WO2016163602A1 - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법 Download PDF

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WO2016163602A1
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ingot
single crystal
silicon
silicon melt
growing
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김상희
정용호
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주식회사 엘지실트론
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    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02002—Preparing wafers

Definitions

  • the embodiment relates to an apparatus and a method for growing a silicon single crystal ingot, and more particularly, to secure uniformity of radial microdefects (BMD) in a highly doped silicon single crystal ingot.
  • BMD radial microdefects
  • Conventional silicon wafers include a single crystal growth process for producing a single crystal ingot, a slicing process for slicing the single crystal ingot to obtain a thin disk-shaped wafer, and cracking and distortion of the wafer obtained by the slicing process. Grinding process to process the outer periphery to prevent, Lapping process to remove the damage due to mechanical processing remaining on the wafer, Polishing process to mirror the wafer And a cleaning step of polishing the polished wafer and removing the abrasive or foreign matter adhering to the wafer.
  • a single crystal silicon ingot is grown by charging polycrystalline silicon in a quartz crucible, heating and melting it with a graphite heating element, immersing the seed in a silicon melt formed as a result of melting, and rotating the seed while rotating the seed when crystallization occurs at the interface. Let's do it.
  • oxygen is included in the silicon single crystal as crystal defects and unwanted impurities according to the growth history. This impregnated oxygen grows into oxygen precipitates due to the heat applied in the manufacturing process of the semiconductor device. The oxygen precipitates reinforce the strength of the silicon wafer and capture metal contaminants, such as internal gettering. It also shows beneficial properties, such as acting as a c-site, but also shows harmful properties that cause leakage current and failure of semiconductor devices.
  • a wafer that exists at a predetermined density and distribution in a bulk region of a predetermined depth is required while substantially no oxygen deposit is present in a denuded zone from a wafer surface on which a semiconductor element is to be formed to a predetermined depth. do.
  • the bulk deposits including oxygen deposits and bulk deposition defects, are commonly referred to as BMDs (Bulk Micor Defects).
  • BMDs Bulk Micor Defects
  • process variables such as seed rotation speed, crucible rotation speed, melt surface and heat shield when growing a silicon single crystal ingot
  • the embodiment seeks to improve the uniformity of the BMD in the radial direction upon growth of the silicon single crystal.
  • An embodiment is a method of growing a silicon single crystal ingot, comprising: preparing a silicon melt in a crucible; Probing a seed in said silicon melt; Applying a horizontal magnetic field to the crucible and rotating the seed and the crucible; And pulling up an ingot grown from the silicon melt, wherein an interface between the growing ingot and the silicon melt is formed 1 mm to 5 mm down from a horizontal plane, and the BMD (Bulk Micro Defects) of the grown ingot
  • a method of growing a silicon single crystal ingot having a dml size of 55 nanometers to 65 nanometers is provided.
  • the temperature gradient in the ingot may be less than 34 Kelvin / cm.
  • the cooling time of the central region of the ingot may be longer than the cooling time of the edge region.
  • the silicon melt may have a resistivity of 20 mohm ⁇ cm (milliohm centimeters) or less.
  • the silicon melt may be doped with a dopant of at least 3.24E18 atoms / cm 3 .
  • the dopant may be Boron.
  • the rotational speed of the seed can be 8 rpm or less.
  • a magnetic field may be added to the silicon melt at 3000 G (Gauss) or more.
  • the distance between the silicon melt and the heat shield may be at least 40 millimeters.
  • Another embodiment includes a chamber; A crucible provided inside the chamber and containing a silicon melt; A heater provided inside the chamber and heating the silicon melt; A heat shield for shielding heat of the heater facing the ingot grown from the silicon melt; A pulling unit which rotates and pulls the grown ingot from the silicon melt; And a magnetic field generating unit applying a horizontal magnetic field to the crucible, wherein the pulling unit provides a growth apparatus of a silicon single crystal ingot for rotating the seed at a speed of 8 rpm or less.
  • the magnetic field generating unit may apply a magnetic field to the silicon melt at 3000 G (Gauss) or more.
  • the pulling unit may set the distance between the silicon melt and the heat shield to be at least 40 millimeters when the ingot is grown.
  • the heater may heat the crucible so that the temperature gradient in the ingot is less than 34 Kelvin / cm during the growth of the ingot.
  • the silicon melt may have a resistivity of 20 mohm ⁇ cm (milliohm centimeters) or less.
  • the pulling unit may raise the ingot so that the cooling time of the central region of the ingot is longer than the cooling time of the edge region.
  • the apparatus for growing a silicon single crystal ingot may further include a dopant supply unit for doping the silicon melt with a concentration of 3.24E18 atoms / cm 3 or more.
  • the pulling unit may raise the ingot such that the interface between the growing ingot and the silicon melt is formed from 1 millimeter to 5 millimeters down from a horizontal plane.
  • the thermal history of the center portion of the ingot is increased so that the BMDs of the center portion and the edge portion of the wafer are evenly distributed.
  • FIG. 1 is a view showing a single crystal ingot manufacturing apparatus according to an embodiment
  • FIG. 2A is a view showing BMD variation according to longitudinal length growth (x-axis) during body growth of a silicon single crystal ingot
  • FIG. 2B is a view showing BMD dispersion in a wafer plane.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a BMD difference between a center region and an edge region of a wafer
  • 4A and 4B are views showing the orientation of the growth interface at the time of growth of a silicon single crystal ingot
  • 5A and 5B are diagrams illustrating a growth interface at the time of growth of a silicon single crystal ingot according to a comparative example and an embodiment
  • Figure 6a shows the resistivity and BMD distribution in the longitudinal direction of the ingot grown by the method according to the conventional comparative examples and examples
  • 6B shows the BMD distribution in the radial direction of a wafer made from an ingot grown by the method according to the embodiment.
  • the upper (up) or the lower (down) (on or under) when described as being formed on the “on” or “on” (under) of each element, the upper (up) or the lower (down) (on or under) includes both the two elements are in direct contact with each other (directly) or one or more other elements are formed indirectly formed (indirectly) between the two elements.
  • the up direction or "on” (under or “under) when expressed as “up” or "on” (under or "under”) may include the meaning of the down direction as well as the up direction based on one element.
  • each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description.
  • the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
  • FIG. 1 is a view showing a single crystal ingot manufacturing apparatus according to an embodiment.
  • the silicon single crystal ingot manufacturing apparatus 100 may include a chamber 110, a crucible 120, a heater 130, a pulling unit 150, and the like.
  • the single crystal growth apparatus 100 according to the embodiment is provided in the chamber 110, the inside of the chamber 110, the crucible 120 containing the silicon melt, and the inside of the chamber 110.
  • the heater 130 and the seed 152 for heating the crucible 120 may include a pulling means 150 coupled to one end.
  • the chamber 110 provides a space in which predetermined processes for growing a single crystal ingot for a silicon wafer used as an electronic component material such as a semiconductor are performed.
  • the radiant heat insulator 140 may be installed on the inner wall of the chamber 110 to prevent heat of the heater 130 from being discharged to the side wall of the chamber 110.
  • an argon gas or the like may be injected into the chamber 110 of the silicon single crystal growth apparatus and discharged downward.
  • the crucible 120 is provided inside the chamber 110 to contain a silicon melt and may be made of quartz.
  • a crucible support (not shown) made of graphite may be provided outside the crucible 120 to support the crucible 120.
  • the crucible support is fixedly installed on a rotating shaft (not shown), which can be rotated by a driving means (not shown) to allow the solid-liquid interface to maintain the same height while rotating and elevating the crucible 120. have.
  • the heater 130 may be provided inside the chamber 110 to heat the crucible 120 and may serve to heat the silicon melt.
  • the heater 130 may be formed in a cylindrical shape surrounding the crucible support. The heater 130 melts a high-purity polycrystalline silicon mass loaded in the crucible 120 into a silicon melt.
  • a heat shield is provided on the top of the crucible to block heat generated from the heater 130 toward the silicon single crystal ingot which is grown and pulled up.
  • the dopant supply unit (not shown) may dop the dopant in the silicon melt at a concentration of 3.24E18 atoms / cm 3 or more.
  • a magnetic field generating unit is provided around the chamber to apply a magnetic field to the crucible 120 in a horizontal direction.
  • a Czochralsk (CZ) method may be employed in which a single crystal seed (152), which is a single crystal, is grown in a silicon melt, and then slowly pulled up, while growing a crystal.
  • a silicon melt is prepared in a crucible, and a necking process is performed in which a seed is probed in the silicon melt to grow thin elongated crystals from the seed 152. After the process of shouldering, and then body growing process to grow into a crystal having a certain diameter, after the body growing by a certain length, the diameter of the crystal is gradually reduced to separate from the molten silicon. Single crystal growth is completed through a tailing process.
  • the crucible In the growth and pulling stage of the ingot, the crucible can be rotated and a horizontal magnetic field can be applied.
  • the heater 130 may heat the crucible 120 such that a temperature gradient within the ingot is less than 34 Kelvin / cm during ingot growth.
  • the silicon melt may be doped with B (boron) with a P-type dopant, and may be doped with As (arsenic), P (phosphorus), Sb (antimony), or the like with an N-type dopant.
  • B boron
  • As arsenic
  • P phosphorus
  • Sb antimony
  • the growth rate / temperature gradient V / G
  • the BMD can change within the region.
  • the pulling unit 150 having the seed 152 coupled to one end rotates the seed at a speed of 8 rpm or less
  • the magnetic field generating unit may apply a magnetic field of 3000 G or more (Gauss) to the silicon melt.
  • Unit 150 may adjust the pulling speed of the ingot. Specifically, when the ingot is grown, the pulling speed of the ingot is adjusted so that the distance between the silicon melt and the above-described heat shield is 40 mm or more, and as shown in FIG. 5B, the interface between the growing ingot and the silicon melt is The ingot can be raised to form from 1 millimeter to 5 millimeters down from the horizontal plane.
  • FIG. 2A is a view showing BMD change according to longitudinal length growth (x-axis) during body growth of a silicon single crystal ingot
  • FIG. 2B is a view showing BMD dispersion in a wafer plane.
  • the BMD continuously changes during the growth of the body of the ingot, and in particular, as shown in FIG. 2B, the BMD dispersion is large even in the plane of the wafer, which is the same region in the longitudinal direction.
  • the G value is 34 Kelvin / K in the entire region of the ingot. It should be less than cm.
  • the silicon single crystal ingot grown by the above-described process has a resistivity of 20 mohm ⁇ cm (milliohm / cm) or less and boron of 3.24E18 atoms / cm 3 or more with a dopant, as shown in FIG. 2B. There is less BMD in the center region of the wafer. And, the large BMD difference between the center region and the edge region of the wafer from FIG. 3 may be due to the smaller BMD size in the center region of the wafer than the edge region of the wafer.
  • the cooling time of the center region is relatively long.
  • 4A and 4B are diagrams showing the orientation of the growth interface when growing a silicon single crystal ingot.
  • pulling speeds (P / S) of the silicon single crystal ingot are the same, but cooling rates may not be the same.
  • the interface of the lower part of the ingot is convex upward, so that the cooling time of the center region A of the wafer may be relatively shorter than the cooling time of the edge region B.
  • the cooling time of the center region A of the wafer may be relatively longer than the cooling time of the edge region B because the convex portion is convex downward in the interface of the lower portion of the ingot.
  • the wafer is not grown at the same time as the central region and the edge region, and the central region is grown earlier to increase the thermal history, thereby increasing only the BMD size of the central region.
  • 5A and 5B are diagrams showing growth interfaces at the growth of silicon single crystal ingots according to Comparative Examples and Examples.
  • the comparative example of FIG. 5A shows the interface of the lower portion of the silicon sugar crystal ingot convex by a height h 1 from the horizontal plane shown by the dotted line
  • the comparative example of FIG. 5B shows the interface of the lower portion of the silicon sugar crystal ingot shown by the dotted line. It is convex by the height h 2 from the horizontal plane upwards.
  • the rotation speed of the seed is 8 rpm or less
  • the magnetic field strength is 3,000 G (Gaussian) or more to lower the above-described temperature gradient
  • the melt gap which is the distance between the silicon melt and the heat shield. (melt gap) can be more than 40 millimeters.
  • Table 1 shows the BMD change in the center region and the edge region of the wafer according to the shape of the growth interface, and the height of the growth interface represents h 1 and h 2 in FIGS. 5A and 5B, and is convex upward when the value is +. If it is a value, it can be convex down.
  • the growth interface of the silicon single crystal ingot may be convex upward. In Examples 1 and 2, the growth interface of the silicon single crystal ingot may be convex downward.
  • the growth interface of the heavily doped silicon single crystal ingot is convexly controlled downward, so that the degree of BMD change is small, thereby ensuring uniformity of BMD concentration in the radial direction.
  • Figure 6a shows the resistivity and BMD distribution in the longitudinal direction (longitudinal direction) of the ingot grown by the method according to the conventional comparative examples and examples, the BMD deviation in the longitudinal direction may be within 100 times.
  • the wafer manufactured from the ingot grown by the method according to the embodiment may have an even BMD distribution in the in-plane direction (lateral direction), and the deviation may be less than 0.4 as shown in Table 1.
  • the 'in-plane' may be a horizontal direction as shown in FIG. 5B.
  • the BMD of the center portion and the edge portion of the manufactured wafer is evenly distributed, so that the quality of the wafer can be improved.
  • the apparatus and method according to the embodiment can provide silicon high quality silicon single crystal ingots.

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Abstract

실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 있어서, 도가니 내에 실리콘 용융액를 준비하는 단계; 상기 실리콘 용융액에 시드를 탐침하는 단계; 상기 도가니에 수평 자기장을 가하며 상기 시드와 상기 도가니를 회전시키는 단계; 및 상기 실리콘 용융액로부터 성장되는 잉곳을 인상하는 단계를 포함하고, 상기 성장 중인 잉곳과 상기 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되고, 상기 성장되는 잉곳의 BMD(Bulk Micro Defects)dml 사이즈(size)가 55 나노미터(nanometer) 내지 65 나노미터인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공하다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고도핑 실리콘 단결정 잉곳에서 반경 방향의 BMD(Bulk Micro Defects)의 균일성을 확보하고자 한다.
통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 방지하기 위해 그 외주부를 가공하는 그라인딩(Grinding) 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 상기 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 연마하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.
단결정 성장은 플로우팅존(floating zone : FZ) 방법 또는 초크랄스키(Czochralski : CZ, 이하 CZ라 칭한다) 방법을 많이 사용하여 왔다. 이들 방법 중에서 가장 일반화되어 있는 방법이 CZ 방법이다.
CZ 방법에서는 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 시드를 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 시드를 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳을 성장시킨다.
실리콘 단결정의 성장 과정에서 성장 이력에 따른 결정 결함 및 원하지 않는 불순물로서 특히 산소가 실리콘 단결정에 포함되게 된다. 이렇게 함입된 산소는 반도체 소자의 제조 공정에서 가해지는 열에 의해 산소 침전물(oxygen precipitates)로 성장하게 되는데, 이 산소 침전물은 실리콘 웨이퍼의 강도를 보강하고 금속 오염 원소를 포획하는 등 내부 게터링(Internal Gettering) 사이트로서 작용하는 등 유익한 특성을 보이기도 하지만, 반도체 소자의 누설전류 및 불량(fail)을 유발하는 유해한 특성을 보인다.
따라서, 반도체 소자가 형성될 웨이퍼 표면으로부터 소정 깊이까지의 디누드 존(denuded zone)에는 이러한 산소 침전물이 실질적으로 존재하지 않으면서도, 소정 깊이 이상의 벌크 영역에서는 소정의 밀도 및 분포로 존재하는 웨이퍼가 요구된다. 반도체 소자 제조 공정에서 이렇게 벌크 영역에 생성되는 산소 침전물들과 벌크 적층 결함들을 포함하여 통상 BMD(Bulk Micor Defects)라 하며, 이하에서는 벌크 영역의 산소 침전물과 BMD를 구분하지 않고 사용하기로 한다.
이러한 BMD의 농도 및 분포가 제어된 웨이퍼를 제공하기 위한 기술로서는, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 공정 변수인 시드(seed) 회전속도, 도가니 회전속도, 융액(melt) 표면과 열차폐체(heat shield)간의 간격인 멜 트 갭(melt gap), 잉곳의 인상속도(pull speed), 핫 존(hot zone)의 디자인 변경, 질소나 탄소 등의 제3의 원소 도핑 등을 통해 초기 산소 농도와 결정 결함 농도를 조절함으로써 BMD 농도를 제어하는 기술들이 제안되었다.
또한, 이러한 성장 공정 변수나 성장 이력을 제어하는 방법 이외에 웨이퍼 가공 공정(wafering process) 중에 열처리를 통해 BMD 농도 및 분포를 조절할 필요가 있다.
실시예는 실리콘 단결정의 성장시에 반경 방향의 BMD의 균일성을 향상시키고자 한다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 있어서, 도가니 내에 실리콘 용융액를 준비하는 단계; 상기 실리콘 용융액에 시드를 탐침하는 단계; 상기 도가니에 수평 자기장을 가하며 상기 시드와 상기 도가니를 회전시키는 단계; 및 상기 실리콘 용융액로부터 성장되는 잉곳을 인상하는 단계를 포함하고, 상기 성장 중인 잉곳과 상기 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되고, 상기 성장되는 잉곳의 BMD(Bulk Micro Defects)dml 사이즈(size)가 55 나노미터(nanometer) 내지 65 나노미터인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.
잉곳의 성장 중에 상기 잉곳 내의 온도 구배(temperature gradient)가 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만일 수 있다.
잉곳의 중앙 영역의 냉각 시간이 가장 자리 영역의 냉각 시간보다 길 수 있다.
실리콘 용융액은 비저항이 20 mohm·cm(밀리옴·센티미터) 이하일 수 있다.
실리콘 용융액은 도펀트가 3.24E18 atoms/cm3 이상 도핑될 수 있다.
도펀트는 보론(Boron)일 수 있다.
잉곳의 성장 시에, 시드의 회전 속도는 8 rpm 이하일 수 있다.
잉곳의 성장 시에, 상기 실리콘 용융액에 자기장을 3000 G(가우스) 이상으로 가할 수 있다.
잉곳의 성장 시에, 상기 실리콘 용융액과 열차폐재와의 거리는 40 밀리미터 이상일 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘 멜트를 가열하는 히터; 상기 실리콘 용융액으로부터 성장되는 상기 잉곳을 향하는 상기 히터의 열을 차폐하는 열차폐재; 상기 실리콘 용융액으로부터 상기 성장되는 잉곳을 회전하며 인상하는 인상 유닛; 및 상기 도가니에 수평 자기장을 인가하는 자기장 발생 유닛을 포함하고, 상기 인상 유닛은 상기 시드를 8 rpm 이하의 속도로 회전시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
자기장 발생 유닛은, 상기 실리콘 용융액에 자기장을 3000 G(가우스) 이상으로 인가할 수 있다.
인상 유닛은, 상기 잉곳의 성장 시에 상기 실리콘 용융액과 상기 열차폐재와의 거리를 40 밀리미터 이상으로 할 수 있다.
히터는, 상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳 내의 온도 구배(temperature gradient)를 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만이 되도록 상기 도가니를 가열할 수 있다.
실리콘 용융액은 비저항이 20 mohm·cm(밀리옴·센티미터) 이하일 수 있다.
인상 유닛은, 상기 잉곳의 중앙 영역의 냉각 시간이 가장 자리 영역의 냉각 시간보다 길도록 상기 잉곳을 인상할 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 실리콘 용융액에 도펀트를 3.24E18 atoms/cm3 이상의 농도로 도핑하는 도펀트 공급부를 더 포함할 수 있다.
인상 유닛은, 상기 성장 중인 잉곳과 상기 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되도록 상기 잉곳을 인상할 수 있다.
실시예에 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법은, 잉곳의 중앙 부분의 열이력이 증가하여 제조된 웨이퍼의 중앙 부분과 가장 자리 부분의 BMD가 고르게 분포할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 나타낸 도면이고,
도 2a는 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장시에 종방향의 길이 성장(x축)에 따른 BMD 변화를 나타낸 도면이고, 도 2b는 웨이퍼 면 내의 BMD 산포를 나타낸 도면이고,
도 3은 웨이퍼의 중앙 영역과 가장 자리 영역의 BMD 차이를 나타내는 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 성장 계면의 방향성을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 비교예와 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 성장 계면을 나타낸 도면이고,
도 6a는 종래의 비교예와 실시예에 따른 방법으로 성장된 잉곳의 길이 방향에서의 비저항과 BMD 분포를 나타내고,
도 6b는 실시예에 따른 방법으로 성장된 잉곳에서 제조된 웨이퍼의 반경 방향에서의 BMD 분포를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(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 용융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 시드(152)가 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.
챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.
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 용융액을 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.
히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있으며, 실리콘 용융액을 가열하는 작용을 할 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 용융액으로 만들게 된다.
도시되지는 않았으나, 도가니의 상부에는 열차폐재가 구비되어 성장되어 인상되는 실리콘 단결정 잉곳을 향하는 히터(130)로부터 발생된 열을 차단할 수 있다.
그리고, 도펀트 공급부(미도시)는 실리코노 용융액에 도펀트를 3.24E18 atoms/cm3 이상의 농도로 도핑할 수 있다. 또한, 그리고, 챔버의 둘레에는 자기장 발생 유닛이 구비되어, 도가니(120)에 수평 방향으로 자기장을 인가할 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 시드(seed, 152)를 실리콘 용융액에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
쵸크랄스키법을 상세히 설명하면 아래와 같다.
먼저 도가니 내에 실리콘 용융액을 준비하고, 실리콘 용융액 내에 시드를 탐침하여 시드(152)로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디 그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디 그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.
잉곳의 성장 및 인상 단계에서, 도가니를 회전시키며 수평 자기장을 인가할 수 있다. 그리고, 히터(130)는 잉곳의 성장 중에 잉곳 내의 온도 구배(temperature gradient)를 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만이 되도록 도가니(120)를 가열할 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 용융액에는 P-타입의 도펀트로 B(보론)이 도핑되고, N-타입의 도펀트로 As(비소), P(인), Sb(안티몬) 등이 도핑될 수 있다. 이때, 고농도의 도펀트가 투입될 경우, 도펀트의 농도에 따라 V/G(growth rate/temperature gradient) 즉, 온도 구배에 대한 잉곳의 성장 속도가 변화할 수 있으며, 이에 따라 잉곳의 특히 바디(body) 영역 내에서 BMD가 변화할 수 있다.
그리고, 시드(152)가 일단에 결합된 인상수단(150)은 시드를 8 rpm 이하의 속도로 회전시키고, 자기장 발생 유닛은 실리콘 용융액에 자기장을 3000 G(가우스) 이상으로 인가할 수 있다.인상 유닛(150)은 잉곳의 인상 속도를 조절할 수 있다. 상세하게는, 잉곳의 성장 시에 실리콘 용융액과 상술한 열차폐재와의 거리를 40 밀리미터 이상이 되도록 잉곳의 인상 속도를 조절하며, 또한 도 5b 등에 도시된 바와 같이 성장 중인 잉곳과 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되도록 상기 잉곳을 인상할 수 있다.
또한 잉곳의 중앙 영역의 냉각 시간이 가장 자리 영역의 냉각 시간보다 길도록 잉곳을 인상할 수 있다.
도 2a는 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장시에 종방향의 길이 성장(x축)에 따른 BMD 변화를 나타낸 도면이고, 도 2b는 웨이퍼 면 내의 BMD 산포를 나타낸 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 잉곳의 바디 성장시에 BMD가 계속 변화하며, 특히 도 2b에 도시된 바와 같이 종방향으로 동일한 영역인 웨이퍼의 면 내에서도 BMD 산포가 큰 것을 알 수 있다.
본 실시예에서는, 고농도로 도핑된 잉곳의 길이 방향으로의 V/G(growth rate/temperature gradient) 변화로 인한 결정 영역의 변화를 제어하여, 잉곳의 전체 영역에서 G 값을 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만으로 한다.
상술한 공정에 의하여 성장되는 실리콘 단결정 잉곳은 비저항이 20 mohm·cm(밀리옴·센티미터) 이하이고 도펀트로 보론(Boron)이 3.24E18 atoms/cm3 이상으로 도핑되며, 도 2b에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 중앙 영역의 BMD가 적다. 그리고, 도 3로부터 웨이퍼의 중앙 영역과 가장 자리 영역의 BMD 차이가 큰 것은, 웨이퍼의 중앙 영역에서 BMD 사이즈(size)가 웨이퍼의 가장 자리 영역보다 작은 것에 기인할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 웨이퍼의 중앙 영역에서 BMD 사이즈를 증가시키는 방안도 있으나, 실리콘 단결정 잉곳은 중앙 영역과 가장 자리 영역이 동시에 동일한 속도로 인상(pulling)되며 성장되며, 핫 존(hot zone)의 구조를 변경하여 열이력을 변경할 경우에도 실리콘 단결정 잉곳의 중앙 영역 외에 가장 자리 영역도 열이력의 변경 영향을 받을 수 있어서, 웨이퍼의 중앙 영역만의 BMD 사이즈 증가는 어려움이 있다.
실시예에서는 실리콘 단결정 잉곳의 중앙 영역의 BMD 사이즈만을 증가시키기 위하여, 중앙 영역의 냉각시간을 상대적으로 길게 하고자 한다.
도 4a 및 도 4b는 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 성장 계면의 방향성을 나타낸 도면이다.
도 4a와 도 4b에서 실리콘 단결정 잉곳의 인상 속도(P/S, pulling speed)는 동일하되, 냉각 속도는 동일하지 않을 수 있다.
즉, 도 4a에서 잉곳 하부의 계면이 윗 방향으로 볼록하여 웨이퍼의 중앙 영역(A)의 냉각 시간이 가장 자리 영역(B)의 냉각 시간보다 상대적으로 짧을 수 있다. 그리고, 도 4b에서는 잉곳 하부의 계면의 아랫 방향으로 볼록하여 웨이퍼의 중앙 영역(A)의 냉각 시간이 가장 자리 영역(B)의 냉각 시간보다 상대적으로 길 수 있다.
도 4b에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳에서 제조된 웨이퍼는 중앙 영역과 가장 자리 영역이 동시에 성장되지 않고, 중앙 영역이 더 먼저 성장되어 열이력을 더 길게 받아서 중앙 영역의 BMD 사이즈만을 증가시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 비교예와 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 성장 계면을 나타낸 도면이다.
도 5a의 비교예는 실리콘 당결정 잉곳의 하부의 계면이 점선으로 도시된 수평면으로부터 윗 방향으로 높이 h1만큼 볼록하고, 도 5b의 비교예는 실리콘 당결정 잉곳의 하부의 계면이 점선으로 도시된 수평면으로부터 윗 방향으로 높이 h2만큼 볼록하다. 도 5a와 도 5b에서 시드의 회전 속도는 8 rpm 이하, 자기장의 세기는 3,000G(가우스) 이상으로 하여 상술한 G값(temperature gradient)을 낮추고, 또한 실리콘 용융액과 열차폐재와의 거리인 멜트 갭(melt gap)을 40 밀리미터 이상으로 할 수 있다.
표 1은 성장 계면의 형상에 따른 웨이퍼의 중앙 영역과 가장 자리 영역에서의 BMD 변화를 나타내고, 성장 계면의 높이가 도 5a와 도 5b에서 h1과 h2를 나타내며, +값인 경우 위로 볼록하고 -값인 경우 아래로 볼록할 수 있다.
표 1
성장 계면의 높이(mm) 중앙 영역의 BMD(개/cm3) 가장 자리 영역의 BMD(개/cm3) BMD 변화 정도(log 변환)
비교예 1 +5 5.44E6 6.98E8 2.11
비교예 2 +2 2.26E7 4.50E8 1.30
실시예 1 -2 1.29E8 2.81E8 0.34
실시예 2 -5 6.30E8 1.11E9 0.25
비교예 1과 비교예 2에서는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면이 윗 방향으로 볼록하고, 실시예 1과 실시예 2에서는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면이 아래 방향으로 볼록할 수 있다.
표 1과 같이 고농도로 도핑된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면을 아래로 볼록하게 제어하여, BMD 변화 정도가 작아서 반경 방향으로 BMD 농도의 균일성을 확보할 수 있다.
도 6a는 종래의 비교예와 실시예에 따른 방법으로 성장된 잉곳의 길이 방향(종방향)에서의 비저항과 BMD 분포를 나타내며, 길이 방향으로 BMD 편차가 100 배 이내일 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이 실시예에 따른 방법으로 성장된 잉곳에서 제조된 웨이퍼는 면내 방향(횡방향)에서 BMD 분포가 고르며, 편차가 표 1에 도시된 바와 같이 0.4 미만일 수 있다. 여기서, '면내'는 도 5b 등의 가로 방향일 수 있다.
상술한 공정으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 제조된 웨이퍼의 중앙 부분과 가장 자리 부분의 BMD가 고르게 분포하여, 웨이퍼의 품질이 개선될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예에 따른 장치 및 방법은 실리콘 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 있어서,
    도가니 내에 실리콘 용융액를 준비하는 단계;
    상기 실리콘 용융액에 시드를 탐침하는 단계;
    상기 도가니에 수평 자기장을 가하며 상기 시드와 상기 도가니를 회전시키는 단계; 및
    상기 실리콘 용융액로부터 성장되는 잉곳을 인상하는 단계를 포함하고,
    상기 성장 중인 잉곳과 상기 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되고, 상기 성장되는 잉곳의 BMD(Bulk Micro Defects)dml 사이즈(size)가 55 나노미터(nanometer) 내지 65 나노미터인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳 내의 온도 구배(temperature gradient)가 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 중앙 영역의 냉각 시간이 가장 자리 영역의 냉각 시간보다 긴 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액은 비저항이 20 mohm·cm(밀리옴·센티미터) 이하인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액은 도펀트가 3.24E18 atoms/cm3 이상 도핑된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 도펀트는 보론(Boron)인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 성장 시에, 상기 시드의 회전 속도는 8 rpm 이하인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 성장 시에, 상기 실리콘 용융액에 자기장을 3000 G(가우스) 이상으로 가하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 성장 시에, 상기 실리콘 용융액과 열차폐재와의 거리를 40 밀리미터 이상으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  10. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘 용융액을 가열하는 히터;
    상기 실리콘 용융액으로부터 성장되는 상기 잉곳을 향하는 상기 히터의 열을 차폐하는 열차폐재;
    상기 실리콘 용융액으로부터 상기 성장되는 잉곳을 회전하며 인상하는 인상 유닛; 및
    상기 도가니에 수평 자기장을 인가하는 자기장 발생 유닛을 포함하고,
    상기 인상 유닛은 상기 시드를 8 rpm 이하의 속도로 회전시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 자기장 발생 유닛은, 상기 실리콘 용융액에 자기장을 3000 G(가우스) 이상으로 인가하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 인상 유닛은, 상기 잉곳의 성장 시에 상기 실리콘 용융액과 상기 열차폐재와의 거리를 40 밀리미터 이상으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 히터는, 상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳 내의 온도 구배(temperature gradient)를 34 캘빈(Kelvin)/cm 미만이 되도록 상기 도가니를 가열하는 실리콘 결정 잉곳의 성장 장치.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액은 비저항이 20 mohm·cm(밀리옴·센티미터) 이하인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 인상 유닛은, 상기 잉곳의 중앙 영역의 냉각 시간이 가장 자리 영역의 냉각 시간보다 길도록 상기 잉곳을 인상하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액에 도펀트를 3.24E18 atoms/cm3 이상의 농도로 도핑하는 도펀트 공급부를 더 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 인상 유닛은, 상기 성장 중인 잉곳과 상기 실리콘 용융액의 계면이 수평면으로부터 아래로 1 밀리미터 내지 5 밀리미터에 형성되도록 상기 잉곳을 인상하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
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