KR101193717B1

KR101193717B1 - 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼

Info

Publication number: KR101193717B1
Application number: KR1020100000753A
Authority: KR
Inventors: 조현정; 강종민; 이홍우
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2012-10-22
Also published as: KR20110080498A

Abstract

실시예는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 성장장치는 융액를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 상기 마그넷의 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)가 상기 융액의 자유표면 보다 상측에 위치할 수 있다.

Description

단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼{Single Crystal Grower, Manufacturing Method for Single Crystal, and Single Crystal Ingot and Wafer Manufactured by the same}

실시예는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.

반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 한다.

수십 나노 스케일의 회로 선폭을 갖는 나노기술 반도체 메모리 디바이스 시대가 도래함에 따라 실리콘 웨이퍼 내 결정 결함 규격 또한 그만큼 엄격해지고 있다.

반도체 소자는 높은 성능, 예를 들어 높은 GOI(Gate Oxide Integrity)특성을 요구한다.

한편, 실리콘 단결정 잉곳 내부의 보이드(Void) 결함은 COP(Crystal Oriented Particle), FPD (Flow Pattern Defect) 등이 있고 이러한 보이드 결함은 반도체소자의 품질에 큰 영향을 미친다.

특히, 반도체 회로 선폭이 미세화함에 따라 종래기술의 실리콘 웨이퍼는 보이드(void) 결함 분포가 균일하게 제어되지않음으로써 반도체 불량이 발생한다.

DRAM의 구조가 복구시스템(Repair system)으로 되어있다고 하더라도 응집(Clustering)되어 발생하는 페일(Fail)은 반도체 수율 저하로 이어질 수 있다.

또한, 종래기술에 의하면 보이드(Void) 함유 웨이퍼는 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼의 베이스(Base) 제품으로 사용되기도 하는데, 응집되는 보이드 결함은 SOI 본딩(Bonding) 불량을 야기할 수 있다.

실시예는 보이드(Void) 결함이 웨이퍼 면내에 균일하게 분포되는 웨이퍼를 제조할 수 있는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정 성장장치는 융액를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 상기 마그넷의 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)가 상기 융액의 자유표면 보다 상측에 위치할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 단결정 성장방법은 융액를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 상기 마그넷의 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)가 상기 융액의 자유표면 보다 상측에 위치할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 단결정 잉곳은 COP(Crystal Oriented Particle) 결함을 포함하는 단결정 잉곳에 있어서, 상기 단결정 잉곳의 축방향을 기준으로 상기 COP 결함들이 균일한 분포를 가질 수 있다.

또한, 실시예에 따른 웨이퍼는 벌크; 반도체 공정 열처리를 거쳤을 때 상기 벌크 표면에 형성된 무결함영역(DZ: Denuded Zone); 상기 무결함영역 하측에 COP(Crystal Oriented Particle) 결함을 포함하는 웨이퍼에 있어서, 상기 COP 결함들이 웨이퍼의 중앙으로부터 가장자리까지 위치하며, 반경 방향으로 결함밀도가 감소할 수 있다.

실시예에 따른 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 의하면, 보이드 결함, 예를 들어 COP(Crystal Oriented Particle) 분포가 균일한 분포를 가지는 잉곳 및 웨이퍼를 제공함으로써 반도체 디바이스 또는 SOI 웨이퍼의 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 개략도.
도 2는 종래기술에 따른 단결정 성장시 웨이퍼의 COP 분포도(map).
도 3은 단결정 성장시 웨이퍼의 COP 분포 밀도.
도 4 및 도 5는 실시예에 따른 단결정 성장시 결정 냉각속도에 따른 COP 분포 밀도.
도 6은 단결정 성장시 웨이퍼의 BMD(Bulk Micro Defect) 수준의 비교도.
도 7은 단결정 성장시 웨이퍼의 DZ(Denuded Zone) 수준의 비교도.

이하, 실시예에 따른 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 제조된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

(실시예)

수십 나노 스케일의 회로 선폭을 갖는 나노기술 반도체 메모리 디바이스 시대가 도래함에 따라 실리콘 웨이퍼 내 결정 결함 규격 또한 그만큼 엄격해지고 있다. 이러한 트렌드에 따라서 많은 메모리 디바이스 제조업체들은 결정 결함이 거의 없는 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있지만, 무결함 웨이퍼의 물리적 특성 때문에 금속 오염에 취약한 면이 있다.

이러한 무결함 웨이퍼의 단점을 극복하기 위하여 급속열처리 방법에 의한 게터링 특성 강화된 웨이퍼를 사용하는 곳도 있지만, 웨이퍼 제조 비용의 상승 및 열처리시의 슬립(Slip) 발생 제어의 어려움 등 문제점이 있다.

이러한 문제로 상당한 반도체 회사들은 여전히 결정결함이 존재하는 실리콘 웨이퍼를 사용 중에 있으며, 대신 결정 결함인 보이드(Void)의 분포를 실리콘 웨이퍼 내에 적절하게 제어하는 방향으로 요구하고 있다.

실리콘 단결정 잉곳 내부의 보이드(Void) 결함은 COP(Crystal Oriented Particle), FPD (Flow Pattern Defect) 등이 있다.

보이드(Void)를 갖는 웨이퍼를 여전히 반도체용 기판으로 사용할 수 있는 이유는 반도체 제조공정에 영향을 받기는 하지만, 확산 열처리 공정 중에 V(Vacancy)-rich인 결정 특성으로 인해 웨이퍼 벌크(Bulk) 내에는 게터링 사이트가 형성될 뿐만 아니라 웨이퍼 표면에서는 작은 크기의 보이드(Void)들이 소멸하는 효과도 일부 있기 때문이다.

대구경, 예를 들어 300mm 이상의 반도체 제조용 기판으로 사용되는 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 방법은 주로 수평강자장을 인가하는 HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법이 사용되고 있고, 이는 300Kg 이상의 대용량 실리콘 멜트의 대류와 결정 내 혼입되는 산소농도를 원활히 제어하기 위함이다.

적당한 수평자장 조건과 인상속도 및 핫존의 단열구조 구성에 의해서 단결정화와 동시에 잉곳은 과잉의 베이컨시 점결함과 인터스티셜 산소 점결함을 갖게 되며, 단결정 냉각 과정에서 점결함 상호 반응을 통해 응집되는 2차 결함으로 발전하게 된다. 반도체 디바이스에 영향을 실질적으로 줄 수 있는 결함은 바로 이 2차 결함으로서 실시예는 다음과 같이 2차 결함을 제어할 수 있다.

우선, 단결정의 성장속도(V)와 단결정 성장계면에서의 온도구배(G)의 비율값을 제어하는 것이다. 성장되는 결정결함의 발생은 보론코프 이론에 바탕을 두고 있다. 여기서, V는 단결정의 성장속도(즉, 인상속도)이고, G는 성장 계면 부근에서의 온도구배이다. 결정 성장 중에 V/G 인자(parameter)를 특정 임계값 이상으로 유지시키면, 결정화하면서 발생하는 점결함이 베이컨시(Vacancy) 타입만으로 한정되고 그 농도는 적당한 과포화도를 갖게끔 할 수 있다.

베이컨시 농도의 과포화도는 단결정 잉곳의 냉각이 짐행됨에 따라 더욱 증가하고 결과적으로 과포화된 베이컨시와 산소 원자들이 서로 반응하면서 응집되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 응집 반응에 참여하지 않는 베이컨시들은 잔류 베이컨시로 남게 되며 후에 반도체 열처리 공정에서 게터링 사이트의 핵을 구성함으로써 반도체 제조 공정에서 유익한 역할을 하게 된다.

다음으로, 결정화 직후 단결정 잉곳의 냉각 과정이 결정결함 형성 거동을 제어하여 단결정의 냉각속도를 제어할 수 있다. 냉각 속도를 조절하게 되면 특정 온도 구간 예를 들어, 1050~1100℃ 또는 900~1000℃에서 점결함 응집 반응 시간을 제어하게 되므로 결과적으로 점결함의 결정성장 결함으로의 발현을 제어할 수 있는 것이다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)의 개략도이다.

실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 실리콘 융액(SM)을 수용하는 도가니(110), 예를 들어 석영도가니와, 상기 도가니(110)와 이격되어 상기 도가니(110)가 설치된 챔버의 둘레에 설치되는 마그넷(120)을 포함할 수 있다.

실시예에서 단결정 잉곳(IG)의 성장에 따라 도가니(110)가 상승할 수 있고, 이경우 마그넷(120)도 소정의 구동수단에 의해 상승할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예는 수평형 마그넷(Horizontal type magnet)을 이용하여 석영도가니의 용해억제를 통하여 산소 농도를 제어하는 방법 중 MGP(최대자기장위치; Maximum Gauss Position) 위치를 조정하여 산소 농도 및 보이드를 제어할 수 있다.

여기서 MGP는 융액의 자유표면(Melt Free Surface)으로부터 수평(Horizontal) 자기장의 중심까지의 거리(d)를 의미한다.

도 2는 종래기술에 따른 단결정 성장시 웨이퍼의 COP 분포도(LLS(localized light scatters) size 75nm 이상)이다.

HMCZ 방법으로 결정을 성장시킬 경우에는 도 2와 같이 실리콘 멜트 내 비대칭적인 온도 및 산소농도 분포가 형성되며, 이러한 멜트 조건에서는 고산소 멜트와 저산소 멜트가 원활히 섞이지 않는다. 이러한 멜트 환경에서 단순히 단결정 인상을 하게 되면 결정성장 중에 고산소농도 결정화와 저산소농도 결정화가 반복적으로 이루어지며 고산소농도의 결정화시에는 고화가 빨리 일어나기 때문에 혼입되는 베이컨시 농도가 더욱 증가하는 현상이 발생한다.

잉곳 길이별로 베이컨시 및 산소 농도의 급격한 변화가 내재된 단결정 잉곳은 냉각 중에 산소와 베이컨시 높은 농도로 존재하는 구간에서는 더 큰 크기의 보이드가 높은 밀도로 형성되며 적은 점결함 농도의 구간에서는 활발하게 응집현상이 일어나는 구간으로의 베이컨시 확산이 일어나기 때문에 낮은 보이드 밀도를 갖게 된다. 그러한 단결정 잉곳에서 가공된 웨이퍼의 COP 분포를 표시한 사례가 도 2이다.

실시예는 수평자장으로 인한 고산소 멜트와 저산소 멜트 분리현상을 극복하기 위하여 단결정화가 되기 전의 멜트 상태를 두 종류의 멜트가 원활히 섞이게끔 유도하는 것이다. 이로부터 성장되는 단결정 잉곳(IG) 내에 결정 축 방향으로의 산소농도 및 베이컨시 농도 분포를 균일하게 함으로써 결과적으로 면내 균일한 보이드(Void) 결함 분포를 갖는 웨이퍼를 제조할 수 있다.

이러한 보이드, 예를 들어 COP 응집(Clustering)이 발생하지 않는 웨이퍼를 수십나노급 반도체 디바이스 기판으로 제공하고자 한다. 예를 들어, 실시예가 적용된 웨이퍼는 웨이퍼 면내 120nm COP 개수를 200개 이하로 제어하여 GOI 페일(Fail) 가능성을 감소시킬 수 있다.

또한, 실시예는 산소농도 수준을 11 ppma 이상으로 하여 웨이퍼의 게터링(gattering) 능력을 확보할 수 있다.

실시예에 의하면 균일한 보이드(Void) 분포를 갖는 실리콘 단결정 제조하기위해 저온 고산소 멜트와 고온 저산소 멜트의 교반이 원활이 이루어질 수 있게끔 MGP의 조건을 +40~+80mm 조건으로 유지하며 도가니(110) 회전수를 결정내 산소농도가 11ppma 이상이 될 수 있도록 약 0.5RPM 이상으로 하여 결정을 성장시킬 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

MGP의 조건이 +80mm 조건을 초과하는 경우 약자장에 의해 멜트가 불안정해지는 문제가 있고, MGP의 조건이 +40mm 조건 미만인 경우 COP 분포가 균일하지 못한 문제가 있다.

실시예에 의하면 상기 조건에서 응집(Clustering)된 COP 분포를 갖는 웨이퍼의 발생률이 80nm COP 기준 1% 이하로 제어되며, 종래기술에 따라 MGP의 조건이 융액 자유표면으로부터 하측으로 약 100mm 이하(-100mm 이하)에 위치하는 경우 COP 분포의 불량률이 10~40%인 경우에 비해 매우 효과적으로 COP 분포의 불량률이 감소되었다.

도 3은 단결정 성장시 웨이퍼의 COP 분포 밀도이다.

실시예가 적용되는 경우, 대구경, 예를 들어 300mm 이상의 단결정 실리콘 웨이퍼들은 COP 결함들이 그 중앙으로부터 가장자리까지 위치하며 축대칭적으로 균일한 분포를 가짐과 동시에 반경 방향으로 결함밀도가 감소할 수 있다.

상기 단결정 잉곳은 수평자기장 조건하에서 성장된 것으로 그로부터 제조된 복수개의 단결정 실리콘 웨이퍼들은 COP 분포 불량률이 1% 이하일 수 있다.

도 4 실시예에 따른 단결정 성장시 결정 냉각속도에 따른 80nm COP 분포 밀도이며, 도 5는 실시예에 따른 단결정 성장시 결정 냉각속도에 따른 120nm COP 분포 밀도이다.

도 5와 같이, 실시예에 의해 제조된 웨이퍼의 80nm COP 밀도는 웨이퍼당 100개 내지 1000개 이하로 제어될 수 있으며, 도 6과 같이 실시예에 의해 제조된 웨이퍼의 120nm COP 밀도는 200개 이하, 예를 들어 0개 내지 10개 이하로 제어될 수 있다.

실시예는 웨이퍼 면내 80nm 및 120nm COP 개수 및 분포를 제어하기 위하여 결정 냉각능력이 강화된 핫존의 상부 구조를 채용할 수 있다.

실시예에 따른 단결정 성장방법에 있어서, 결정 냉각 속도는 약 1.4~ 약 1.7 K/min일 수 있고, 단결정 인상속도는 약 0.65~약 0.80mm/min일 수 있다. 만약 결정 냉각 속도가 1.4 K/min 이하가 되면 보이드의 크기가 커지는 문제점이 발생하며, 반대로 1.8K/min 이상에서는 베이컨시(Vacancy) 확산이 충분치 않기 때문에 잉곳 축방향으로 균일한 분포의 보이드 밀도를 얻기가 힘든 문제가 있다.

도 6은 단결정 성장시 웨이퍼의 BMD(Bulk Micro Defect) 수준의 비교도이다.

종래기술과 실시예에 따른 웨이퍼의 게터링 능력을 비교해보면, 웨이퍼의 게터링 능력은 웨이퍼 제조 후 디바이스(Device) 공정 열처리를 거친 후 벌크(Bulk) 내에서 발생하는 마이크로디펙트(MicroDefect)의 밀도로 측정되는데, 대부분의 BMD는 산소석출물로 확인된다.

	MGP (자장 중심 위치)	단결정 냉각속도	단결정 인상속도
비교 #1	융액표면에서 -150mm	약 1.15 K/min	약 0.57 mm/min
비교 #2	융액표면에서 -250mm	약 1.72 K/min	약 0.76 mm/min
실시예	융액표면에서 +50mm	약 1.58 K/min	약 0.7 mm/min

표 1은 단결정 성장시 웨이퍼의 BMD(Bulk Micro Defect) 수준의 비교를 위한 실시예와 비교예 1, 비교예 2의 공정조건이나 이에 한정되는 것은 아니며, 이러한 공정에 따라 공정진행시 도 6 및 도 7과 같은 결과가 나올 수 있다.

도 6에서 비교예 1은 BMD가 과소한 경우이며, 비교예 2는 BMD가 과대한 경우이고, 실시예의 경우 BMD가 적정한 경우의 결과 값이다.

이러한 BMD 밀도를 결정하는 주요인자는 웨이퍼에 잔류하는 베이컨시(Vacancy) 농도와 웨이퍼 내 산소농도이다. 상기 COP 농도(Density)에서의 바람직한 조건 외에 산소농도의 범위는 약 11.5ppma 내지 14.5ppma 일 수 있다.

도 7은 단결정 성장시 웨이퍼의 DZ(Denuded Zone) 수준의 비교도이다.

상기 산소농도와 COP 농도(density)를 갖는 웨이퍼는 디바이스(Device) 수율 저하가 야기되지 않게끔 10 내지 20 ㎛의 무결함영역(DZ: Denuded Zone)을 포함할 수 있다. 도 7에서 비교예1은 BMD(Bulk Micro Defect)가 기판의 너무 깊은 영역까지 형성되어 문제가 되며, 비교예 2는 기판은 표면과 너무 근접하여 BMD가 형성되는 문제가 있다.

실시예에서 COP는 DZ 하측에만 존재하는 것은 아니며, DZ 영역에도 분포할 수도 있다. 실시예에서 DZ 또는 BMD는 반도체 제조공정을 위한 소정의 열처리 공정시 열적부담(Thermal Budget)으로 인하여 벌크(Bulk) 쪽에서는 BMD라는 석출물이 발생하고, 웨이퍼 표면에서는 산소 원자의 외부 확산으로 인해 석출물이 발생 안하는 영역인 DZ(Denuded Zone)이 형성될 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.

100: 단결정 성장장치
110: 도가니
120: 마그넷

Claims

융액를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서,
상기 마그넷의 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)가 상기 융액의 자유표면 보다 상측에 위치하는 단결정 성장장치.
제1 항에 있어서,
상기 마그넷의 최대자기장위치는 상기 융액의 자유표면보다 40mm 내지 80mm 상측에 위치하는 단결정 성장장치.
융액를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서,
상기 마그넷의 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)가 상기 융액의 자유표면 보다 상측에 위치하는 단결정 성장방법.
제3 항에 있어서,
상기 마그넷의 최대자기장위치는 상기 융액의 자유표면보다 40mm 내지 80mm 상측에 위치하는 단결정 성장방법.
제3 항에 있어서,
상기 단결정의 냉각 속도는 1.4 내지 1.7 K/min인 단결정 성장방법.
제5 항에 있어서,
상기 단결정의 인상속도는 0.65 내지 0.80mm/min인 단결정 성장방법.
제3 항에 있어서,
상기 단결정의 산소농도의 범위는 11.5ppma 내지 14.5ppma인 단결정 성장방법.
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