KR100826782B1 - 실리콘 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

Abstract

실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 수소 열처리 과정 중에 실리콘 웨이퍼의 내부로 침투되나 결함 제거에 기여하지 못한 잉여 수소를 제거하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 수소 열처리 후에 저압 열처리를 추가로 수행하여 웨이퍼로부터 잉여 수소를 배출시켜 제거하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 제조방법은, 단결정 실리콘 잉곳을 절단하여 실리콘 웨이퍼로 만드는 단계; 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계; 연마된 실리콘 웨이퍼를 수소 분위기 및 상압에서 900-1200℃의 온도로 1차 열처리하는 단계; 1차 열처리한 실리콘 웨이퍼를 불활성 기체 분위기 및 1-10 Torr 압력에서 800-1000℃의 온도로 2차 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.

실리콘, 열처리, 저압, 수소

Description

실리콘 웨이퍼 제조 방법 {Fabrication method of silicon wafer}

본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 웨이퍼 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열처리를 통해 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼를 제조하는 일반적인 방법 중에는 초크랄스키(Czochralki)법이 있다. 초크랄스키법에서는 실리콘 용융액에 종자결정을 담그고 이를 회전하면서 인상시켜 실리콘 잉곳을 끌어올린다.

이렇게 제조된 실리콘 잉곳을 절단하여 웨이퍼 상태로 제작한 후, 웨이퍼의 표면을 1차 연마하고 불산으로 식각한 후, 2차 연마하여 표면에 존재하는 불순물을 제거한다.

그런데 실제로 웨이퍼 상에 형성된 소자는 그 전기적 작용이 웨이퍼 표면으로부터 약 1~3㎛ 정도의 깊이까지 영향을 미치므로 그 정도의 깊이까지에 존재하는 결함, 일 예로 공공(vacancy) 또는 실리콘 원자의 불완전한 이상결합과 같은 결함을 제거하기 위해, 수소 열처리를 한다.

수소 열처리는 상압에서 분당 20ℓ로 수소를 주입하면서 1000℃ 온도로 열처리하며, 수소 열처리를 수행하면 웨이퍼 표면으로부터 확산에 의해 침투한 수소가 Si-H 결합을 이루면서 결함이 제거된다.

이러한 수소 열처리 후에는 고순도 이온수를 이용하여 웨이퍼를 세정함으로써 실리콘 웨이퍼 제조를 완료한다.

그런데, 수소 열처리 중에 웨이퍼 내로 다량 확산해 들어간 수소 중에는 결함을 제거하는 데 기여하지 못한 잉여 수소 이온들이 있어서 실리콘 원자들 사이를 자유롭게 이동하고 있는데, 이러한 자유로운 잉여 수소 이온들은 이후 소자 제조 과정 중에 플라즈마에 의해 전하를 띄게 되어 게이트 옥사이드 내로 침투해 들어가게 된다.

이와 같이 수소가 게이트 옥사이드 내로 침투해 들어가면 게이트의 임계 전압이 변화되어 결국 소자의 오작동을 유발하는 원인이 되며, 심할 경우에는 게이트를 영구 파괴시켜 소자의 고장을 일으키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 수소 열처리 과정 중에 실리콘 웨이퍼의 내부로 침투되나 결함 제거에 기여하지 못한 잉여 수소를 제거하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위해 본 발명에서는, 수소 열처리 후에 저압 열처리를 추가로 수행하여 웨이퍼로부터 잉여 수소를 배출시켜 제거하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 제조방법은, 단결정 실리콘 잉곳을 절단 하여 실리콘 웨이퍼로 만드는 단계; 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계; 연마된 실리콘 웨이퍼를 수소 분위기 및 상압에서 900-1200℃의 온도로 1차 열처리하는 단계; 1차 열처리한 실리콘 웨이퍼를 불활성 기체 분위기 및 1-10 Torr 압력에서 800-1000℃의 온도로 2차 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서 1차 열처리할 때에는, 수소를 분당 10-30ℓ로 주입하는 것이 바람직하며, 2차 열처리할 때에는 급속열처리(RTP : rapid thermal processing) 장비에서 30초-2분 동안 열처리하거나 또는 로(furnace)에서 10-30분 동안 열처리하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 초크랄스키법을 이용하여 실리콘 잉곳을 제조하기 위해, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고 이를 약 1300℃ 이상의 고온으로 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 종자결정을 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 종자결정을 회전하면서 인상시킴으로써 실리콘 단결정을 끌어올린다. 이렇게 하면 실리콘 용융액은 점섬을 가지고 종자결정에 의해 서서히 끌려 올라오면서 온도차이에 의해 냉각되어 실리콘 잉곳이 형성된다.

그러나, 실리콘 잉곳은 반드시 상술한 초크랄스키법으로 제조하는 것으로 한정할 필요는 없으며 플로팅존(floating zone) 방법 등 다른 방법들에 의해 실리콘 잉곳을 제조할 수도 잇다.

실리콘 잉곳은 실리콘 단결정 덩어리이므로 웨이퍼 형태로 제작하기 위해 얇 게 절단하며, 절단이 웨이퍼의 무게에 의해 자연스럽게 이루어질 수 있도록 잉곳을 절단기의 위에 위치시킨 후 회전시키면서 절단한다.

잉곳으로부터 얇게 절단된 웨이퍼는 거칠기가 비교적 큰 그라인더(grinder)를 이용하여 앞면과 뒷면 모두를 연마한 후, 불산과 같은 식각용액으로 식각하여 웨이퍼 표면에 드러난 불순물들을 일부 제거한다.

다음, 웨이퍼에서 소자가 형성될 면을 연마하여 웨이퍼의 두께를 정밀하게 조정하고 소자 형성면을 평탄화시키며, 이러한 연마 중에 웨이퍼 표면에 존재하는 결함들이 일부 제거된다.

그런데 실제로 웨이퍼 상에 형성된 소자는 그 전기적 작용이 웨이퍼 표면으로부터 약 1~3㎛ 정도의 깊이까지 영향을 미치므로 그 정도의 깊이까지에 존재하는 결함, 일 예로 공공 또는 실리콘 원자의 불완전한 이상결합과 같은 결함을 제거하기 위해, 수소 열처리를 한다.

수소 열처리는 상압에서 분당 10-30ℓ로 수소를 주입하면서 900-1200℃ 온도로 열처리하며, 바람직하게는 분당 20ℓ로 수소를 주입하면서 1000℃ 온도로 열처리한다. 수소 열처리를 수행하면 웨이퍼 표면으로부터 확산에 의해 침투한 수소가 Si-H 결합을 이루면서 결함이 제거된다.

그런데, 수소 열처리 중에 웨이퍼 내로 다량 확산해 들어간 수소 중에는 결함을 제거하는 데 기여하지 못한 잉여 수소 이온 또는 원자들이 있어서 실리콘 원자들 사이를 자유롭게 이동하고 있는데, 이러한 자유로운 잉여 수소들을 제거하기 위해 저압 열처리를 수행한다.

저압 열처리는 급속열처리 장비를 이용하여 질소가스를 주입하고 1-10 Torr의 압력에서 800-1000℃의 온도로 30초-2분 동안 진행하며, 바람직하게는 5 Torr의 압력에서 900℃의 온도로 1분간 열처리한다. 이 때 800-1000℃의 고온에서 움직임이 활발해진 잉여 수소들이 1-10 Torr의 낮은 압력에 의해 실리콘 웨이퍼로부터 외부로 이동하여 배출된다.

이 때 급속열처리 장비 대신에 일반 로(furnace)에서 저압 열처리를 수행할 수도 있는데, 로를 이용할 경우 급속열처리 장비를 이용할 때에 비해 압력은 동일하나 더 낮은 온도에서 10-30분 정도의 장시간 동안 열처리하며, 일 예로서 5 Torr의 압력에서 800℃의 온도로 20분 동안 열처리할 수 있다.

저압 열처리 후에는 고순도 이온수를 이용하여 웨이퍼를 세정함으로써 실리콘 웨이퍼 제조를 완료한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에서는 수소 열처리 후에 저압 열처리를 추가로 수행하므로, 수소 열처리 중에 웨이퍼 내로 침투한 잉여 수소들을 웨이퍼의 외부로 배출시켜 제거하는 효과가 있다.

따라서, 잉여 수소들에 의한 소자 오동작 및 고장을 방지하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 단결정 실리콘 잉곳을 절단하여 실리콘 웨이퍼로 만드는 단계;

   상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 단계;

   상기 연마된 실리콘 웨이퍼를 수소 분위기 및 상압에서 1차 열처리하는 단계;

   상기 1차 열처리한 실리콘 웨이퍼를 불활성 기체 분위기 및 1-10 Torr 압력에서 2차 열처리하여 상기 실리콘 웨이퍼에 포함된 잉여 수소를 제거하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 열처리할 때에는, 상기 수소를 분당 10-30ℓ로 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 2차 열처리할 때에는, 급속열처리(RTP : rapid thermal processing) 장비에서 30초-2분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 2차 열처리할 때에는, 로(furnace)에서 10-30분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 단결정 실리콘 잉곳은 초크랄스키(Czochralski)법에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 연마단계는, 상기 실리콘 웨이퍼의 양쪽 표면을 1차 연마한 후, 상기 실리콘 웨이퍼의 한쪽 표면을 2차 연마하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 1차 연마 후에는 상기 실리콘 웨이퍼를 불산 용액으로 식각하여 불순물을 제거한 다음 상기 2차 연마하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 제조 방법.