KR100374703B1

KR100374703B1 - 단결정 실리콘 웨이퍼,잉곳 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100374703B1
Application number: KR10-2000-0052205A
Authority: KR
Inventors: 이홍우; 최준영; 조현정; 유학도
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2003-03-04
Also published as: US20020046694A1; US20030068501A1; DE10143231A1; US6858077B2; US6521316B2; JP2002145697A; KR20020018904A; TW591128B

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정을 쵸크랄스키(CZ) 방법에 의하여 성장시키는데 있어서 단결정 잉곳의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하고, 산화적층결함링이 잉곳의 반경 가장자리에 존재하도록 인상속도를 조절하여 잉곳을 성장시켜 웨이퍼형태로 가공한다. 이 웨이퍼(Wafer)는 중심에서부터 산화적층결함링 사이에 걸쳐 존재하는 베이컨시타입 결함의 영역은 조대결함과 미소결함영역으로 나누어지는데 잉곳 반경방향으로의 냉각조건을 균일하게 하여 미소결함영역이 차지하는 넓이를 커지게 하는 방법, 웨이퍼, 및 잉곳이다.

Description

단결정 실리콘 웨이퍼, 잉곳 및 그 제조방법{A Single Crystal Silicon Wafer, Ingot and Methods thereof}

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법과 실리콘 잉곳 및 이로부터 생산된 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.

특히 결정잉곳의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하고, 산화적층결함링이 잉곳의 반경 가장자리에 존재하도록 인상속도를 조절하여 잉곳을 성장시켜 중심 축에서부터 산화적층결함링 사이에 걸쳐 존재하는 베이컨시타입(vacancy-type)결함의 영역에 조대한 결함 영역을 줄이고 미소결함영역이 차지하는 넓이가 증가하도록 하는 기술에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 얇게 절단하여 만든다. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있으며, 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 S. Wolf와 R.N. Tauber 씨의 논문 'Silicon Processing for the VLSI Era', volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA에 잘 기재되어 있다.

다음에서 CZ법에 의한 일반적인 단결정 실리콘 잉곳 제조 단계를 대략적으로 설명한다.

먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)단계를 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)단계를 거치며, 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정이 성장된다. 이 과정을 몸통그로잉(body growing)단계라 부르는데 이때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어지는 부분이 된다. 일정한 길이 만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

이러한 결정성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 결정성장장치(Grower)에서 용융실리콘이 단결정 잉곳으로 성장되는 주위의 공간을 의미한다. 결정성장장치는 용융실리콘용기, 가열장치, 보온 구조물, 잉곳인상장치, 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 단결정 내부의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열환경을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다.

성장결함은 크게 베이컨시-타입(vacancy-type)과 인터스티셜-타입(interstitial-type)으로 나누어지며, 베이컨시 점결함이나 인터스티셜 점결함이 평형농도 이상으로 존재하면 응집이 일어나서 입체적인 결함으로 발전되는 것으로 알려져 있다. 보론코프씨에 의하면 (V.V. Voronkov, The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon , Journal of Crystal Growth 59 (1982) 625) 이러한 결함들의 형성은 V/G 비와 밀접한 관계를 갖는다고 알려져 있다. 여기서 V는 성장속도이며 G는 성장계면 근처(핫존)의 결정 내 수직 온도 기울기이다. 즉, V/G의 값이 어떤 임계치를 초과하면 베이컨시 타입(vacancy type)이, 그리고 그 이하에서는 인터스티셜 타입(interstitial type)의 결함이 형성된다. 따라서, 주어진 핫존에서 결정을 성장시킬 때는 인상속도에 의하여 결정 내에 존재하는 결함의 종류, 크기, 밀도 등이 영향을 받게 된다.

도1 및 도2는 종래의 방법대로 성장시킨 잉곳의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도1은 인상속도를 변화시키면서 성장시킨 잉곳의 길이 방향 단면에 따라 생성된 결함영역의 모습을 보여주는 것이다. 이 잉곳은 도면의 윗부분을 처음에 고속으로 인상시켜 성장시키다가 인상 속도를 서서히 줄이면서 아랫부분까지 성장시킨 것이다. 또는 아랫부분은 저속으로 성장시킨 부분이고 위로 갈수록 인상속도를 증가시켜서 성장한 것이다.

도1에 표시된 바와 같이, 저속으로 성장시킨 부분에는 인터스티셜 타입의 결함 영역(11)들이 존재하게 되고, 고속으로 인상하며 형성시킨 영역에는 베이컨시 타입의 결함 영역(12)들이 존재하게 된다. 그리고 베이컨시 타입의 결함 영역과 인터스티셜 타입의 결함영역의 경계에 베이컨시우세 영역쪽으로 인접한 베이컨시우세 무결함영역과 미소결함영역 사이에 산화적층결함영역(13)이 존재하게 된다.

이 산화적층결함은 인상속도를 일정수준 이상으로 증가시키면 산화적층결함영역이 단면의 가장자리로 밀리게 되어 결국 단면 전체에 베이컨시-타입의 결함이 분포하게 된다.

반대로 인상속도를 줄이면 산화적층결함영역이 단면의 중심부로 수축하여 결국에는 소멸하게 되고 베이컨시 우세 무결함영역이 나타나게 되며 인상속도를 더욱 줄이게 되면 인터스티셜 우세 무결함영역이 나타나고 이어서 단면 전체에 인터스티셜-타입의 결함 영역(11)이 존재하게 된다.

종래 기술에서는 핫존의 취약성 때문에 결정 성장 시 잉곳의 반경방향으로 수직온도기울기(G)의 냉각조건이 상당히 불 균일한 문제점이 있었다. 잉곳 중심부에서는 열량이 전도를 통하여 잉곳 가장자리로 전달되어 다시 복사되어야 하는 반면, 잉곳가장자리에서는 열량이 바로 복사를 통하여 열을 방출하기 때문에 잉곳의 반경방향으로 수직온도기울기의 편차가 발생한다. 잉곳의 가장자리가 중심부에 비하여 냉각속도가 빠르므로, G값은 결정 중심에서는 작고 반경방향으로 증가하기 때문에 같은 인상 속도라고 하여도 중심부에는 V/G 값이 커지게 되고 따라서 베이컨시결함이 심하게 나타난다. 이러한 중심영역에는 COP(Crystal Originated Particle)나 FPD(Flow Pattern Defect)같은 조대한 베이컨시결함이 많이 존재하게 된다.

도2는 도1에서 II 절단선으로 절단한 단면의 결함분포를 관찰한 묘사도이다.

도1의 II로 표시된 부분의 인상 속도로 인상할 때 형성된 잉곳에서는 산화적층결함링(OiSF, Oxidation- induced Stacking Fault Ring)이 잉곳의 가장자리에 위치하게 된다. 이 도면은 잉곳 인상속도를 고속으로 조절하여 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 단결정 횡단면의 전형적인 결함분포를 보여 주고 있다.

도2에서 보인 바와 같이, 잉곳 중심부에는 조대한 베이컨시 결함들이 존재하는 넓은 범위의 조대베이컨시결함영역(12)로 존재하고, 그 바깥쪽으로 산화적층결함링(13)이 존재하고 제일 바깥쪽에 무결함영역(베이컨시 우세)(11)이 존재하게 된다. 이와 같이 종래의 기술에서는 산화적층결함링(13)이 잉곳의 가장자리에 오게 하면, 잉곳 중심부에는 조대한 베이컨시 결함들, 즉 COP 와 FPD 같은 결함이 존재하게 되어 미세한 선폭의 고집적 반도체 디바이스를 형성하여야 하는 웨이퍼의 재료로는 사용할 수가 없게 된다.

이렇게 잉곳 성장을 위한 인상 속도를 증가 시키면 조대한 베이컨시 결함들이 방생되어 미세한 전자회로를 형성하기 위한 웨이퍼용으로는 사용할 수가 없고, 조대한결함들을 줄이기 위해서 인상속도를 줄이면 생산성이 떨어지는 문제와 함께 웨이퍼 단면에 베이컨시 타입의 조대결함 보다 그 크기가 큰 인터스티셜 결함(LDP -large dislocation pit-)영역이 형성될 위험까지 있었다.

본 발명은 목적은 잉곳의 인상속도를 크게 증가시켜 생산성을 높이고 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 웨이퍼를 제공하려는 것이다.

본 발명의 목적은 잉곳을 성장시키는 인상속도를 산화적층결함링이 잉곳 주변에 존재하도록 유지하되, 단결정이 성장되는 핫존의 냉각 조건을 조절하여 반경방향으로의 열 이력(thermal history) 균일도를 증가 시켜 잉곳을 성장시키는 방법을 이용하며, 이렇게 성장시킨 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 만드는데, 베이컨시 우세 무결함 영역이 존재하지 않거나, 또는 베이컨시 우세 무결함 영역이 존재하더라도 웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 반경 10% 미만의 영역으로 존재하며, 이어서 산화적층결함링이 위치하고, 산화적층결함링의 내경으로부터 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 크기 이상의 결함이 없는 미소결함영역을 가지는 단결정 실리콘 웨이퍼를 제공하려는 것이다.

더 나아가서, 미소결함영역이 적어도 반경의 10%이상인 것과, 20%이상, 30%이상인 것, 또 미소결함영역이 산화적층결함링으로부터 중심 축까지 모두 차지하는 것, 미소결함영역과 산화적층결함링만이 존재하는 것, 웨이퍼에는 0.08 ㎛ 크기 이상의 COP결함이 20개 이하로 존재하는 것, 초기 산소농도는 12ppma 이하인 것, 등을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 중심 축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지고 중심 축방향으로 일정한 길이를 가지는 몸통을 가진 단결정실리콘 잉곳에 있어서,

웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 베이컨시우세 무결함영역이 존재하며 이어서 산화적층결함링이 존재하고, 이 산화적층결함링의 바로 안쪽인 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 크기 이상의 결함은 없는 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 10%이상이 되는 잉곳을 제공하려는 것이다.

더 나아가, 미소결함영역이 적어도 반경의 20%이상인 잉곳, 미소결함영역이 반경의 30%이상인 잉곳, 미소결함영역이 산소적층결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 잉곳, 미소결함영역과 산화적층결함링만이 존재하는 단결정 실리콘 잉곳, 미소결함영역이 산화적층결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 단결정 실리콘 잉곳, 미소결함영역이 몸통 길이의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳. 미소결함영역이 적어도 몸통의 30%이상인 실리콘 잉곳, 미소결함영역이 적어도 몸통의 40%이상인 단결정 실리콘 잉곳, 잉곳의 초기 산소농도는 12ppma 이하인 실리콘 웨이퍼, 등을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지고 중심축 방향으로 일정한 길이를 가지는 몸통을 가진 단결정실리콘 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서, 용융실리콘으로부터 성장되는 잉곳의 몸통의 급속한 냉각을 방지하기 위하여 열실드를 설치하고, 상기 열실드의 하단부와 용융실리콘 표면과의 사이인 멜트갭을 조절하여 몸통의 가장자리부분의 수직온도구배를 적게 하고, 잉곳의 상단부와 열실드의 상단부의 온도를 낮게 하여 잉곳 중심부의 수직온도구배를 크게 하여, 결국 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배를 비슷하게 하여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하면서 성장속도를 제어함으로써, 웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 반경 10% 미만의 베이컨시우세 무결함영역이 존재하며 이어서 산화적층결함링이 위치하고, 산화적층결함링의 내경으로부터 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 크기 이상의 결함이 없는 미소결함영역이 형성되도록 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 제공하려는 것이다.

더 나아가서, 미소결함영역이 적어도 반경의 10%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 미소결함영역이 적어도 반경의 20%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 미소결함영역이 적어도 반경의 30%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 미소결함영역이 산화적층결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 미소결함영역과 산화적층결함링만이 형성된 단결정 실리콘 잉곳 제조방법, 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 20%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조방법, 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 30%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 40%이상인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 웨이퍼의 초기 산소농도는 12ppma 이하인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법, 등을 제공하려는 것이다. .

도1은 종래 사용하든 방법대로 성장시킨 단결정 실리콘 잉곳의 종단면의 결함 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.

도2는 도1에서 II 절단선으로 절단한 단면, 즉 일반적인 핫존에서 산화적층결함링이 결정 잉곳의 가장자리에 위치하도록 인상속도를 조절하여 제조된 잉곳을 반경방향으로 절단하여 결함분포를 관찰한 묘사도이다.

도3은 일반적인 핫존에서 정지실험을 수행한 잉곳의 수직단면의 일부를 XRT로 나타낸 영상이다.

도4는 잉곳의 반경방향의 성장, 냉각조건을 균일화한 핫존에서 산화적층결함링이 결정 잉곳의 가장자리에 위치하도록 인상속도를 조절하여 제조된 잉곳을 반경방향으로 절단하여 결함분포를 관찰한 묘사도이다.

도5는 성장계면근처의 핫존을 보여주는 개략도

도6은 잉곳의 반경방향의 성장, 냉각조건을 균일화한 핫존에서 정지실험을 수행한 잉곳의 수직단면의 일부를 XRT로 나타낸 영상이다

도7은 잉곳의 반경방향의 열환경을 균일하게 한 핫존에서 인상속도를 줄이면서 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳을 수직방향으로 절단하여 결함분포를 나타낸 개략도

도8 및 도9는 도7에서 VIII, IX로 표시한 부분의 실제 8인치 단결정의 FPD의 반경방향 분포와 DSOD영역을 함께 나타낸 것

도10은 256M디바이스용 열처리 사이클을 나타낸 개략도

도11은 도7에서의 VIII, IX로 표시한 부위의 웨이퍼의 DZ 깊이를 나타낸 그래프이다

도12는 도7에서의 VIII, IX로 표시한 부위의 웨이퍼의 BMD의 밀도를 나타낸 그래프이다.

도13은 잉곳의 반경방향의 성장, 냉각조건을 균일화한 핫존에서의 수직온도구배 경향을 나타낸 그래프이다

도14는 잉곳의 반경방향의 열환경을 균일하게 한 핫존에서 인상속도를 줄이면서 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳을 수직방향으로 절단하여 결함분포를 나타낸 영상이다.

도15는 도14에서 XV 단면의 웨이퍼를 도16의 열처리 후 측정한 FPD 결함분포를 보인 그래프이다.

도16은 열처리 사이클을 보인 그래프이다.

[표1]은 도13에서 보인 온도 조건에서 온도 구배의 수치들이다.

종래의 잉곳 성장 방법에서는 잉곳 중심부에서는 열량이 전도를 통하여 잉곳 외주부로 전달되어 다시 복사되어야 하는 반면, 잉곳 외주부에서는 열량이 바로 복사를 통하여 열을 방출하기 때문에 잉곳의 반경방향으로 수직온도구배의 편차가 많이 발생한다. 이러한 편차를 줄이기 위해서 잉곳 외주부의 수직온도구배를 줄이거나 잉곳 중심부의 수직온도구배를 증가시켜야 한다.

그래서 열실드 바닥과 실리콘융액의 간격(멜트갭)을 조정하여 히터로부터 잉곳 외주부로 복사되는 열량을 조절함으로써 잉곳 외주부의 수직온도구배를 감소시킨다.

또 잉곳의 상단부분과 열실드 상부를 냉각시킴으로써 잉곳 중심부의 수직온도구배를 증가시킨다.

도5를 참조하면서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

열실드(54)를 사용하여 발열부(Heater: 51) 또는 도가니지지대(57)에 지지되는 석영도가니(56)에 녹아 있는 실리콘 용융물(52)로부터의 복사열을 조절하여 잉곳(53) 주변부의 냉각속도를 줄임으로써 반경방향 위치별 냉각속도차이를 줄인다. 이때 열실드(54)는 보온성이 우수한 재질을 사용하여 용융물(52)로부터 열이 상부 잉곳(53)으로 잘 전달되지 못하도록 한다. 그리고 그 열실드 하부의 공간(55)(멜트갭, Melt Gap; 열실드 하부 바닥에서부터 용융실리콘 표면까지의 간격)에서는 열이 쉽게 빠져나가지 않는 조건을 만들어서 계면 근처 잉곳 주변부에서의 냉각속도가 저하되도록 한다. 또, 멜트갭의 높이를 조정하여 히터로부터 오는 복사열의 양과 가열이 되는 잉곳의 면적을 조절하는 방식으로 냉각조건을 조절한다.

반경방향으로의 냉각조건 균일도는 정지실험(Holding Test)을 통해 확인할 수 있다. 보론코프씨의 논문(V.V. Voronkov and R. Falster, Grown-in Microdefects, Residual Vacancies and Oxygen Precipitation Bands in Czochralski Silicon , Journal of Crystal Growth 204 (1999) 462)에 의하면, 정지실험을 한 잉곳 결정에는 특징적인 산소석출패턴이 나타난다는 것이 알려져 있다.

일반적인 핫존에서 정지실험을 한 잉곳결정의 수직단에 대한 XRT 영상이 도3과 같이 되며, 여기서 밝게 나타나는 영역(31)은 산소석출이 많이 일어난 영역으로 이 영역의 상부에는 보이드(Void) 핵생성영역(33)이 존재한다. 이 부근은 정지실험 당시 약 1070 도C의 온도를 경험한 잉곳 부분에서 나타난다.

한편, 도6에서는 반경방향으로의 열환경이 균일하게 제어된 핫존에서 정지 실험한 잉곳의 수직단면의 일부를 XRT로 나타낸 것인데, 보이드 핵 생성 영역(63)과 산소석출영역(61)의 경계가 도3과는 다르게 반경방향으로 수평하게 형성된 것을 보여준다. 이것은 결정내의 점결함농도 및 냉각속도가 반경방향으로 균일하다는 것을 간접적으로 나타내는 것이다.

도4는 결정의 성장 및 냉각조건이 반경방향으로 균일한 핫존에서 성장시킨 잉곳의 반경방향 결함분포를 개략적으로 도시한 것이다.

잉곳 반경방향으로의 열이력 차이를 최소화하고 잉곳의 전 범위가 베이컨시-영역으로 존재하도록 한 핫존 조건에서 성장시킨 단결정 잉곳을 절단하여 웨이퍼로 제조하고 결함분포를 조사하면, 도4에서 보인 바와 같이, COP(Crystal Originated Particle)나 FPD(Flow Pattern Defect)같은 조대한 베이컨시결함이 중심부(41)에 저밀도로 존재하게 되고, 이어서 미소결함영역(42)가 형성되고 다음에는 산화적층결함링(43)과 그 외곽에 베이컨시 우세 무결함 영역(44)이 좁게 형성된다. 이 베이컨시우세 무결함영역(44)는 반경의 10% 이하의 폭으로 형성되다.

도2에서 보인 종래의 방법으로 성장시킨 잉곳의 단면과의 현저한 차이는 COP 와 FPD같은 조대한 결함이 중심부에 제한되어있고, 그 바깥을 미소결함영역((42)이 싸고 있다는 것이다.

여기서 조대결함영역은 FPD결함이 분포하는 영역을 의미하고, 미소결함영역은 FPD결함은 없고 DSOD(Direct Surface Oxide Defect, 참고문헌: J.G. Park, J.M. Park, K.C. Cho, G.S. Lee and H.K. Chung, Electrochemical Society Proceedings 97-22 (1997) 173)만 존재하는 영역을 의미한다. DSOD는 표면근처에서 있는 그 크기가 FPD에 비하여 극히 작은 결함을 의미한다. 최근에는 집적도가 커짐에 따라 디바이스 회로선폭이 급격하게 감소하는 추세에 있는데, 고집적 (64메가 또는 128메가 이상) 디바이스 공정에 사용되는 웨이퍼에 FPD는 허용되지 않으나 DSOD 정도는 문제가 되지 않고 허용된다.

[실시예 1]

성장계면 근처에서의 결정 내 반경방향의 냉각환경을 균일하게 하기 위하여 디자인 된 열실드는 용융실리콘으로부터의 열을 차단하여 결정의 냉각이 용이하게 이루어 지도록 하고, 동시에 열실드와 용융물 표면 사이에서는 결정표면에서의 냉각이 느려지게 하여 결정내부에서와 결정표면에서의 냉각속도차이를 줄이는 역할을 수행한다.

반경방향으로 수직 냉각속도 균일도는 멜트갭의 조절에 의하여 개선되며 균일도를 확인하기 위하여 수행된 정지실험의 결과는 도6에서 보인 바와 같이 이미 설명하였다.

이렇게 반경방향으로의 수직 냉각속도를 균일하게 제어하면서 잉곳의 인상 속도를 처음에는 고속으로 성장시키고 점차 저속으로 감소시키면서 잉곳을 성장시켜서 잉곳을 만든다. 이 때 산소 농도는 분위기 가스의 흐름과 석영 도가니의 회전 속도 등을 조절하여 8 내지 12ppma 정도 되도록 조절한다.

이러한 방법으로 성장시킨 8인치 실리콘 단결정 잉곳을 수직방향으로 절단하고 결함분포를 조사하면 도7과 같이 된다. 도7에서 Ⅷ으로 절단한 단면의 결함분포가 도8과 같이 되고, Ⅸ로 절단한 단면의 결함분포가 도9와 같이 된다. 도7에서 알 수 있는 바와 같이 인상속도가 큰 상태에서 성장되는 잉곳에는 베이컨시 타입의 결함 영역(71)이 압도적으로 많고, 인상속도가 감소되면 미소결함영역(72)이 증가되다가 일정한 속도 이하로 감소되면 산화 적층 결함 영역(73)이 증가하기 시작하면서 베이컨시 결함 영역이 감소되기 시작한다. 인상속도가 더욱 감소되면 산화적층결함영역이 잉곳의 가장자리에서 중심축 쪽으로 이동되기 시작하면서 가장자리에 무결함영역(74)이 형성되면서 이것의 면적이 점점 증가된다. 이 무결함영역에는 베이컨시가 우세한 무결함영역(74)과 인터스티셜이 우세한 무결함영역(75)으로 구분하여 볼 수가 있다. 인상속도가 더욱 감소하게 되면 인터스티셜결함영역(76)이 발생된다.

여기서 특징적인 것은 도8 및 도9에서 보인 바와 같이 베이컨시영역 중에 점선과 산화적층결함영역 사이에 미소결함영역이 존재한다는 것이다.

도8과 도9에는 도7에서 Ⅷ으로 절단한 단면의 웨이퍼와 Ⅸ로 절단한 단면의 웨이퍼를 화학식각(chemlcal etching)방법에 의하여 검사한 FPD 결함의 분포를 보여주는 그래프도 같이 도시되어 있다.

베이컨시 우세 무결함 영역이 존재하지 않거나, 또는 베이컨시 우세 무결함 영역(44: 도4 참조)이 존재하더라도 웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 반경 10% 미만의 영역으로 존재하고, 이어서 산화적층결함링이 위치한다. 산화적층결함영역이 웨이퍼 가장자리 부분에 분포하되, 인상속도의 차이 때문에 도8의 경우가 도9의 경우에 비하여 넓은 산화적층결함영역을 갖는다. 미소결함이 존재하는 DSOD영역은 중심에서부터 산화적층결함링까지에 위치하며, 조대결함이 존재하는 FPD영역은 중심에만 존재하여 결과적으로 미소결함영역이 실제로 존재하는 것을 알 수 있다.

이 미소결함영역은 반경방향의 열이력 균일도가 증가함에 비례하여 확장되며 궁극적으로는 웨이퍼 중심까지 확장되어 조대한 결함영역을 완전히 제거할 수 있게 된다. 그래서 산화적층결함링 내부는 모두 미소결함영역으로 될 수 있다.

실제 디바이스 공정 중에는 많은 열처리 공정이 수반되는데, 도10에서는 256M용 열처리 사이클을 보여준다.

한편, 웨이퍼가 갖추어야 될 필요한 품질 중에는 회로가 만들어지는 웨이퍼 표면으로부터 어느 정도 깊이를 두고 내부에 고밀도의 BMD(Bulk Micro-Defect)가 존재하는 것이 필요한데, 이는 금속 불순물 등을 제거할 수 있기 때문이다. 도11과 도12는 도8 및 도9의 웨이퍼의 DZ (Denuded Zone, 웨이퍼 표면에서부터 BMD 영역까지의 깊이 방향 거리) 깊이와 BMD밀도를 보여 주고 있다. 도11과 도12에서 보인 바와 같이, 반경방향으로 비교적 균일한 BMD분포 및 DZ깊이가 확보되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도10의 열처리 사이클을 겪은 후, 산화적층결함영역을 조사한 결과 실제 산화적층결함은 발견되지 않았다. 사용된 웨이퍼의 초기산소 농도는 12ppma이하 이었다.

이러한 결과를 이용하여 도7에서 Ⅷ 또는 Ⅸ 절단선이 있는 위치의 인상속도와 그 때의 주위 조건으로 전체 잉곳 바디를 성장시키면 도8 및 도9에서 보인 바와 같은 결함분포를 가진 잉곳을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 좀더 수직온도 균일도를 잘 조절하면 COP 나 FPD 결함이 아예 발견되지 아니하고 산화적층결함링 내경으로부터 잉곳의 중심축을 포함하는 영역까지 미소결함만 분포하는 웨이퍼를 만들 수 있는 잉곳을 성장시킬 수가 있게 된다.

[실시예2]

결정의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하기 위하여 위에서 설명한 바와 같이 열실드 바닥과 실리콘융액의 간격을 조정하여 히터로부터 잉곳 외주부로 복사되는 열량을 조절함으로써 잉곳 외주부의 수직온도구배를 감소시키고, 잉곳의 상단부분과 열실드 상부를 냉각시킴으로써 잉곳 중심부의 수직온도구배를 증가시켜서 반경방향의 Gr/Gc 가 도13에서 보인 바와 같은 곡선 그래프가 되게 하고 그 때의 수직온도구배가 표1에서 보인 바와 같이 되게 하여 잉곳을 성장시킨다.

본 실시예의 분위기 조건에서 잉곳 중심부로부터 외주부로의 수직온도구배 경향(132)은, 도 13의 그래프가 보이는 바와 같이, 종래의 수직온도 구배 경향(131) 보다 많이 균일하게 되어 있다.

[표1]은 수직온도구배 및 편차를 종래의 것과 본 실시예서의 것을 수치로 나타낸 것이다.

여기서 각 기호들이 의미하는 바는 다음과 같다.

ΔG = Ge - Gc (K/cm)

(고액계면 부근에서의 잉곳 외주부와 잉곳 중심부의 수직온도구배의 차)

G1 은 COP(Crystal Originated Particles)가 형성되는 구간인 1120 ℃ 내지 1070 ℃ 사이의 수직온도구배의 평균치이며, G2는 OiSF핵이 형성되는 구간인 1070 ℃ 내지 800 ℃ 사이의 수직온도구배의 평균치이다. 아래첨자 c는 잉곳 중심부, e는 잉곳 외주부, 그리고 r 는 임의의 반지름 위치를 의미한다.

ΔG 는 3K/cm이하이어야 한다.

표1에서 보인 바와 같이, ΔG 가 종래에는 16.49 이던 것이 본 실시예에서는 2.87로 매우 균일하게 3 K/cm 이하로 된다. 또한 COP 가 많이 발생하는 온도 구간으로 알려진 1120 ℃ 내지 1070 ℃ 사이의 수직온도구배의 평균치가 32.31 및 43.55 로서 종래 기술보다 매우 크고, OiSF핵이 형성되는 구간으로 알려진 1070 ℃ 내지 800 ℃ 사이의 수직온도구배의 평균치가 23.81 및 26.14로 역시 종래 기술에서 보다 매우 크게 되어 이러한 결함이 발생되는 온도 구간을 매우 빨리 통과함으로써 이들 결함이 적게 발생됨을 알 수 있다.

이러한 온도구배 분포 하에서 인상 속도를 0.65 mm/min에서 점차 감소시켜서 0.48 mm/min 까지 되게 하여 성장시킨 잉곳의 숄더에서부터 360 mm 되는 종단면의 결함 분포를 보면 도14와 같이 된다.

도14는 인상속도를 감소시켜서 그로윙하여 얻은 잉곳의 절단면을 도16과 같은 열처리 사이클로 열처리를 한 후, MCLT(Minority Carrier Life Time) 스캐닝한 이미지를 인상속도를 매칭시켜서 보여 주는 도면이다. 그림으로부터 알수 있는 바와 같이 인상속도는 0.55mm/min 이상이 적당하다.

도14에서 XV 절단선 부근의 웨이퍼를 도16에서 보인 열처리 사이클과 같이 열처리하여 결함을 검사하여 본 바 도15에서 보인 바와 같이, 중심부분에서 제일 많이 결함이 나타나는 부분이 FPD 가 250개/cm2 이하로 발생되었음을 알 수 있다. 이 웨이퍼는 숄더로부터 240 mm 되는 바디의 단면을 짤라서 만든 것이다.

도 16의 열처리 사이클은 5℃/min 으로 800 ℃까지 가열하여 4시간 유지한 후 다시 5℃/min 로 1000 ℃ 까지 가열한 후 16시간 내지 20시간 유지하고 3℃/min 속도를 냉각시키는 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 및 약어는 다음과 같다.

미소결함영역: 반도체 웨이퍼에 전자 회로를 형성하기 위한 여러 가지 공정들을 실행하고 그 결과 얻어지는 제품이 설계된 대로 동작하려면 웨이퍼 자체에도 결함이 없어야 한다. 반도체 웨이퍼 자체의 결함을 발견하기위한 여러 가지 방법들이 이미 알려져 있는데, 결함의 크기가 크고 전자회로에 고장의 원인을 제공하는 중요한 결함들에게 붙여 지는 이름은 이를 발견하기위한 방법에 따라 여러 가지 이름으로 불려 진다. 즉 COP, FPD, LSTD, OiSF, DSOD 등이다.

미소 결함영역이란 이러한 COP, FPD, LSTD 는 발견되지 아니하고, 다만 64M DRAM 이상의 전자회로에까지 제품의 동작특성 불량을 유발하지 아니하는 것으로 알려진 DSOD 는 발견되는 영역을 의미한다. 즉 DSOD 결함은 발견되어도 COP, FPD, LSTD 결함들이 발견되지 아니하면 64M DRAM 이상의 IC 생산용 웨이퍼로 사용할 수 있다고 할 수 있다.

MCLT: Minority Carrier Life Time

COP: Crystal Originated Particle

FPD: Flow Pattern Defect

LSTD : Light Scattering Topography Defect

OiSF: Oxidation - induced Stacking Fault Ring

DSOD: Direct Surface Oxide Defect

BMD: Bulk Micro-Defect

DZ: Denuded Zone

XRT: X-Ray Topography

이상 설명한 바와 같은 방법으로 제조되는 단결정 잉곳은 기존의 잉곳에 비하여 결정 결함의 크기 및 밀도가 매우 낮으면서도 인상 속도를 크게 할 수 있어서 생산성을 높일 수가 있고, 제조가격의 증가 없이 웨이퍼 품질을 향상시킬 수가 있다.

Claims

중심축에 대하여 대체로 수직한 전면과 후면을 가지고 있고, 중심축으로부터 반지름 길이만큼 전면과 후면이 연장되어 가장자리를 만드는 디스크 형태의 웨이퍼에 있어서,

베이컨시 우세 무결함 영역이 존재하지 않거나, 또는 베이컨시 우세 무결함 영역이 존재하더라도 웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 반경 10% 미만의 영역으로 존재하며, 이어서 산화적층결함링이 위치하고, 산화적층결함링의 내경으로부터 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 크기 이상의 결함이 없는 미소결함영역을 가지는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 반경의 10%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1에 있어서,

상기 미소결함영역이 반경의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1에 있어서,

상기 미소결함영역이 반경의 30%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1에 있어서,

상기 미소결함영역이 산화적층결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1에 있어서,

상기 웨이퍼에는 상기 미소결함영역과 산화적층결함링만이 존재하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1 내지 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 웨이퍼에는 미소결함영역 내부에 조대결함영역이 존재하되 0.08 ㎛ 크기 이상의 COP결함이 20개 이하로 존재하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1 내지 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 웨이퍼의 초기 산소농도는 12ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 1 내지 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 웨이퍼의 초기 산소농도는 8ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지고 중심축 방향으로 일정한 길이를 가지는 몸통을 가진 단결정실리콘 잉곳에 있어서,

가장자리 부분에 중심축에 대하여 동축링 형태로 형성된 산화적층결함링과,

상기 산화적층결함링의 바로 안쪽인 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 결함은 발견되지 아니하는 미소결함영역을 포함하여 이루어 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 반경의 10%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 반경의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 반경의 30%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 산화적층결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역과 산화적층결함링만이 존재하는 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 몸통 길이의 10%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통의 30%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통의 40%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳.
청구항 10항 내지 19항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 잉곳의 초기 산소농도는 12ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
청구항 10항 내지 19항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 잉곳의 초기 산소농도는 8ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼.
중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지고 중심축 방향으로 일정한 길이를 가지는 몸통을 가진 단결정실리콘 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서,

용융실리콘으로부터 성장되는 잉곳의 몸통의 급속한 냉각을 방지하기 위하여 열실드를 설치하고, 상기 열실드의 하단부와 용융실리콘 표면과의 사이인 멜트갭을 조절하여 몸통의 가장자리부분의 수직온도구배를 적게 하고,

잉곳의 상단부와 열실드의 상단부의 온도를 낮게 하여 잉곳 중심부의 수직온도구배를 크게 하여,

결국 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배를 비슷하게 하여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하면서 성장속도를 제어함으로써,

중심축 부근의 중심축으로부터 가장 멀리 위치한 가장자리 부분에 중심축에 대하여 동축링 형태로 형성되는 산화적층결함링이 존재하게 하고,

산화적층결함링의 바로 안쪽인 중심축 방향에 DSOD 결함은 존재하지만 FPD 결함은 발견되지 아니하는 미소결함영역이 형성되도록 하는 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 반경의 10%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 반경의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 반경의 30%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 산화 적층 결함링으로부터 중심축까지 모두 차지하는 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역과 산화적층결함링만이 형성된 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 10%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 20%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 30%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
청구항 22에 있어서,

상기 미소결함영역이 적어도 몸통 길이의 40%이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22항 내지 31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 초기 산소농도는 12ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22항 내지 31항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 웨이퍼의 초기 산소농도는 8ppma 이하인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
청구항 22항 내지 31항 중 어느 하나의 항에 있어서,

잉곳의 온도가 1120 ℃ 내지 1070 ℃ 사이에는 수직온도구배의 평균치가 중심부에서는 30 K/cm 이상이고 가장자리에서는 40 K/cm 이상인 것이 특징인 단결정 실리콘잉곳 제조 방법
청구항 22항 내지 31항 중 어느 하나의 항에 있어서,

잉곳의 온도가 1070 ℃ 내지 800 ℃ 사이에서는 수직온도구배의 평균치가 중심부에서는 20 K/cm 이상이고 가장자리에서는 23 K/cm이상인 것이 특징인 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법