KR20200088285A

KR20200088285A - 실리콘 단결정의 육성방법

Info

Publication number: KR20200088285A
Application number: KR1020207009192A
Authority: KR
Inventors: 료지 호시
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-07-22
Also published as: WO2019102702A1; CN111164241A; JP2019094224A

Abstract

본 발명은, CZ법에 의해 고저항률 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 상기 실리콘 단결정을 육성할 때, 상기 실리콘 단결정의 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출하고, 상기 육성 후의 실리콘 단결정에 디바이스를 제조했을 때에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량이, 상기 산출값 이하가 되도록, 육성하는 실리콘 단결정 중의 상기 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하고, 이 설정한 육성조건에 기초하여, 상기 목표저항률을 갖는 실리콘 단결정을 육성하는 실리콘 단결정의 육성방법을 제공한다. 이에 따라, 디바이스공정을 거쳐도 경원소불순물에 기인하는 도너의 발생을 억제할 수 있고, 목표의 저항률로부터의 변화량을 억제할 수 있는 고저항률의 실리콘 단결정의 육성방법이 제공된다.

Description

실리콘 단결정의 육성방법

본 발명은 쵸크랄스키법(이하, 간단히 CZ법이라고도 하고, 자장인가 쵸크랄스키법(MCZ법)을 포함한다)에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 방법에 관한 것으로, 특히 통신디바이스 등에 이용되는 RF디바이스나 파워디바이스용 등의 고저항률인 것에 관한 것이며, 디바이스 공정에 있어서 경원소불순물에 기인하는 도너의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 단결정의 육성방법을 제공한다.

휴대전화 등 통신용으로 RF(고주파)디바이스가 이용되고 있다. 이 RF디바이스에는 오직 화합물 반도체가 이용되어 왔다. 그러나 최근 CMOS프로세스의 미세화가 진행된 점, 저비용화를 원하는 점 등으로부터, 실리콘을 베이스로 한 RF디바이스가 실현 가능하게 되었다. 실리콘 단결정 웨이퍼를 이용한 RF디바이스에 있어서는, 기판저항률이 낮으면 고도전성으로 인해 손실이 커서, 고저항률이 이용되며, 1000Ωcm 이상의 요구가 있다. SOI(Silicon on Insulator)라 불리는 실리콘기판 표층부에 얇은 산화막과 얇은 실리콘층이 형성된 웨이퍼를 이용할 수도 있는데, 이 경우도 고저항률이 요망된다. 또한 파워디바이스용으로도, 고내압용으로서 고저항률 단결정이 요망되고 있다.

종래 CZ법에서는 석영도가니에 포함되는 불순물이 용출되므로 고저항률 단결정이 육성되지 않아, 일반적으로는 고저항률 단결정으로서 FZ결정이 이용되는 경우가 많았다. 그러나, CZ법에 있어서도 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 합성석영도가니가 이용되게 되었고, 논도프이면 매우 고저항률의 단결정의 제조가 가능해졌다. 지금은 천연석영도가니의 내측에 합성석영분으로부터 만들어진 합성석영층이 형성된 하이브리드석영도가니가 주류를 이루고 있어, CZ법으로도 고저항률을 달성할 수 있게 되었다.

한편으로 원료인 실리콘 다결정 중에도 B나 P 등의 도펀트가 불순물로서 포함되어 있어, 고저항률화의 저해요인이다. 이들 역시 불순물을 줄이는 노력이 행해져, 나날이 개선되어 왔다.

또한, 경원소가 기인이 되는 도너가 발생하는 경우가 종종 있다(예를 들어 특허문헌 2-4 등 참조). 예를 들어 산소 기인의 서멀도너(TD)는 400-500℃에서 발생하고, 650℃ 이상에서 소멸하는 것이 알려져 있다. 또한, 질소에 기인하는 질소-산소도너(NO도너)는 600-700℃ 정도에서 발생한다. 탄소는 TD를 억제하지만 뉴도너(ND)를 조장한다고도 하고, 또한 탄소가 도너를 형성한다는 설도 있으며, 그 관련도 복잡하지만 대체로 650-800℃ 정도에서 탄소 기인 도너를 발생시킨다.

디바이스공정에서는, 여러가지 열처리가 행해진다. 이에 따라 예를 들어 도너가 공정 도중에 발생하거나, 그 후의 고온의 열처리에서 소멸되거나 한다. 그러나 최종적으로는 패키지의 공정이 있고, 여기서는 비교적 저온의 열처리가 실시되고, 그 이후에 고온의 열처리는 행해지지 않으므로, 상기 서술한 바와 같은 경원소불순물에 기인한 도너가 문제가 되는 경우가 있다. 특히 고저항률 단결정에 있어서는, 이들 도너의 발생에 따른 저항률의 변화가 쉽게 일어난다는 문제가 있다.

일본특허공개 H5-058788호 공보 일본특허공개 2013-119486호 공보 일본특허공개 2013-057585호 공보 일본특허공개 2009-274901호 공보 일본특허공개 2013-142054호 공보 일본특허공개 H5-155682호 공보 국제공개 제2000/055397호 일본특허공개 2002-100632호 공보 일본특허공개 2004-006615호 공보 일본특허공개 2002-226295호 공보

이렇게 발생하는 도너를 이용하는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 5와 같이, 디바이스 제조공정 후에 있어서 원하는 저항률을 갖는 최종 제품이 얻어지도록 산소농도를 제어해 두는 기술이 개시되어 있다. 그러나 결정을 육성하는 단계에 있어서, 디바이스 제조공정의 조건을 파악해 두는 것은 일반적으로 어렵다. 디바이스조건을 알지 못한다면, 이 방법을 이용할 수 없으므로, 범용성은 낮다.

이에 일반적으로는, 고저항률에서는 도너의 영향을 피하기 위해, 저산소결정이 이용되는 경우가 많다. 예를 들어 특허문헌 6에서는 저산소농도 결정 육성기술이 개시되어 있으며, 특허문헌 7에서는 고저항률 단결정에서 산소석출시켜 저산소화하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 기술을 이용하면, 고저항률 단결정에 있어서도 저산소농도화가 가능하다고 할 수 있다. 그러나 이들 기술에서는, 산소농도를 낮추는 것은 기재되어 있으나, 다른 경원소에 관해서는 다루고 있지 않아, 충분한 기술이라고는 할 수 없다.

나아가 특허문헌 8에서는, 질소도프하여 고저항률 단결정에서 산소석출시켜 저산소화하는 특허문헌 7의 개량기술, 그리고 특허문헌 9에서는 탄소도프하여 고저항률 단결정에서 산소석출시켜 저산소화하는 특허문헌 7의 개량기술이 개시되어 있다. 그러나 이들 수법에서는, 산소에 관해 고려되어 있으나, 도너를 형성하는 탄소나 질소에 관해서는 고려되고 있지 않아, 오히려 질소나 탄소에 기인하는 도너를 조장한다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 디바이스공정을 거쳐도 경원소불순물에 기인하는 도너의 발생을 억제할 수 있고, 목표의 저항률로부터의 변화량을 억제할 수 있는 고저항률의 실리콘 단결정의 육성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 쵸크랄스키법에 의해 고저항률의 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 상기 실리콘 단결정을 육성할 때, 상기 실리콘 단결정의 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출하고, 상기 육성 후의 실리콘 단결정에 디바이스를 제조했을 때에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량이, 상기 산출값 이하가 되도록, 육성하는 실리콘 단결정 중의 상기 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하고, 이 설정한 육성조건에 기초하여, 상기 목표저항률을 갖는 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법을 제공한다.

이러한 실리콘 단결정의 육성방법이면, 디바이스공정시에 형성되는 경원소불순물을 기인으로 하는 도너의 발생을 억제할 수 있고, 그 결과, 실리콘 단결정의 저항률이, 당초의 목표저항률로부터 크게 벗어나는 것을 방지할 수 있다. 저항률이 크게 변화하면 디바이스특성에 큰 영향을 주는데, 본 발명이면 저항률의 변화량을 억제하여 허용범위 내로 하는 것이 가능하다. 이에 따라 불량품이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 수율을 향상시킬 수 있다.

한편, 여기서, 도너에 의한 캐리어농도변화량이라는 표현을 이용하고 있는 것은, 경원소불순물에 기인하는 하나의 도너가 하나의 전자(캐리어)를 공급한다고는 한정할 수 없기 때문이다. TD에 있어서는 하나의 도너가 2개 또는 복수의 캐리어를 공급한다고 일컬어지고 있다. 여기서는 도너농도가 아닌, 최종적으로 저항률에 영향을 주는 캐리어농도가 중요하므로, 도너에 의한 캐리어농도변화량이라는 표현을 이용하고 있다.

또한, 상기 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출할 때, 상기 도펀트농도를, 어빈커브에 의해 산출할 수 있다.

어빈커브는 도펀트농도와 저항률의 환산에 자주 이용되고 있으며, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도를 간편하게 산출할 수 있다.

또한, 상기 육성하는 실리콘 단결정의 저항률을, P형 단결정에서는 100Ωcm 이상으로 하고, N형 단결정에서는 33Ωcm 이상으로 할 수 있다.

본 발명은, 경원소불순물 기인의 도너의 발생에 의해 크게 영향을 주기 쉬운, 상기와 같은 고저항률범위의 실리콘 단결정에 관해 특히 유효하다.

또한, 상기 경원소불순물을, 산소원자, 탄소원자, 및 질소원자 중 어느 1개 이상으로 하고, 상기 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정할 때, 상기 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 상기 실리콘 단결정 육성시의 산소농도를 [Oi], 질소농도를 [N], 탄소농도를 [Cs]로 했을 때,

α×[Oi]⁴+β×[Cs]+γ×[N]×[Oi]³

(여기서, α, β, γ는 상수)

로 견적할 수 있다.

이들 경원소불순물을 기인으로 하여 디바이스공정에 있어서 도너가 발생하는 경우가 많으므로, 이들에 의한 영향을 미리 고려해 두는 것은 특히 유효하다. 그리고, 상기 식이면, 그 도너발생에 의한 캐리어농도변화량을, 근사적으로, 보다 간단하게 견적하는 것이 가능하다.

또한, 상기 α의 값을, 산소농도의 단위를 atoms/cm³(ASTM’79)로 했을 때, 5×10^-59로 하고, 상기 β의 값을, 탄소농도의 단위를 atoms/cm³(New ASTM)로 했을 때, 5×10^-4로 하고, 상기의 γ값을, 질소농도의 단위를 atoms/cm³로 했을 때, 2×10^-56으로 할 수 있다.

이러한 α, β, γ의 값에 따라, 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량의 근사값을 보다 정밀도 좋게 구할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성방법이면, 종래 문제되었던, 디바이스공정에서의 경원소불순물을 기인으로 하는 도너의 발생에 의한, 실리콘 단결정의 저항률의 목표저항률로부터의 큰 변동을 억제할 수 있다. 저항률의 변화량을 허용범위 내로 억제할 수 있어, 수율의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실리콘 단결정의 육성방법의 일 예를 나타내는 플로우도이다.
도 2는 실험1에서 얻어진 TD에 기인하는 캐리어농도변화량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험1에서 얻어진 캐리어농도변화량의 근사선을 변경하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험2에서 얻어진 탄소 기인 도너에 의한 캐리어농도변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험3에서 얻어진 NO도너에 의한 캐리어변화량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 단결정 인상장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.

상기 서술한 바와 같이, 디바이스특성은 저항률에 크게 영향을 받는다. 그래서 저항률은, 목표저항률로부터 어느 정도의 범위 내로 할 것이 요망된다. 이 점에 대하여, 본 발명자는 예의연구를 행하였다.

디바이스의 종류나 문제가 되는 특성에 따라 그 허용범위는 다른데, 예를 들어 메모리 등의 MOS구조에 이용되는 결정에서는 저항률의 최대/최소의 비가 1.5 정도 있더라도 허용될 가능성이 있다. 하기에 계산예를 나타내는 바와 같이, 발생하는 도너에 기인하는 캐리어농도변화량을 도펀트농도의 1/3 이하로 억제하면, 저항률의 최대/최소의 비를 1.5 이하로 억제할 수 있다.

뒤에 상세히 설명하는 실험1-3에서도 나타내는 바와 같이, 1×10¹³/cm³ 정도의 경원소불순물 기인 도너에 의한 캐리어농도변화는 비교적 용이하게 발생한다. 예를 들어 P형 1000Ωcm의 도펀트농도는 1.3×10¹³/cm³ 정도, N형 300Ωcm의 도펀트농도는 1.4×10¹³/cm³ 정도이고, 만일 1×10¹³/cm³ 정도의 도너가 발생하다면, P형일 경우 1000Ωcm에서 4265Ωcm로, N형일 경우 300Ωcm에서 176Ωcm로 저항률이 크게 변화한다.

이에, P형, N형 각각에서 도너발생량을 1/3로 억제할 수 있다고 하면, P형의 저항률은 1000Ωcm에서 1500Ωcm로, N형의 저항률은 300Ωcm에서 225Ωcm로 변화하는 정도가 되고, 최대/최소가 P형은 1500/1000, N형은 300/225로 모두 1.5 이하로 억제하는 것이 가능하다. 따라서 디바이스 제조시에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3 이하로 억제할 수 있도록, 경원소불순물농도를 제어하는 것이 중요하다. 본 발명자는 이 점들을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.

이하, 본 발명에 대하여, 실시태양의 일 예로서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성방법을 실시할 수 있는 장치에 대하여 도 6을 이용하여 설명한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 단결정 인상장치(1)는, 인상실(2)과, 인상실(2) 중에 마련된 도가니(3)(내측에 석영도가니, 외측에 흑연도가니)와, 도가니(3)의 주위에 배치된 히터(4)와, 도가니(3)를 회전·승강시키는 도가니유지축(5) 및 그의 회전·승강기구(미도시)와, 실리콘의 종결정(6)을 유지하는 시드척(7)과, 시드척(7)을 인상하는 와이어(8)와, 와이어(8)를 회전 또는 권취하는 권취기구(미도시)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 히터(4)의 외측 주위에는 단열재(9)가 배치되어 있다.

실리콘 단결정(10)은, 원료인 실리콘융액(11)으로부터 와이어(8)에 의해 인상된다.

이러한 도 6의 단결정 인상장치(1)를 이용하여, 실리콘 단결정(10)을 육성할 때는, 도가니(3)를 회전시키면서, 도가니(3) 중의 실리콘융액(11)에, 시드척(7)에 유지된 종결정(6)을 침지한다. 그리고, 와이어(8)를 회전·권취하면서, 실리콘융액(11)으로부터 봉상의 실리콘 단결정(10)을 인상한다.

도가니(3)는 도가니유지축(5)에 의해 결정성장축방향으로 승강가능하고, 결정성장 중에 결정화하여 감소한 융액의 액면하강분을 보충하도록 이 도가니(3)를 상승시킨다. 결정의 측방에는 실리콘융액(11)으로부터 발한 산화성 증기를 정류하기 위해 불활성가스가 흐르고 있다.

이 밖에, 자장인가장치를 추가로 구비할 수도 있으며, 자장을 인가하면서 실리콘 단결정(10)을 육성하는 자장인가CZ법(MCZ법)을 행하는 것도 가능하다.

다음에, 상기와 같은 단결정 인상장치를 이용한, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성방법에 대하여 설명한다. 도 1에, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성방법의 플로우의 일 예를 나타낸다. 이하, 도 1에 따라서 공정의 설명을 한다.

(공정1)

우선, 실리콘 단결정의 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출한다(도 1: 공정1).

본 발명에서 육성하는 실리콘 단결정의 목표저항률은 고저항률이면 되고, 그 구체값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, P형 단결정이면 100Ωcm 이상, N형 단결정이면 33Ωcm 이상으로 할 수 있다.

선행기술을 예로 들면, 저항률 100Ωcm 이상의 결정에 있어서, 특허문헌 8에서는 잔존산소농도를 8ppma(JEIDA)(6.4×10¹⁷atoms/cm³ ASTM’79) 이하, 특허문헌 9에서는 잔존산소농도를 12×10¹⁷atoms/cm³ ASTM’79 이하로 하는 것이 바람직하다고 기재하고 있다.

디바이스공정의 최종패키지에서 450℃ 상당에서 2시간 정도의 열처리가 실시될 가능성은 있으므로, 만약 450℃ 2시간으로 시산(試算)하면, 뒤에 실험1에서 구하는 식(1)을 이용하면, 산소농도가 6.4×10¹⁷atoms/cm³ ASTM’79인 경우에서, 9×10¹²atoms/cm³의 TD 기인의 캐리어농도변화가 발생한다. 또한, 산소농도가 12×10¹⁷atoms/cm³인 경우에서 2×10¹⁴atoms/cm³의 TD 기인의 캐리어농도변화가 발생한다.

100Ωcm일 때의 P형(보론)의 도펀트농도는 1.3×10¹⁴atoms/cm³이고, N형(인)의 도펀트농도는 4.3×10¹³atoms/cm³이다. 따라서 고저항률 결정에 있어서의 TD억제를 목표한 선행기술에서 나타난 범위, 즉 저항률이 100Ωcm 이상이고 산소농도가 12×10¹⁷atoms/cm³ 이하이더라도, 이미 예측되는 TD 기인의 캐리어농도변화량이 도펀트농도를 상회하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 적어도 P형에서는 저항률이 100Ωcm에 있어서 경원소불순물 기인 도너를 고려하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

여기서 N형 반도체의 캐리어는 전자이고, P형 반도체의 캐리어는 정공이다. 전자와 정공은 반도체 중의 이동도가 상이하므로, 같은 밀도여도 전도율이 상이하다. 요컨대 같은 농도의 도펀트가 존재한다고 해도, P형과 N형은 저항률이 상이하다. 같은 양의 도펀트이면 대략 P형의 저항률의 1/3이 N형의 저항률이 된다. 따라서 상기 서술한 바와 같이 P형 100Ωcm에서 도너의 영향이 나오는 것이면, 이것과 같은 양의 도펀트량인 N형은 33Ωcm에서는 마찬가지로 도너의 영향이 나온다. 따라서 N형이면 33Ωcm 이상에서는 경원소불순물 기인 도너를 고려하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

한편, 목표저항률의 상한에 대해서도 특별히 한정되지 않는다. 고저항률일수록, 발생하는 도너에 의해 저항률이 쉽게 변동하므로, 도너의 발생을 억제할 수 있는 본 발명은 보다 유효하다.

또한, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값은, 어빈커브에 의해 정해지는 것이 바람직하고, 어빈커브로는, 예를 들어 이하의 식을 이용하는 것이 바람직하다.

P형 단결정에서는: ρ=1.305×10¹⁶/[D]+1.133×10¹⁷/([D]×[1+(2.58×10^-19×[D])^-0.737]),

N형 단결정에서는: ρ=(6.242×10¹⁸/[D])×10^Z,

Z=(-3.0769+2.2108×Y-0.62272×Y²+0.057501×Y³)/(1-0.68157×Y+0.19833×Y²-0.018376×Y³)

Y=(log10[D])-16

(여기서 ρ: 저항률, [D]: 도펀트농도)

한편, 여기서 P형, N형이나, 도펀트농도[D]에 관해, 예를 들어 특허문헌 10 등에 개시되는 기술과 같이, P형과 N형의 반대극성의 도펀트를 더하여 보상하는 경우가 있다. 이와 같은 보상하는 기술은 고저항률 결정에 있어서 종종 이용되는 경우가 있다. 이러한 반대극성의 도펀트가 공존하는 경우에는, P형의 도펀트총량(농도)을 [Dp]로 하고, N형의 도펀트총량(농도)을 [Dn]로 하여, [Dp]>[Dn]인 경우에는 [D]=[Dp]-[Dn]로 하여 P형의 어빈커브를 이용하고, [Dn]>[Dp]인 경우에는 [D]=[Dn]-[Dp]로 하여 N형의 어빈커브를 이용하는 것이 바람직하다.

이 어빈커브로부터 명백한 바와 같이, 저항률이 높아질수록, 저항률에 관련된 도펀트의 농도는 저하된다. 그러므로 경원소불순물에 기인하는 도너가 약간 발생한 것만으로도, 저항률이 변화해버린다. 따라서 고저항률 결정일수록, 경원소불순물에 기인하는 도너에 의한 캐리어농도변화량을 억제할 필요가 있다.

이상과 같이, CZ법에 의해 육성되는 고저항률(특히, P형 단결정의 경우는 100Ωcm 이상, N형 단결정의 경우는 33Ωcm 이상)의 실리콘 단결정에서는, 디바이스 제조에서 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3 이하로 억제할 수 있도록, 경원소불순물량을 제어하는 것이 중요하다.

(공정2)

상기와 같이 하여, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출한 후, 목표저항률을 갖는 실리콘 단결정을 육성하기 위한 육성조건을 설정한다. 이때, 육성 후의 실리콘 단결정에 디바이스를 제조했을 때에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량이, 상기 산출값 이하가 되도록, 육성하는 실리콘 단결정 중의 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정한다(도 1: 공정2).

이 육성조건의 설정을 하는데 있어서는, 상술한 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을 미리 견적할 필요가 있다. 이하, 그 견적방법, 및, 그 방법을 찾아내는데 있어서 본 발명자가 행한 실험내용에 대하여 상세히 설명한다.

한편, 경원소불순물의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 산소원자, 탄소원자, 질소원자 등을 들 수 있다. 이들 중 1개 이상에 대하여 고려하는 것이 바람직한데, CZ실리콘 단결정의 육성에서는 산소원자가 취입되므로, 적어도 산소원자에 대해서는 고려하는 것이 바람직하다.

여기서는, 일 예로서, 상술한 종류의 경원소불순물에 기인되는 도너에 의한 캐리어농도변화량에 대하여 구체적으로 설명한다.

우선, 경원소불순물로서 산소원자를 포함하는 경우에 대하여 설명한다.

(실험1)

도 6에 개략도를 나타낸 인상장치를 이용하여 MCZ법에 의해 산소농도를 할당한 P형 및 N형의 단결정을 육성하고, 그로부터 웨이퍼상의 샘플을 잘라냈다.

CZ법이나 MCZ법에서는, 상기 서술한 바와 같이, 실리콘융액이 충전된 석영도가니와, 이 도가니를 둘러싸도록 배치된 히터를 갖는다. 이 도가니 중에 종결정을 침지한 후, 실리콘융액으로부터 봉상의 실리콘 단결정이 인상된다. 도가니는 결정성장축방향으로 승강가능하고, 결정성장 중에 결정화하여 감소한 융액의 액면하강분을 보충하도록 이 도가니를 상승시킨다. 결정의 측방에는 실리콘융액으로부터 발한 산화성 증기를 정류하기 위해 불활성가스가 흐르고 있다.

실리콘융액이 담긴 석영도가니는 실리콘과 산소로 이루어져 있으므로, 산소원자가 실리콘융액 내로 용출한다. 이 산소원자는 실리콘융액 내를 대류 등에 실려 이동하며, 최종적으로는 표면으로부터 증발한다. 이때 대부분의 산소는 증발되는데, 일부의 산소는 결정에 취입되어, 격자간산소 Oi가 된다.

이때에 도가니나 결정의 회전수를 변경하거나, MCZ법에서는 자장인가조건을 변경하거나 함으로써 실리콘용융액 내의 대류의 흐름을 제어 가능하고, 또한 불활성가스의 유량조정이나 로내의 압력제어에 의해 표면으로부터의 산소증발량을 제어 가능하다.

이들 제어인자를 여러가지 조합함으로써, 산소농도[Oi]=2×10¹⁷ 내지 8×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79)의 샘플을 준비하였다.

산소농도는 웨이퍼상의 샘플을 이용하여, 실온의 FT-IR법에 의해 구하였다. 여기서 산소농도[Oi]에서 Oi라 기재하고 있는 것은, 통상 산소원자는 실리콘결정 중에서는 Interstitial의 위치에 존재하고 있으며, FT-IR법에서는 이 Interstitial 위치의 산소 기인의 적외흡수를 측정하여 산소농도라 표기하고 있기 때문이다.

다음에 샘플에 TD소거열처리를 실시하였다. 결정 육성 후의 결정 중에는 TD가 존재하고 있다. TD는 450℃ 전후의 비교적 저온영역에서 생성된다. 이 TD는, 예를 들어 650℃에서 20분 정도의 경미한 열처리를 하면 소거되는 것으로 알려져 있다. 도너소거열처리는 이 밖에도 각종 제안되어 있으며, 예를 들어 RTA(Rapid Thermal Anneal)를 이용한 고온단시간처리인 것도 있다. 여기서는 특히 그 온도와 시간을 규정하는 것은 아니며, TD를 소거할 수 있는 방법이면 되므로 650℃에서 20분의 열처리를 행하였다.

TD소거열처리를 실시한 후, PN판정을 행한 다음에, 4탐침법을 이용하여 저항률을 측정하였다. 그 저항률로부터 어빈커브를 이용하여 캐리어농도를 구하였다. 다음에 각각의 샘플을 분할하고, TD가 생성되기 쉬운 450℃의 열처리를 행하였다. 여기서는, 1시간(3600초) 및 2시간(7200초)의 2수준에서 실시하였다.

그리고, 열처리 후에 재도(再度) 저항률을 측정하고, 어빈커브를 이용하여 캐리어농도를 재차 구하였다.

열처리 전의 캐리어농도로부터 열처리 후의 캐리어농도를 뺀 것을, TD에 기인하는 캐리어발생량(캐리어농도변화량)으로서 구하였다. 단, 샘플에서 열처리 후에 P형으로부터 N형으로 반전한 샘플에 있어서는, 열처리 전의 캐리어농도와 열처리 후의 캐리어농도의 합을 TD 기인의 캐리어발생량으로 하였다. 이 캐리어발생량(캐리어농도변화량)을 산소농도에 대해 플롯한 것이 도 2이다.

이를 피팅할 수 있는 계산식을 조사한 결과, 이하와 같이 구해졌다.

[Cc]=6.10×10^-56×[Oi]⁴×[1-exp(-6.25×10^-7×D(T)·[Oi]·t)] …식(1)

(여기서, [Oi]: 산소농도(atoms/cm³ ASTM’79), T: 열처리온도(K), t: 열처리시간(sec), D(T): 온도T에서의 산소농도확산계수(cm²/sec))

한편, 이때 산소의 확산계수D(T)는 D(T)=Do×exp(-E/kT)이고 Do=0.13(cm²/sec), E=2.53(eV), k: 볼츠만상수=8.62×10^-5(eV/K)로서 계산하였다.

이렇게 구해진 식을, 도 2 상에 있어서, 450℃에서 1시간 및 2시간인 경우를 파선 및 실선으로 기재하였다. 그 결과, 실험값과 잘 일치하고 있다.

상기의 식에서는, 산소의 확산계수나 열처리시간 등의 변수가 들어 있어, 하나하나 계산하는 것이 번거롭다. 이에 디바이스공정의 최종패키지공정에서 상정되는 450℃ 상당의 시간은 2시간 정도 이하라고 생각되므로, 450℃에서 2시간으로 하고, 간단히 하기 위해 α×[Oi]⁴라는 형태로 근사하면, α=5×10^-59가 된다.

도 3에서는 도 2의 세로축을 대수표시로부터 선형표시로 하고, 5×10^-59×[Oi]⁴를 실선으로 표시하였다. 적어도 금회 준비한 [Oi]≤8×10¹⁷atoms/cm³의 샘플에서는 5×10^-59×[Oi]⁴가 450℃에서 2시간 열처리 후의 캐리어농도변화량을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.

이 실험1의 결과에 대하여 정리하면 이하의 것을 말할 수 있다.

디바이스 제조시에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 결정 육성시의 산소농도를 [Oi]로 하여, α×[Oi]⁴(여기서 α는 상수)로 견적할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 쵸크랄스키법(CZ법) 또는 자장인가CZ법(MCZ법)을 이용하여 실리콘 단결정을 육성하는 경우, 일반적으로 실리콘융액을 석영의 도가니에 유지하여, 단결정을 육성한다. 이에 따라 석영으로부터 용출된 산소원자가 실리콘융액을 통과하여, 육성 중인 실리콘 단결정에 취입되는 것이 일반적이다. 따라서 CZ법에 의해 육성되는 실리콘 단결정에 있어서는, 특히 산소에 기인하는 도너의 발생량을 고려하는 것이 바람직하고, 도너발생량에 대하여 보다 정밀도를 높일 수 있다.

그러나 단결정을 육성하는 시점에서는, 육성된 단결정이 어떠한 디바이스처리를 실시할 것인지 알고 있는 것은 아니다. 그래서, 디바이스공정 통과 후의 TD에 기인하는 캐리어발생량을 견적할 필요가 있다. 실험1에 나타나는 바와 같이 TD발생량은 열처리시간이나 [Oi]에 의존한다. 또한 TD에 의한 캐리어발생량은 산소의 확산계수를 고려한 복잡한 식으로서 표시된다. 실험1에서는, 이들 식을 구한 다음에, 보다 간편한 계산이 가능하도록 TD에 의한 캐리어농도변화량을 α×[Oi]⁴로 하여 근사할 수 있었다.

경원소불순물로서 산소원자만을 고려하는 경우는, 이 α×[Oi]⁴만을 견적하면 되고, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3 이하(전공정에서 산출한 값)로 억제할 수 있도록, 산소농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하면 된다.

또한, 상기 서술해 온 α의 값을, 산소농도의 단위를 atoms/cm³ ASTM’79로 했을 때, 5×10^-59로 할 수 있다.

상기와 같은 근사식, α의 값에 따라, 보다 간단하게, 정밀도 좋게, 산소 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량의 근사값을 구할 수 있다. 한편, 당연히, 상기 식이나 α의 값으로 한정되는 것은 아니며, 각종 조건 등에 따라 적당히 결정할 수 있다.

그러나, 일반적으로는 로내부품이나 원료에 기인하는 탄소원자가 결정 중에 포함되므로, 상당한 탄소저감화 관리를 한 경우를 제외하고는 탄소를 고려하는 것이 바람직하다. 그러면, 다음에, 경원소불순물이 탄소원자를 포함하는 경우에 대하여 설명한다.

(실험2)

실험1과 동일한 인상장치를 이용하여, 결정 중의 탄소농도가 3×10¹⁶-13×10¹⁶(atoms/cm³ New ASTM), 결정의 저항률이 15-30Ωcm가 되도록, 각각 탄소 및 P(인)을 도프하여 단결정을 육성하였다.

그 단결정의 여러 개소로부터 웨이퍼상의 샘플을 잘라내고, FT-IR에 의한 탄소농도측정 및 4탐침측정기에 의한 저항률 측정을 행하였다. 이때 저항률 측정의 전에 650℃에서 TD소거처리를 행하였다.

이 샘플에 BMD형성열처리(1150℃/1h+700℃/5h+1000℃/8h)를 행하고, 재도(再度) 저항률을 측정하였다. 이 열처리에서는 700℃의 처리가 포함되어 있으므로, 탄소 기인의 도너에 의한 저항률의 변화가 예상된다.

이에 열처리 전후의 저항률 차로부터, 열처리에 의해 발생한 캐리어량을 구하였다. 이 캐리어농도변화량을 열처리 전의 탄소농도에 대해 플롯한 것이 도 4이다. 이 열처리에서는, BMD형성을 목적으로 했으므로, 700℃에서 탄소 기인 도너를 형성한 후에, 1000℃의 열처리를 하여, 도너의 일부를 소멸했을 가능성이 있다. 이에 따라 캐리어발생량의 절대값은 정확하지 않다고 생각되나, 탄소농도에 대한 캐리어발생의 경향은 읽을 수 있다. 탄소 기인의 도너에 의한 캐리어발생량은 탄소농도에 거의 비례하고 있고 β×[Cs]로 표시할 수 있음을 알 수 있다.

이에 다음에 상기 샘플 중 가장 높은 탄소농도1.3×10¹⁷atoms/cm³의 샘플을 이용하고, 650℃의 TD소거열처리를 행한 후에 저항률을 측정하였다. 다시 그 후, 디바이스공정의 최종패키지공정에서 상정되는 750℃ 상당의 시간은 1시간 정도 이하라고 생각되므로, 750℃에서 1시간의 탄소 기인 도너형성열처리를 행하여, 저항률을 측정하였다. 그 결과, 탄소 기인의 도너에 의한 캐리어발생량은 6×10¹³/cm³이었다.

이상으로부터, 750℃에서 1시간의 열처리 후의 탄소 기인 도너에 기인하는 캐리어발생량은 5×10^-4×[Cs]로 계산됨을 알 수 있다.

실험1의 결과에 더해, 이 실험2의 결과에 대하여 정리하면 이하의 것을 말할 수 있다.

디바이스 제조시에 형성될 가능성이 있는 경원소 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 결정 육성시의 산소농도를 [Oi], 탄소농도를 [Cs]로 하여, α×[Oi]⁴+β×[Cs](여기서 α, β는 상수)로 견적할 수 있다.

CZ법에서는, 원료에 포함되어 있거나, 원료에 부착되어 있거나, 결정 육성로내에 있는 히터를 비롯한 탄소부품으로부터 실리콘용액 중으로 들어가거나 하여, 탄소가 혼입되는 경우가 있다. 더 나아가서는 주로 BMD를 형성할 목적으로 탄소를 고의로 첨가하는 경우가 있다. 따라서, 일반적으로 실리콘결정 중에는 탄소가 포함되어 있을 가능성이 높아, 산소에 더하여, 탄소도 고려하는 것이 보다 바람직하다.

탄소는 앞서 설명한 바와 같이 여러가지 설이 있으며 그 관련도 복잡하지만, 대체로 650-800℃ 정도에서 탄소 기인 도너를 발생시킨다. 실험2에서 나타낸 바와 같이, 1150℃에서 1시간+700℃에서 5시간+1000℃에서 8시간의 BMD형성열처리를 행한 후에, 700℃의 열처리에 기인한다고 생각되는 탄소에 기인한 캐리어농도변화가 보여, 탄소 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을 β×[Cs]로 견적할 수 있다. 한편, 여기서 탄소농도를 [Cs]로 하여 첨자 s를 붙인 것은, 탄소원자가 치환위치(Substitutional)에 존재하고 있는 것에 기인하고 있다.

따라서, 상당한 탄소저감화 관리를 한 경우를 제외하고는, TD기인 도너에 의한 캐리어농도변화량에, 탄소 기인 도너에 의한 캐리어농도변화량을 더한 α×[Oi]⁴+β×[Cs]를, 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3 이하로 억제할 수 있도록, 산소농도 및 탄소농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하는 것이 바람직하다. 물론 디바이스에서의 열처리조건에 따라서는, TD 또는 탄소 기인 도너에 의한 캐리어를 고려하지 않아도 될 가능성은 있다. 그러나, 단결정 육성시점에서는, 디바이스열처리가 확정되어 있는 것은 아니므로, 보다 안전한 설계로서, 양 도너에 기인하는 캐리어발생량을 합산한 것을 지표로 하는 것이 바람직하다.

탄소농도의 측정법으로는, 종래, 푸리에변환적외분광(FT-IR법) 등이 이용되고 있는데, 최근에는 보다 고감도의 탄소농도측정법으로서, 이온주입 또는 전자선조사 후의 저온PL법이 이용되고 있다. 이 수법을 이용한다면, 1×10¹⁴atoms/cm³ 이하의 탄소농도도 검출가능하다. 현행기술로는 측정할 수 없을 정도의 저농도이고, 또한 계산 등으로부터도 구할 수 없을 정도의 저농도이면 [Cs]=0으로 하여 취급할 수도 있다.

또한, 상기 서술해 온 β의 값을, 탄소농도의 단위를 atoms/cm³ New ASTM으로 했을 때, 5×10^-4로 할 수 있다.

단, 앞서 설명한 바와 같이 탄소농도측정법으로서, 이온주입 또는 전자선조사 후의 저온PL법이 이용되고 있다. 그러나 이는 새로운 기술이며 통일된 기준은 아니므로, 타사와 비교하는 경우에는 β의 값이 변화할 가능성이 있으므로, 절대적인 값은 아니다.

다음에, 경원소불순물이 질소원자를 포함하는 경우에 대하여 설명한다.

(실험3)

실험1과 동일한 인상장치를 이용하여, 목표의 질소농도수준을 6×10¹³-23×10¹³(atoms/cm³)로 할당하고, 또한 산소농도수준을 2.5×10¹⁷-12×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79)로 할당한 여러가지 질소도프실리콘 단결정 샘플을 준비하였다. 질소의 도프는 질화막이 부착된 웨이퍼를 준비하고, 이것을 실리콘원료와 함께 도가니 내에 투입하여 용융함으로써 도프하였다. 질소도프량은 질화막의 막두께와 웨이퍼의 질량으로부터 계산하여 구하였다. 또한 초기도프량을 알고 있으므로, 편석계산에 의해 샘플을 잘라낸 위치의 질소농도를 산출하여, 그 값을 각각의 샘플의 질소농도로 하였다.

이상의 샘플에 있어서, 먼저 TD소거열처리로서 650℃에서 20분의 열처리를 행하였다. 그 후에, 실험1과 마찬가지로, PN판정 및 저항률 측정을 행하였다. 이 저항률로부터 어빈커브를 이용하여 캐리어농도를 산출하였다. 또한 같은 샘플을 이용하여 FT-IR법에 의해 산소농도 [Oi]의 측정을 행하였다.

다음에 이들 샘플에 확실히 NO도너가 소거된다고 생각되는 1000℃에서 16시간의 열처리를 실시하여, NO도너를 소거하였다. 이 열처리 후에 재도(再度) 저항률 측정을 하고, 캐리어농도를 산출하였다. 이것을 열처리 전의 캐리어농도와 차감함으로써, 캐리어농도변화량을 산출하였다.

이 캐리어변화량을 근사할 수 있는 식을 구한 바, 질소농도의 1승과 산소농도의 3승의 곱인, [N]×[Oi]³에 비례함을 알 수 있다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 아상으로부터, NO도너에 의한 캐리어농도변화량은 γ×[N]×[Oi]³으로 나타낼 수 있다고 생각된다.

이에, 다음에 산소농도를 11×10¹⁷atoms/cm³으로 하고, 질소농도를 8×10¹³, 4×10¹⁴atoms/cm³의 2수준으로 할당한 샘플을 준비하고, 웨이퍼로 가공하였다. 이 웨이퍼에 1150℃에서 NO도너소거열처리를 행한 후, 저항률을 측정하였다. 다시 그 후, 디바이스공정의 최종패키지공정에서 상정되는 600℃ 상당의 시간은 1시간 정도 이하라고 생각되므로, 600℃에서 1시간의 NO도너형성열처리를 행하여, 저항률을 측정하였다.

NO도너형성열처리 전후의 저항률로부터, NO도너에 의한 캐리어발생량을 구한 바, 질소농도 8×10¹³, 4×10¹⁴atoms/cm³에 대해, 2×10¹²/cm³, 11×10¹²/cm³이었다. 이상으로부터, 600℃에서 1시간 열처리 후의 NO도너에 기인하는 캐리어발생량은 2×10^-56×[N]×[Oi]³으로 계산됨을 알 수 있다.

실험1, 2의 결과에 더하여, 이 실험3의 결과에 대하여 정리하면 이하의 것을 말할 수 있다.

단결정 중에 질소가 포함되어 있을 가능성이 있는 경우에는, 디바이스 제조시에 형성될 가능성이 있는 경원소 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을, 단결정 육성시의 산소농도를 [Oi], 질소농도를 [N], 탄소농도를 [Cs]로 하여,

α×[Oi]⁴+β×[Cs]+γ×[N]×[Oi]³(여기서 α, β, γ는 상수)…식(2)

로 견적할 수 있다.

CZ법에 있어서는, BMD를 형성하거나, Grown-in결함을 제어하거나 하기 위해, 질소를 고의로 첨가하는 경우가 있다. 질소에 관해서는, 고의가 아니더라도 공기 중에 대량 포함되어 있는 질소가, 원료에 부착되거나, 가스 중에 포함되어 있거나 하여, 혼입되는 경우가 있다. 따라서, 질소가 포함되어 있을 가능성이 있는 단결정에 있어서는, 산소와 탄소에 더하여, 질소에 관해서도 고려하는 것이 보다 바람직하다.

실험3에서 나타낸 바와 같이, 단결정 육성 후에 형성되어 있는 NO도너에 의한 캐리어농도변화량은 [N]×[Oi]³에 비례한다. 그래서 NO도너에 의한 캐리어농도변화량을 γ×[N]×[Oi]³으로 하여 견적하는 것이 바람직하다.

따라서 TD와 탄소 기인 도너에 의한 캐리어농도변화량에, NO도너에 의한 캐리어농도변화량을 더한 α×[Oi]⁴+β×[Cs]+γ×[N]×[Oi]³을 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3 이하로 억제할 수 있도록, 산소농도, 탄소농도 및 질소농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하는 것이 바람직하다. 물론 디바이스에서의 열처리에 따라서는, TD, 탄소 기인 도너, NO도너 중 어느 하나에 의한 캐리어를 고려하지 않아도 될 가능성은 있다. 그러나 단결정 육성시점에서는, 디바이스열처리가 확정되어 있는 것은 아니므로, 보다 안전한 설계로서, 모든 도너에 기인하는 캐리어량을 합산한 것을 지표로 하는 것이 바람직하다.

단, 질소농도의 측정은 이차이온질량분석(SIMS)이나 푸리에변환적외분광(FT-IR법) 등이 있는데, 이것의 검출감도는 14승대부터 기껏해야 13승후반대 정도이다. 이들 수법으로 측정할 수 있는 범위에서는, 이들의 측정값을 [N]으로 하여 이용할 수 있다.

그러나 이들 검출하한 이하의 질소도프가 행해지는 경우도 있다. 그 경우, 실리콘제조업체에서는 측정가능한 고농도도프했을 때의 데이터를 토대로 도프량을 조정하고, 측정불가능한 농도범위를 제어하고 있는 경우가 있다. 따라서, 질소농도계산값으로 제어하고 있는 경우에는, 질소농도의 목표값이나 계산값을 이용할 수 있다. 현행기술로는 측정할 수 없을 정도의 저농도이고, 또한 계산 등으로부터도 구할 수 없을 정도의 저농도이면 [N]=0으로 하여 취급할 수도 있다.

상기 서술해 온 γ의 값을, 산소농도의 단위를 atoms/cm³ ASTM’79, 질소농도의 단위를 atoms/cm³로 했을 때, 2×10^-56으로 할 수 있다.

단, 상기 서술한 바와 같이 질소농도의 검출하한은 비교적 높아, 질소도프하는 경우는 계산에 의한 농도제어가 행해진다. 이렇게 계산에 의한 질소농도의 겨냥값을 이용하는 경우, 통일된 기준은 없으므로, 타사와 비교하는 경우에는 γ의 값이 변화할 가능성이 있으므로, 절대적인 값은 아니다.

이상과 같이, 식(2)와 같은 근사식이나, α, β, γ의 값을 이용함으로써, 상기 캐리어농도변화량의 근사값을, 보다 간단하게, 정밀도 좋게 견적하는 것이 가능해진다. 한편, 고려에서 생략한 불순물이 있는 경우는, 예를 들어 상기 식에 있어서 그 농도를 제로로 하여 계산하면 된다. 단, 상술한 바와 같이, 특히 산소원자에 관해서는, CZ법에 있어서는 석영도가니로부터 실리콘융액을 개재하여 실리콘 단결정에 취입되므로, 항상 고려하는 것이 바람직하다.

더 나아가서는, 상당한 탄소저감화 관리를 한 경우를 제외하고는, 고감도탄소 측정장치의 검출하한 이상의 농도로 탄소원자가 포함되어 있으므로, 일반적으로는 탄소농도를 더하여 고려하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 식(2)로 한정되지 않고, 보다 많은 정보나 데이터를 토대로, 보다 정확한 캐리어변화량을 기술(記述)할 수 있다면, 보다 정확한 제어가 가능해지는 것은 말할 것도 없으며, 보다 정확하게 개량된 식도 포함하여 본 기술의 범주라 할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 하여 견적한 캐리어농도변화량이, 앞의 공정1에서의 산출값의 1/3 이하가 되도록, 육성하는 실리콘 단결정 중의 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정한다. 1/3 이하이면 되고, 나아가 디바이스에 따라서는 중요한 특성의 허용범위가 작은 것도 있으므로, 디바이스의 종류에 따라서는, 1/5 이하나 1/10 이하로 억제한 편이 좋은 경우도 있다.

이 설정방법은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 시뮬레이션소프트를 이용하여 미리 실험을 행할 수 있다. 이에 따라, 각종 육성조건과 육성결과(경원소불순물의 함유농도)의 관계를 조사할 수 있다. 혹은 실제의 단결정 인상장치를 이용하여 단결정 인상을 행하고, 그 결과로부터 이들 관계를 조사할 수도 있다.

예를 들어, 상술한 근사식을 이용하여 캐리어농도변화량을 견적하고, 상기 산출값의 1/3 이하가 되는 경원소불순물의 적절한 농도를 적당히 결정하고, 그리고 상기 관계로부터, 그 적절한 농도를 얻기 위한 적절한 육성조건을 정할 수 있다.

한편, 산소농도의 제어방법으로는, 예를 들어, 도가니나 결정의 회전속도, 로내압, 로내가스유량의 조정을 들 수 있다.

또한, 탄소농도의 제어방법으로는, 예를 들어, 도가니 내에 원료 실리콘 다결정을 충전할 때에 탄소분을 도프제로서 투입하거나, 도가니 내에 충전하는 원료 실리콘 다결정의 선별, 로내압, 로내가스유량, 단결정 인상길이에 따른 조정을 생각할 수 있다.

또한, 질소농도의 제어방법으로는, 예를 들어, 도가니 내에 원료 실리콘 다결정을 충전할 때에 질화막이 부착된 웨이퍼를 투입하는 것이나 단결정 인상길이에 따른 조정을 들 수 있다.

(공정3)

상기와 같이 하여 육성조건을 설정한 후에는, 그 육성조건에 기초하여, 미리 정한 목표저항률의 실리콘 단결정을 육성하면 된다(도 1: 공정3).

이렇게 한다면, 육성 후의 실리콘 단결정을 디바이스공정에 가해도, 거기에서 형성되는 산소 등의 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을 상기 산출값 이하로 억제할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 목표저항률로부터 크게 변화하는 것을 방지할 수 있어, 저항률의 변화량을 허용범위 내로 하는 것이 가능하다. 이에 따라, 원하는 디바이스품질을 얻을 수 있고, 불량품이 발생하는 것이 억제되어, 수율을 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 나타내어, 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

개략도를 도 6에 나타낸 인상장치를 이용하여, N형(인) 70-55Ωcm의 디바이스용 실리콘 단결정을 3개 육성하였다. 이 샘플 3개 중 2개는 질소논도프품이고, 1개는 질소도프품이다. 규격 내의 가장 고저항측인 70Ωcm에 있어서의 N형도펀트농도는 6.1×10¹³/cm³이고, 그 1/3인 2.0×10¹³/cm³ 이하로 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어발생량을 억제하는 것이 바람직하다.

이에 산소농도를 3수준으로 나눈 단결정을 육성하였다. 상기의 캐리어발생량(캐리어농도변화량) 이내로 억제하기 위해, 산소농도는 도가니회전과 결정회전을 변경하면서 극저산소농도로 하였다. 또한 중간의 산소농도를 목표한 단결정에는 질소를 도프하여 그 영향도 조사하였다. 질화막이 부착된 웨이퍼를 도프제로서 이용하고, 뒤에 나타내는 비교예보다는 저농도로 조정하였다. 탄소에 관해서는 고감도 측정장치의 검출하한이 될 정도의 저탄소화처리나 조업조건까지는 이용하고 있지 않으나, 고순도원료를 이용하였다.

이렇게 하여 얻어진 질소논도프결정, 및 질소도프결정으로부터 웨이퍼형상 샘플을 잘라내고, 실온의 FT-IR법에 의해, 산소농도와 탄소농도를 측정하였다.

그 결과, 각각의 샘플에 있어서, 다음과 같이 목표를 달성하는 측정값이 얻어졌다.

샘플1은, 산소농도측정값이 2.9×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79), 탄소농도측정값이 1.5×10¹⁵(atoms/cm³ New ASTM)였다. 이에 따라 예상되는 경원소 기인 도너에 의한 캐리어발생량은, 5×10^-59×[Oi]⁴+5×10^-4×[Cs]를 이용하여 1.1×10¹²/cm³으로 계산되었고, 목표의 2.0×10¹³/cm³을 크게 하회하였다.

샘플2는, 산소농도측정값이 4.2×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79), 탄소농도측정값이 2.6×10¹⁵(atoms/cm³ New ASTM)이고, 잘라낸 위치에서의 질소농도계산값이 8.6×10¹³(atoms/cm³)이었다. 이에 따라 예상되는 경원소 기인 도너에 의한 캐리어발생량은, 5×10^-59×[Oi]⁴+5×10^-4×[Cs]+2×10^-56×[N]×[Oi]³을 이용하여 3.1×10¹²/cm³으로 계산되었고, 목표의 2.0×10¹³/cm³을 충분히 하회하였다.

샘플3은, 산소농도측정값이 6.7×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79), 탄소농도측정값이 2.8×10¹⁵(atoms/cm³ New ASTM)였다. 이에 따라 예상되는 경원소 기인 도너에 의한 캐리어발생량은, 5×10^-59×[Oi]⁴+5×10^-4×[Cs]를 이용하여 1.2×10¹³/cm³으로 계산되었고, 목표의 2.0×10¹³/cm³보다는 하회하였다.

평가용 샘플을 잘라낸 위치에 인접하는 결정부위를 슬라이스, 연마하여 PW(폴리쉬드웨이퍼)를 제조하였다. 이 PW를 목적의 디바이스공정에 투입한 바, 문제없이 제품이 제조되었다.

(비교예)

실시예에 대해, 목표저항률은 실시예 그대로 하고, 목표 질소농도를 높이고, 미량의 탄소를 도프한 비교샘플4의 단결정을 육성하였다. 또한, 실시예에서 제작한 샘플보다 도가니회전을 높이고, 로내에 흐르는 Ar가스유량을 적게 한 비교샘플5의 단결정을 육성하였다. 한편, 이들 단결정의 육성에 있어서는, 실시예와는 달리, 경원소불순물 기인 도너의 고려는 행하고 있지 않다.

이들 단결정으로부터 웨이퍼형상 샘플을 잘라내고, 실온의 FT-IR법에 의해, 산소농도와 탄소농도를 측정하였다.

그 결과, 비교샘플4의 산소농도는 7.5×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79), 탄소농도는 1.4×10¹⁶(atoms/cm³ NEW ASTM)이고, 잘라낸 위치에서의 질소농도계산값은 1.7×10¹⁴(atoms/cm³)였다.

이 비교예에서는 미리 캐리어농도변화량의 견적은 행하지 않았으나, 후에, 시험삼아 견적 계산을 한 바, 상기 농도에 따라 예상되는 경원소 기인 도너에 의한 캐리어발생량은 5×10^-59×[Oi]⁴+5×10^-4×[Cs]+2×10^-56×[N]×[Oi]³을 이용하여 2.5×10¹³/cm³으로 계산되었고, 목표의 2.0×10¹³/cm³보다 상회하고 있었다.

다른 하나의 비교샘플5의 산소농도는 9.8×10¹⁷(atoms/cm³ ASTM’79), 탄소농도는 3.1×10¹⁵(atoms/cm³ New ASTM)였다.

이 비교예에서는 미리 캐리어농도변화량의 견적은 행하지 않았으나, 후에, 시험삼아 견적 계산을 한 바, 상기 농도에 따라 예상되는 경원소 기인 도너에 의한 캐리어발생량은 5×10^-59×[Oi]⁴+5×10^-4×[Cs]를 이용하여 4.9×10¹³/cm³로 계산되었고, 목표의 2.0×10¹³/cm³을 크게 상회하고 있었다.

평가용 샘플을 잘라낸 위치에 인접하는 결정부위를 슬라이스, 연마하여 PW(폴리쉬드웨이퍼)를 제조하였다. 실시예와 마찬가지로, 이 PW를 목적의 디바이스에 투입한 바, 목표의 디바이스특성이 얻어지지 않아 불량품이 되었다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1: 단결정 인상장치
2: 인상실
3: 도가니
4: 히터
5: 도가니유지축
6: 실리콘의 종결정
7: 시드척
8: 와이어
9: 단열재
10: 실리콘 단결정
11: 실리콘융액

Claims

쵸크랄스키법에 의해 고저항률의 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서,
상기 실리콘 단결정을 육성할 때,
상기 실리콘 단결정의 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출하고,
상기 육성 후의 실리콘 단결정에 디바이스를 제조했을 때에 형성될 가능성이 있는 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량이, 상기 산출값 이하가 되도록, 육성하는 실리콘 단결정 중의 상기 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정하고,
이 설정한 육성조건에 기초하여, 상기 목표저항률을 갖는 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법.
제1항에 있어서,
상기 목표저항률에 기여하는 도펀트농도의 1/3의 값을 산출할 때,
상기 도펀트농도를, 어빈커브에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 육성하는 실리콘 단결정의 저항률을, P형 단결정에서는 100Ωcm 이상으로 하고, N형 단결정에서는 33Ωcm 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경원소불순물을, 산소원자, 탄소원자, 및 질소원자 중 어느 1개 이상으로 하고, 상기 경원소불순물의 농도를 제어하기 위한 육성조건을 설정할 때,
상기 경원소불순물 기인의 도너에 의한 캐리어농도변화량을,
상기 실리콘 단결정 육성시의 산소농도를 [Oi], 질소농도를 [N], 탄소농도를 [Cs]로 했을 때,
α×[Oi]⁴+β×[Cs]+γ×[N]×[Oi]³
(여기서, α, β, γ는 상수)
으로 하여 견적하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법.
제4항에 있어서,
상기 α의 값을, 산소농도의 단위를 atoms/cm³(ASTM’79)로 했을 때, 5×10^-59로 하고,
상기 β의 값을, 탄소농도의 단위를 atoms/cm³(New ASTM)로 했을 때, 5×10^-4로 하고,
상기의 γ값을, 질소농도의 단위를 atoms/cm³으로 했을 때, 2×10^-56으로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성방법.