KR20120024141A

KR20120024141A - 단결정 잉곳 제조방법

Info

Publication number: KR20120024141A
Application number: KR1020100086856A
Authority: KR
Inventors: 황정하; 김상희; 심복철
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-14
Also published as: KR101252915B1

Abstract

실시예는 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 고화율 50% 이전에 산소농도 감소를 통해 RRG(Resistivity Radial Gradient)(%)를 제어할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 제조방법{Method for Manufacturing Single Crystal Ingot}

실시예는 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼를 제조하는 공정은 실리콘 잉곳(Ingot)을 슬라이싱(slicing)하는 절단 공정, 슬라이싱된 웨이퍼의 에지를 라운딩 처리하는 에지 연삭 공정, 절단 공정으로 인한 웨이퍼의 거친 표면을 평탄화 하는 래핑 공정, 에지 연삭 또는 래핑 공정 중에 웨이퍼 표면에 부착된 파티클을 비롯한 각종 오염 물질을 제거하는 세정 공정, 후공정에 적합한 형상 및 표면을 확보하기 위한 표면 연삭 공정 및 웨이퍼 에지에 대한 에지 연마 공정을 포함한다.

한편, 종래기술에 의하면, 전자 이동도(mobility) 향상을 위해 전자이동도가 높은 물질, 예를 들어 저융점 도펀트를 단결정 성장시 도펀트(Dopant)로 투입하게 된다. 일반적으로 전자 이동도가 높은 물질은 대체로 휘발성이 높으며 이로 인해 특히 단결정 성장 특성상 단결정으로 성장되는 길이 만큼 감소되는 융액의 량이 감소함에 따라 그 융액 내의 도펀트의 농도가 높아지면서 그 휘발 속도도 가속된다. 이로 인해 산소와 쉽게 결합하여 산화물 형태로 융액으로부터 이탈하기 때문에 성장 중인 단결정 속으로 유입되는 산소의 절대량이 감소하게 된다.

한편, 최근에는 반도체 디바이스의 집적도가 꾸준히 증가함에 따라 반도체 디바이스 제조업체에서 요구하는 웨이퍼의 품질 수준이 향상되고 있다. 웨이퍼의 주요 품질 특성 인자 중 비저항(Resistivity) 특성은 CZ 법을 이용한 단결정 성장 시 고액 계면을 통해 단결정 내에 유입되는 불순물의 농도에 의해 결정되는데, 웨이퍼의 반경 방향으로 균일성을 유지하는 것이 중요하다. 단결정의 반경 방향에서 비저항 특성의 편차가 존재하면 웨이퍼에 형성하는 반도체 소자의 전기적 특성(예컨대, 누설전류)이 달라져 디바이스의 수율이 저하되기 때문이다.

웨이퍼의 비저항 특성에 대한 평가 척도로는 RRG(Radial Resistivity Gradient)를 사용한다. RRG는 웨이퍼의 중심부와 4지점의 엣지부에서 측정한 비저항 값을 이용하여 계산한다.

종래의 기술에서는 RRG(%)를 개선하기 위해 석영 도가니의 회전을 상승시키거나 혹은 자기장을 이용하여 대류 패턴을 제어하는 방법을 이용하였다. 그러나, 저융점의 성질을 가진 As, P, Sb등의 도펀트를 사용할 경우 융액 내에서 생성되어 융액 표면으로 휘발되는 산소와 급속한 반응을 일으켜 중심부의 비저항과 바깥쪽의 비저항의 차이를 야기하게 된다.

종래의 기술의 경우 석영 도가니의 회전을 증가시켜 단결정의 중심부와 외곽부분의 비저항 차이를 감소시켰으나, 역효과적인 측면으로 크리스토발라이트 생성이 촉진되어 득률에 이롭지 않았다.

또한, 자기장을 이용하는 경우 석영 도가니의 열화 없이 RRG(%)의 개선이 가능하나 산소 농도 및 결정결함과 같은 다른 품질에 영향을 끼치게 된다.

또한, 현재와 같이 생산되는 감각삼각비의 고려로 인해 추가적인 장치 도입, 예를 들어 자기장 제어장치의 도입 등이 현실적으로 고려되지 못하는 경우에는 또 다른 방법이 강구되어야만 한다.

실시예는 단결정 성장 중 특히, 저융점의 도펀트(dopant)를 사용할 경우 단결정 성장 중 단결정 중심부와 외곽부의 비저항 차이를 비저항의 변화없이 효과적으로 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 특히 단결정 길이 중 먼저 성장되는 고화율(Solidification) 기준 50%이내의 RRG(%)를 낮출 수 있는 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 고화율 50% 이전에 산소농도 감소를 통해 RRG(Resistivity Radial Gradient)(%)를 제어할 수 있다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 의하면, 단결정 성장 중 특히, 저융점의 도펀트(dopant)를 사용할 경우 단결정 성장 중 고화율(Solidification)에 따라 단결정 중심부와 외곽부의 비저항 차이를 비저항의 변화없이 효과적으로 감소시킬 수 있다.

예를 들어, 실시예는 자기장이나 멜트 대류 혹은 핫존(Hot zone)설계 등의 방법을 채용하지 않고, 비저항과 관계없이 산소 농도의 기울기 또는 산소 농도 감소를 통해서 RRG(%)를 낮출 수 있다.

예를 들어, 실시예는 단결정 내 중심과 외곽부의 산소 농도 차이가 약 0.4%이내 일 경우 RRG(%)는 약 6.6%로 감소되어, 산소 농도차가 약 4%일 때 RRG(%)가 약 24%인 것에 비해 약 1/4수준으로 RRG(%)를 낮출 수 있다.

또한, 실시예는 특히 단결정 길이 중 먼저 성장되는 고화율(Solidification) 기준 50%이내의 RRG(%)를 제어하는 데 있어, 산소 농도 감소를 통해 약 40%이상 RRG(%)를 개선할 수 있다.

또한, 실시예는 고화율(Solidification) 50% 이후는 RRG(%)개선을 위해 압력을 기존 대비 약 40% 향상시 약 70%의 RRG(%)개선이 된다.

또한, 실시예는 압력과 Ar 유량의 일정한 비율(Ratio)을 제시함으로써 보다 효과적인 RRG(%) 개선방법을 제시할 수 있다. 예를 들어, 압력과 Ar 유량의 비율(Ratio)을 10%이상 적용 시 RRG(%)가 최소 20%이상 낮아지는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 고화율 50% 전과 후에서의 단결정 성장 예시도.
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 고화율 50% 전(P)과 후(Q)에서의 불활성 기체의 이동경로 증가에 따른 유속변화 예시도.
도 4는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 RRG(%)와 산소 농도간의 관계에 대한 매트릭스 플랏(Matrix Plot).
도 5는 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 산소 농도 차이 예시도.
도 6은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 RRG(%)차이 예시도.
도 7은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 비저항 예시도.
도 8은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 실제 단결정의 중심부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 외곽부와의 산소 농도 기울기가 완만해짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot).
도 9는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 외곽부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot).
도 10은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 중심부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot).
도 11은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 중심부와 외곽부의 산소 농도 차이가 적을수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot).
도 12는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 고화율에 따른 압력비율 예시도.
도 13은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 고화율에 따른 압력과 Ar 유량의 비율(Ratio) 예시도.

실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1 및 도 2는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 고화율 50% 전(P)과 후(Q)에서의 단결정 성장 예시도이다.

우선, 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치(100)을 설명한다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(150) 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 종자결정(152)이 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.

상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.

실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 하부로 배출할 수 있다.

상기 도가니(120)는 실리콘 융액을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대는 회전축(미도시) 상에 고정 설치되고, 이 회전축은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액으로 만들게 된다.

실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)(152)을 실리콘 융액에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.

이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정(152)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 저융점의 고휘발성 도펀트, 예를 들어 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등을 사용할 수 있는데, 일정 수준이하로 비저항이 낮아지면, 산소농도 또한 함께 낮아지게 된다.

그 이유는 이러한 도펀트들의 편석 계수(Segregation coefficient)가 1.0이하로 단결정이 성장되면서 융액이 그 길이 만큼 감소하게 되고 이로 인해 융액 속의 저융점 도펀트의 농도가 높아지게된다.

융액 속의 도펀트 농도가 높아진다는 것은 그만큼 멜트 표면에서 휘발되는 량이 많아지게 되는데 실시예는 이러한 현상을 RRG(%)개선에 적용하고자 한다.

즉, 이미 융액 속에 있는 저융점의 도펀트는 산소를 매개체로 휘발을 보다 용이하게 할 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 고화율 50% 전(P)과 후(Q)에서의 불활성 기체의 이동경로 증가에 따른 유속변화 예시도이다.

고화율 50% 전(P)의 경우 유속이 단결정의 외곽부를 빠르게 흐르기 때문에 압력강하가 일어나게 되어 융액속의 저융점 도판트의 휘발을 용이하게 해주며, 더욱이 표면 위의 유속이 빠르기 때문에 표면에서의 휘발을 촉진시키게 된다.

더욱이 이러한 촉진은 산소농도가 많을수록 더욱 급격히 반응을 하게 되며, 특히 단결정의 외곽부에 유입되는 산소의 양이 많을수록 그 휘발성은 크다고 할 수 있다. 그러나, 일반적으로 단결정의 성장하기 위해서는 불가피하게 불활성 기체가 필요하게 되며, 따라서 이러한 영향을 최소화할 수밖에 없다.

한편, 도 3에서 보듯이 단결정과 융액 그리고 불활성 기체가 흐르는 빈공간에서 단결정과 빈공간의 경우 저융점의 도펀트가 단결정 내부보다는 쉽게 열에너지를 운동에너지로 변환할 수 있는 빈공간을 선택하게 되는데 이때 산소 농도가 촉매제 역할을 하게 된다.

따라서, 이러한 상태가 바뀌는 부분에 산소농도가 높다면 더욱더 휘발이 강하게 발생되어 결국에는 단결정 중심부와 외곽부의 비저항 차이를 발생시키게 된다. 일반적으로 융액이 많은 상태에서는 적을 때에 비해 산소 농도가 높게 되고 더욱이 단결정 성장을 위한 여러 구조체들의 특성상 불활성 기체의 흐름이 융액이 적을 때보다 다시 말해 단결정 길이가 일정 수준 이상으로 성장된 경우보다 빠르기 때문에 특히 단결정 길이의 50%이내의 산소농도는 불가피하게 높게 되고 이로 인해 특히 저융점의 도펀트가 융액 표면으로부터 쉽게 휘발하게 된다.

실시예는 이러한 저융점 도펀트를 사용하는 단결정 성장에서 산소 농도의 기울기 감소 및 그 수준 감소를 통해 비저항의 중심부와 외곽부의 편차를 감소시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

이에 따라, 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 고화율 50% 이전에 산소농도 감소를 통해 RRG(Resistivity Radial Gradient)(%)를 제어할 수 있다.

실시예에서 저융점의 고휘발성 도펀트는 예를 들어 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예에서 상기 저융점의 고휘발성 도펀트의 주입에 따라 실리콘 단결정의 비저항이 0.003Ωcm 미만이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 RRG(%)와 산소 농도간의 관계에 대한 매트릭스 플랏(Matrix Plot)이며, 도 4에 의하면, 산소 농도가 낮을수록 RRG(%)도 동일하게 낮아짐을 알 수 있다.

도 5는 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 산소 농도 차이 예시도이며, 산소농도의 중심부 값이 높을수록 RRG(%)가 높아짐을 알 수 있다.

도 6은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 RRG(%)차이 예시도이며, 특히 단결정 길이가 50%이내인 고화율 50% 이전에 실시예에 따른 RRG(%) 개선의 효과가 크다.

실시예는 특히 단결정 길이 중 먼저 성장되는 고화율(Solidification) 기준 50%이내의 RRG(%)를 제어하는 데 있어, 산소 농도 감소를 통해 약 40%이상 RRG(%)를 개선할 수 있다. 실시예에 의하면, 고화율(Solidification) 50% 이전에는 압력을 낮추어 고휘발성 도펀트의 휘발을 증가시켜 산소농도를 감소시킬 수 있다.

도 7은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 비저항 예시도이며, 실시예에 의하면 외곽부의 비저항의 개선에 효과가 있다.

도 8은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서 실제 단결정의 중심부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 외곽부와의 산소 농도 기울기가 완만해짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot)이다.

도 9는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 외곽부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot)이다.

도 10은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 중심부의 산소 농도 수준이 낮아질수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot)이다.

도 11은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 실제 단결정의 중심부와 외곽부의 산소 농도 차이가 적을수록 RRG(%)가 낮아짐을 나타내는 매트릭스 플랏(Matrix Plot)이다.

도 12는 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 고화율에 따른 압력비율 예시도이다.

예를 들어, 고화율 50%이후에 압력을 상기 고화율 50% 이전의 대비 약 40%이상 증가시킬 경우 RRG(%)가 70%이상 낮아지는 효과를 나타내었다.

압력이 증가할 경우 불활성 기체, 예를 들어 Ar 플로우(Flow)를 약화시켜 휘발속도를 저하하는 효과로 인해 RRG(%)가 낮아지게 된다.

도 13은 실시예(A)와 비교예(B)에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 고화율에 따른 압력과 Ar 유량의 비율(Ratio) 예시도이다.

예를 들어, 단결정 제조시, 압력과 불활성기체 유량의 비율(Ratio)을 고화율 30% 이상에서 1.2 내지 0.8의 범위 내로 제어함으로써 RRG(%)를 제어할 수 있다.

실시예에 의하면, 압력과 Ar 유량의 일정한 비율(Ratio)을 제시함으로써 보다 효과적인 RRG(%) 개선방법을 제시할 수 있다. 예를 들어, 압력과 Ar 유량의 비율(Ratio)을 10% 이상 적용 시, 예를 들어, 고화율 30% 이상에서 1.2 내지 0.8의 범위 내로 제어함으로써 RRG(%)가 최소 20%이상 낮아지는 효과가 있다.

또한, 실시예는 고화율(Solidification) 50%이후는 RRG(%)개선을 위해 압력을 기존 대비 약 40% 향상시 약 70%의 RRG(%)개선이 된다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 고화율 50% 이전에 산소농도 감소를 통해 RRG(Resistivity Radial Gradient)(%)를 제어하는 단결정 잉곳 제조방법.
제1 항에 있어서,
고화율 50% 이후에 압력을 상기 고화율 50% 이전의 대비 40% 향상시키는 단결정 잉곳 제조방법.
제1 항에 있어서,
상기 단결정 내 중심과 외곽부의 산소 농도 차이가 0.4%이내로 제어되는 단결정 잉곳 제조방법.
제1 항에 있어서,
상기 단결정 제조시, 압력과 불활성기체 유량의 비율(Ratio)을 고화율 30% 이상에서 1.2 내지 0.8의 범위 내로 제어함으로써 RRG(%)를 제어하는 단결정 잉곳 제조방법.