도가니 바닥 히터의 화력이 떨어지는 구역을 포함한다. 일정한 화력을 갖는 구역은 바람직하게 0 내지 90분의 기간에 달한다. 1 내지 10의 이러한 램프를 포함하는 화력 프로파일이 특히 바람직하다.

또한, 용융물의 자유 표면으로의 작은 기포들의 이동이 일련의 부가적인 방안에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 바람직한 방안은 도가니 바닥의 에지에서 50 mT 이상의 자속 밀도를 갖는 CUSP 자기장 또는 수평 자기장의 영향에 용융물을 노출시키는 것을 포함한다. 도가니 바닥의 에지는 도가니의 원통형 측벽으로부터 도가니 바닥으로 전환되는 위치이다. CUSP 자기장의 중립 표면이 용융물의 자유 표면의 평면으로부터 90 mm 이상의 거리에서 단결정의 중심 길이축과 교차하는 것인 CUSP 자기장의 영향에 용융물을 노출시키는 것이 특히 바람직하다.

바람직한 방안은 또한, 분당 3회전(revolution/min) 이하의 속도로, 바람직하게는 분당 1-2 회전의 속도로 도가니를 회전시키고, 분당 6회전 이상의 속도로, 바람직하게는 분당 6-12 회전의 속도로 단결정을 회전시키는 것을 포함한다. 도가니와 단결정은 동일한 방향으로 또는 반대 방향으로 회전된다. 반대 방향의 회전이 바람직하다. 따라서 회전 속도는 절대값으로 지정된다.

마지막으로, 바람직한 방안은 또한, 용융물로부터 빠져나가는 기체가 용융물의 영역과 단결정의 영역으로부터 제거되기 위하여, 용융물의 자유 표면으로 비활성 기체, 예를 들어 아르곤을 안내(conduct)하는 것을 포함한다. 비활성 기체의 체적 유량은, 바람직하게 11 내지 80 mbar(1100-8000 Pa)의 압력에서, 바람직하게는 600-12000 l/h이고, 특히 바람직하게는 1500-3000 l/h이다.

본 발명에 따라, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 도가니에서 가열된 용융물로부터 시드 결정에서 단결정을 인상하고, 도가니 바닥의 중심에 열을 공급하고, 인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 것을 포함하는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 방법을 수행하기에 특히 적합한 구성을 도시한다.
도 2는 본 방법을 수행하기에 특히 적합한 도가니 바닥 히터의 구성을 도시한다.
도 3은 하나의 바람직한 실시예에 따른 도가니 바닥 히터의 화력의 시간 프로파일을 도시한다.
도 4는 도가니 바닥 히터의 화력의 시간 변화에 의존하는 방식으로 도가니의 내벽 상의 최고 온도의 공간적 이동을 도시한다.

도 1에 따른 구성은 도가니(4)를 포함하며, 도가니(4)는 지지 도가니(5) 안에 장착되고, 실리콘으로 구성된 용융물을 함유한다. 도가니는 바람직하게 석영으로 구성되며, 바람직하게는 단결정(8)의 직경의 2 내지 4배에 대응하는 직경을 갖는다. 도가니(4)와 지지 도가니(5)는 상승 및 하강될 수 있는 도가니 축 상에 놓이며, 저항 히터로 구현되는 측면 히터(6)로 둘러싸인다. 측면 히터에 의해, 열이 실질적으로 측면으로부터 용융물로 이동된다. 자기 장치가 측면 히터(6)에 인접한 외측에 위치되어 있으며, 이 자기 장치에 의해 용융물은 수평 자기장 또는 CUSP 자기장의 영향에 노출된다. 도면은 용융물에 CUSP 자기장을 가하기에 적합한 코일을 도시한다.

저항 히터로서 구현되는 부가의 고정 바닥 히터(7)는 도가니 축 주변의 지지 도가니 아래에 배치된다. 고정 바닥 히터에 의해, 열이 실질적으로 아래로부터 용융물로 이동된다.

단결정(8)이 용융물로부터 시드 결정에서 인상되고, 열 차폐(2)에 의해 외부로부터의 열 방사에 대하여 차폐되고, 냉각제가 흐르고 있는 쿨러(1)에 의해 냉각된다. 실리콘으로 구성된 단결정의 공칭 직경은 바람직하게 300 mm 또는 450 mm이다. 용융물의 자유 표면과 열 차폐(2)의 하단 경계(3) 사이의 간격은 바람직하게 20-30 mm이다. 용융물의 자유 표면과 쿨러(1)의 하단 경계 사이의 간격은 바람직하게 160-200 mm이다.

저항 히터로서 구현되는 도가니 바닥 히터(13)는 도가니 축의 헤드에 통합되며, 도가니(4)의 내벽에 붙어있는 작은 기포들(11)이 대응하여 향하는 용융물 흐름(10, 12)에 의해 분리되며 용융물의 자유 표면으로 이동되기 위하여, 상기 도가니 바닥 히터의 화력은 본 발명에 따라 변경된다. 이로부터, 작은 기포들은 용융물로부터 빠져나오는 이산화규소와 함께, 용융물의 자유 표면으로 향하는 비활성 기체 흐름(9)에 휘말리며, 용용물의 영역과 성장 단결정의 영역으로부터 제거된다.

본 발명을 수행하기에 특히 적합한 도가니 바닥 히터의 상세한 구성은 도 2에 도시되어 있다. 상기 도가니 바닥 히터는 그래파이트로 구성된 가열 나선(heating spiral)(14)을 포함하며, 이는 도가니 축으로 이어지는 내부 및 외부 전류 피드(15)를 통하여 AC 전류가 공급된다. 가열 나선은 CFC(carbon fiber reinforced carbon)으로 구성된 링(18)에 의해 측방으로 그리고 플레이트(17)에 의해 바닥에서 열 절연된다. 링의 내벽은 금속성 반사면(19)으로 라이닝된다. 예시된 특징들 이외에, 가열 나선은 구불구불한 방식으로 구현될 수 있거나, 또는 용융물에 미치는 자기장과의 상호작용에 대항하여 그것을 보호하기 위하여 자기 차폐될 수 있다.

도 3은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라 시간이 지나는 동안 도가니 바닥 히터(13)의 화력이 어떻게 변경되는지 도시한다. 상기 화력은 선형 구역 및 일정한 구역을 포함하는 램프를 따르는 방식으로 변경된다. 시간 축은 성장된 단결정의 길이 단위 L로 지정된다. 300 mm의 공칭 직경을 갖는 단결정에 대한 0.55 mm/min의 통상의 결정 리프팅 속도가 주어지면, 길이 L = 5 cm은 대략 90 분의 기간에 대응한다. 도가니 바닥 히터의 화력이 선형 증가하는 구역은 단결정의 100 mm의 길이를 인상하는데 필요한 시간보다 약간 더 짧은 기간에 달한다. 도가니 바닥 히터의 화력이 일정한 구역은 단결정의 50 mm의 길이를 인상하는데 필요한 시간보다 약간 더 긴 기간에 달한다.

램프를 따르는 방식으로 도가니 바닥 히터의 화력의 변화는 도 4에 도시된 결과를 가지며, 도가니 바닥에서의 최고 온도(Tmax)가 도가니 바닥의 에지의 위치 P1로부터 중간 위치 P2를 통하여 도가니 바닥의 중심 P3에까지 이동한다. 이 동안에, 도가니 바닥의 내벽에 붙어있는 작은 기포들이 대류 구동되는 용융물 흐름에 의해 분리되며 용융물의 자유 표면으로 이동되고, 상기 자유 표면은 도가니 및 성장 단결정에 의해 커버되지 않는 것이다.

예:

본 발명에 따른 방법에 따라, 300 mm의 공칭 직경을 갖는 실리콘으로 구성된 일련의 단결정이 도 1에 도시된 구성에 의해 28 인치(711.2 mm)의 직경을 갖는 도가니로부터 인상되었다. 단결정의 원통형 구역을 인상하는 공정 동안 평균 결정 리프팅 속도는 0.55 mm/min이었다. 단결정의 원통형 구역을 인상하는 공정의 시작에서, 도가니 바닥 히터의 화력이 도 3에 도시된 램프에 따라 한 번 변경되었다. 비교 목적을 위해, 부가의 단결정이 동일 조건 하에 인상되었지만, 도가니 바닥 히터의 화력의 이러한 변경은 없었다. 비교 목적을 위해 인상된 단결정으로부터 슬라이싱된 반도체 웨이퍼의 경우, 핀홀 결함의 발생 빈도수의 통계적 평가는 이러한 결함 때문에 평균적으로 대략 30배 더 높은 실패 빈도수를 나타내었다.

4: 도가니
5: 지지 도가니
6: 측면 히터
7: 고정 바닥 히터
8: 단결정
13: 도가니 바닥 히터

Claims

실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
도가니에서 가열된 용융물로부터 시드 결정에서 단결정을 인상하고;
상기 단결정의 원통형 구역이 인상되는 동안에, 적어도 한 번 2 kW 이상으로 증가된 다음 다시 감소되는 화력으로, 도가니 바닥의 중심에 열을 공급하고;
인상된 단결정으로부터 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 것을 포함하는, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서, 90분 이상 및 900분 이하의 기간 내의 램프(ramp)를 따르는 방식으로 화력이 증가되는 것인, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 도가니 바닥의 에지에서 50 mT 이상의 자속 밀도를 갖는 CUSP 자기장 또는 수평 자기장의 영향에 상기 용융물을 노출시키는 것을 포함하는, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, CUSP 자기장의 중립 표면이 상기 용융물의 자유 표면의 평면으로부터 90 mm 이상의 거리에서 상기 단결정의 중심 길이축과 교차하는 것인 CUSP 자기장의 영향에 상기 용융물을 노출시키는 것을 포함하는, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도가니를 분당 2회전(revolution/min) 이하의 속도로 회전시키고, 상기 단결정을 분당 6회전 이상의 속도로 회전시키는 것을 포함하는, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 1100-8000 Pa의 압력에서 600-12000 l/h의 체적 유량으로 비활성 기체를 상기 용융물의 자유 표면으로 안내(conduct)하는 것을 포함하는, 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.