KR20030039512A - 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시에 질소를 첨가하여 게터링(gettering) 능력을 향상시키고, 잉곳의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하여, 잉곳에 존재하는 베이컨시타입(vacancy-type)결함의 영역에 조대한 결함이 분포하는 영역은 줄이고 미소결함영역이 분포하는 영역은 증가하도록 하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 실리콘 단결정 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서, 잉곳 성장 시 질소를 첨가하고, 잉곳의 인상 속도를 0.55(mm/min) 이상으로 하여 잉곳을 성장시키는 공정; 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배 편차를 줄여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하도록 잉곳 성장 속도를 제어하는 공정; 및 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 반경 방향으로 가장자리 부분에 산화적층결함 영역이 동축링 형태로 형성되도록 제어하고, 산화적층결함 영역의 안쪽에 미소결함영역이 확대 형성되도록 제어하는 공정을 포함하는 것으로서, 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 고품질 웨이퍼의 생산 수율을 증가시키는 효과가 있다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조 방법{Manufacturing method of silicon single crystal ingot}

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잉곳의 성장 시에 질소를 첨가하여 게터링(gettering) 능력을 향상시키고, 잉곳의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하여, 잉곳에 존재하는 베이컨시타입(vacancy-type)결함의 영역에 조대한 결함이 분포하는 영역은 줄이고 미소결함영역이 분포하는 영역은 증가하도록 하는 기술에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 얇게 절단하여 만든다. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있으며, 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융실리콘에 담근 후 천천히 인상하면서 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 자세히 기재되어 있다. 다음에서 쵸크랄스키법에 의한 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 제조 공정을 대략적으로 설명한다.

먼저, 종자결정 하단부에 존재하는 전위를 제거하기 위해 종자결정으로부터 가늘고 긴 단결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 단결정을 직경방향으로성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 단결정이 성장된다. 이 과정을 바디그로잉(body growing)공정이라 부르는데 이때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어지는 부분이 된다. 일정한 길이 만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 단결정의 직경을 서서히 감소시켜 최종적으로 용융실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거쳐 결정성장공정이 마무리된다. 이러한 결정성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 결정성장장치(Grower)에서 용융실리콘이 단결정 잉곳으로 성장될 때 용융실리콘과 잉곳 접촉 주위의 공간을 구성하는 총체적인 환경을 의미한다. 결정성장장치는 용융실리콘 도가니, 가열장치, 보온 구조물, 잉곳인상장치 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 단결정 내부의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열적 환경을 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. 보론코프에 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 베이컨시타입(vacancy type)이, 그리고 그 이하의 조건에서는 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.

도 1 및 도 2는 일반적인 방법대로 성장시킨 잉곳의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 1은 인상속도를 변화시키면서 성장시킨 잉곳의 길이 방향 단면에 따라 생성된 결함영역의 모습을 보여주는 잉곳의 종단면도이다. 이 잉곳은 도면의 윗부분을 처음에 고속으로 인상시켜 성장시키다가 인상 속도를 서서히 줄이면서 아랫부분까지 성장시킨 것이다.

도 1에 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 베이컨시타입의 결함 영역과 인터스티셜 타입의 결함영역 사이에 베이컨시우세 영역 쪽으로 인접한 베이컨시우세 무결함영역(14)과 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 무결함영역(14)이 나타나게 되며 인상속도를 더욱 줄이게 되면 인터스티셜 우세 무결함영역이 나타나고 이어서 단면 전체에 인터스티셜-타입의 결함 영역(11)이 존재하게 된다.

그런데, 이와 같은 종래 기술에서는, 핫존의 구조적 문제 때문에 결정 성장 시 잉곳의 반경방향으로 수직온도기울기(G)의 냉각조건이 상당히 불균일한 문제점이 있었다. 잉곳 중심부에서는 열량이 전도를 통하여 잉곳 가장자리로 전달되어 다시 복사되어야 하는 반면, 잉곳 가장자리에서는 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 상대적으로 커지게 되고 따라서 베이컨시결함이 잉곳 중심부에서 고밀도로 나타난다. 이렇게 생성되는 잉곳의 중심영역에는 COP(Crystal Originated Particle)나 FPD(Flow Pattern Defect)같은 조대한 베이컨시결함이 많이 존재하게 된다.

도 2는 도 1에서 II 절단선으로 절단한 단면의 결함분포도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도1의 II로 표시된 부분의 인상 속도로 인상할 때 형성된 잉곳에서는 산화적층결함(OiSF, Oxidation- induced Stacking Fault) 영역이 잉곳의 가장자리에 위치하게 된다. 이 도면은 잉곳 인상속도를 고속으로 조절하여 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 단결정 횡단면의 전형적인 결함분포를 보여 주고 있다.

도 2에서 보인 바와 같이, 잉곳 중심부에는 조대한 베이컨시 결함들이 존재하는 넓은 범위의 조대베이컨시결함영역(12)이 존재하고, 그 바깥쪽으로 산화적층결함영역(13)이 존재하며, 제일 바깥쪽에 무결함영역(베이컨시 우세)(14)이 존재하게 된다.

이와 같이 종래의 기술에서는 산화적층결함영역(13)을 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 증가시키면 조대한 베이컨시 결함들이 발생되어 미세한 전자회로를 형성하기 위한 웨이퍼용으로는 사용할 수가 없고, 조대한 결함들을 줄이기 위해서 인상속도를 줄이면 생산성이 떨어지는 문제와 함께 웨이퍼 단면에 베이컨시타입의 조대결함보다 그 크기가 큰 인터스티셜 결함(LDP:large dislocation pit)영역이 형성될 위험까지 있었다.

위에서 기술한 바와 같이, 잉곳의 반경방향으로 일정 형태로 발생하는 이러한 조대 결함들은, 잉곳의 중심부와 외주부간의 수직온도기울기 편차를 줄임으로써, 어느 정도 제거될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 그러나, 이와 같이 만들어지는 웨이퍼 역시 64M DRAM 이상의 IC 생산용 웨이퍼가 요구하는 수준의 미소 결함만을 포함하도록 하기 위한 완전한 해결책이 될 수 없는 문제가 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어의 약어는 MCLT: Minority Carrier Lifetime, COP: Crystal Originated Particle, FPD: Flow Pattern Defect, LSTD : Light Scattering Topography Defect, OiSF: Oxidation - induced Stacking Fault, DSOD: Direct Surface Oxide Defect, BMD: Bulk Micro-Defect, DZ: Denuded Zone, XRT: X-Ray Topography 등과 같다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 초크랄스키 법에 의한 잉곳의 성장 시에 질소를 첨가하면 게터링 능력이 향상되는 것을 이용하며, 잉곳의 성장 시에 잉곳의 중심부와 외주부간의 수직온도기울기 편차를 줄여 조대결함 영역이 발생하지 않도록 함으로써, 잉곳의 생산성과 품질을 향상시켜 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 웨이퍼의 생산 수율을 증가시키는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 소정의 인상장치 내에서 중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지며 중심축 방향으로 일정한 길이로 형성되는 단결정 실리콘 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서, (a) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 첨가하고, 잉곳의 인상 속도를 0.55(mm/min) 이상으로 하여 잉곳을 성장시키는 공정; (b) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배 편차를 줄여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하도록 잉곳 성장 속도를 제어하는 공정; 및(c) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 반경 방향으로 가장자리 부분에 산화적층결함영역이 동축링 형태로 형성되도록 제어하고, 산화적층결함영역의 안쪽에 미소결함영역이 형성되도록 제어하는 공정을 포함하고, 상기 (b) 공정에서 수직온도구배 편차를 줄이는 것은, 상기 인상장치가 인상장치 내에 구비된 소정의 열실드의 멜트갭이 조절되도록 제어하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 잉곳에 첨가되는 질소는 1E12 내지 1E14(atoms per cubic cm)인 것을 특징으로 하고, 상기 잉곳에 형성된 미소결함영역이 반경의 10%이상인 것을 특징으로 하고, 상기 잉곳에 형성된 미소결함영역의 존재 범위가 잉곳 길이의 10%이상인 것을 특징으로 하며, 상기 잉곳에 포함된 초기 산소농도는 11.5ppma 이상인 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 잉곳에 포함된 초기 산소농도가 11.5ppma 이상이고, 소정의 열처리후에 산소 석출량이 2.0ppma 이상인 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 종단면도.

도 2는 도 1에서 II 절단선으로 절단한 단면의 결함 분포도.

도 3은 본 발명에 따른 잉곳 성장 계면 근처의 핫 존을 나타내는 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 잉곳을 반경방향으로 절단한 단면의 결함분포도.

도 5는 본 발명에 따른 잉곳의 반경방향의 성장 및 냉각조건을 균일화한 핫존에서의 수직온도구배를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 인상 속도를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 질소 첨가 농도를 나타내는 그래프.

도 8은 일반적인 방법으로 성장된 잉곳을 절단하여 웨이퍼에서 관찰한 반경 위치에 따른 FPD 분포도와 DSOD 영역을 나타내는 이미지.

도 9는 본 발명에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 LLS 분포도.

도 10은 본 발명에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 종단면의 이미지.

도 11은 본 발명에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 FPD 분포도.

도 12는 본 발명에 따른 잉곳의 초기 산소 농도에 따른 산소 석출량을 나타내는 그래프.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 설명한다.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳 성장 계면 근처의 핫 존을 나타내는 개략도가 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳 제조 방법은, 결정 성장 시 잉곳의 반경방향으로 수직온도기울기(G)의 냉각조건이 상당히 불균일한 점 때문에 발생하는, 중심부와 가장자리 부분 사이의 온도 편차를 줄이고, 이때에도 제거되지 않는 조대 결함을 질소 첨가로 해결하기 위한 것이다. 이것은, 질소를 첨가하면서 잉곳을 성장시킴과 동시에, 열실드 바닥과 실리콘용융액의 간격(멜트갭)을 조정하여 발열체로부터 잉곳 외주부로 복사되는 열량을 조절함으로써 잉곳 외주부의 수직온도구배를 감소시키고, 잉곳의 상단부분과 열실드 상부를 냉각시킴으로써 잉곳 중심부의 수직온도구배를 증가시키는 것으로써 해결될 수 있다.

즉, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 0.55mm/min 이상의 인상속도에서 질소를 첨가하면서 잉곳을 성장시킬 때에, 열실드(34)를 사용하여 발열부(Heater: 31) 또는 도가니 지지대(37)에 지지되는 석영도가니(36)에 용융되어 있는 실리콘 용융액(32)으로부터의 복사열을 조절하여 잉곳(33) 주변부의 냉각속도를 줄임으로써 반경방향위치별 냉각속도차이를 줄인다. 이때 열실드(34)는 단열성이 우수한 재질을 사용하여 용융액(32)으로부터 열이 상부 잉곳(33)으로 잘 전달되지 못하도록 한다. 그리고 그 열실드 하부의 공간(35)(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 발열체로부터 오는 복사열의 양과 가열이 되는 잉곳의 면적을 조절하는 방식으로 냉각조건을 조절한다.

위와 같이 제조된 잉곳에 대한 평가는, 핫존에서 정지실험을 한 잉곳결정의 수직단에 대한 XRT 영상으로부터 보이는 산화적층결함 핵 생성 영역과 산소석출영역이 반경방향으로 수평하게 형성된 것으로부터, 결정내의 점결함 농도 및 냉각속도가 반경방향으로 균일하다는 것을 간접적으로 확인하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가된 잉곳을 반경방향으로 절단한 단면의 결함분포도이다.

잉곳 반경방향으로의 열적 환경 차이를 최소화하고 잉곳의 전 범위가 베이컨시-영역으로 존재하도록 한 열적 환경에서 성장시킨 단결정 잉곳을 절단하여 웨이퍼로 제조하고 결함분포를 조사하면, 도4에서 도시된 바와 같이, COP(Crystal Originated Particle)나 FPD(Flow Pattern Defect)같은 조대한 베이컨시결함이 중심부(41)에 저밀도로 존재하게 되고, 이어서 미소결함영역(42)이 형성되고 다음에는 산화적층결함영역(43)과 그 외곽에 베이컨시우세 무결함영역(44)이 좁게 형성된다. 이 베이컨시우세 무결함영역(44)은 반경의 10% 이하의 폭으로 형성된다.

도2에서 보인 일반적인 방법으로 성장시킨 잉곳의 단면과의 현저한 차이는 COP와 FPD같은 조대한 결함이 중심부에 제한되어있고, 그 바깥을 미소결함영역(42)이 분포하고 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. 이외에도, 조대결함영역에서는 COP, LSTD 등이 발견되며, 64M DRAM 이상의 IC 생산용 웨이퍼로 사용할 수 있기 위해서는 위와 같은 조대결함이 허용되지 않는다고 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳 제조 방법을 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳을 제조할 때의 실험 조건은 도 5 내지 도 7에 나타나 있다. 이외에도, 잉곳에 포함되는 초기 산소 농도는 분위기 가스의 흐름과 석영 도가니의 회전 속도 등을 조절하여 11.0ppma 내지 12.5ppma 정도 되도록 조절하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳의 반경방향의 성장 및 냉각조건을 균일화한 핫존에서의 수직온도구배를 나타내는 그래프이다.

결정의 성장 및 냉각조건을 반경방향으로 균일하게 하기 위하여 위에서 설명한 바와 같이 열실드 바닥과 실리콘용융액의 간격을 조정하여 발열체로부터 잉곳 외주부로 복사되는 열량을 조절함으로써 잉곳 외주부의 수직온도구배를 감소시키고, 잉곳의 상단부분과 열실드 상부를 냉각시킴으로써 잉곳 중심부의 수직온도구배를 증가시켜서 반경방향의 Gr/Gc(Gr은 반경 방향 거리에 따른 수직온도기울기, Gc는 중심축상의 수직온도기울기)가 도 5에서 보인 바와 같은 곡선 그래프가 되게 하여 잉곳을 성장시켰다.

도 5의 그래프가 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예의 분위기 조건에서 잉곳 중심부로부터 외주부로의 수직온도구배(132) 는, 종래의 수직온도구배(131)보다 많이 균일하게 되어 있다. 특히, 중심부와 외주부간 온도기울기의 차( G)가 종래에는 16.49K/cm이던 것이 본 실시예에서는 2.87K/cm로 매우 균일하게 3K/cm 이하로 되었다. 이외에도, COP가 형성되는 온도 구간으로 알려진 1120 내지 1070 사이의 수직온도구배의 평균치가 중심부에서는 32.31K/cm 및 가장자리에서는 43.55K/cm로서 종래 기술보다 매우 크게 되었고, OiSF핵이 형성되는 구간으로 알려진 1070 내지 800 사이의 수직온도구배의 평균치가 중심부에서는 23.81K/cm 및 가장자리에서는 26.14K/cm로 역시 종래 기술에서 보다 매우 크게 되었기 때문에, 이러한 결함이 발생되는 온도 구간을 매우 빠르게 통과하게 됨으로써 이들 결함이 적게 발생되었다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳의 길이방향의 위치에 따른 인상 속도를 나타내는 그래프이다.

위에 기술한 바와 같은, 온도구배 분포 하에서 인상 속도는 0.55mm/min 이상이 적당한 것으로 밝혀졌는데, 여기서는 6에 도시된 바와 같이, 0.6mm/min 정도의 인상 속도에서 실험하였다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른질소 첨가 농도를 나타내는 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실험에서는 결정 성장의 시작점에서 질소 첨가 수준을 2.4E13 (atoms per cubic cm)으로 하였고, 이에 따라 성장된 잉곳에 대하여 잉곳의 길이 방향 위치에 따라 계산된 값을 도 7과 같이 그래프로 나타낸 것이다. 여기서, 단결정 실리콘 잉곳에 첨가되는 질소량은, 도 7에 도시된 바와 같이, 1E12 ~ 1E14(atoms per cubic cm)가 적당한 것으로 밝혀졌다.

여기서, 실리콘 단결정 잉곳 성장시 질소를 첨가하면, 실리콘 중 원자 공공(vacancy)의 응집이 억제된다는 것은, 'T.Abe, H.Take no, Mat, Res.Soc.Symp.Proc.Vol.262,3,1992' 등에 잘 나타나 있다. 이 효과는 원자 공공의 응집과정이 균일 핵형성에서 불균일 핵형성으로 이행하기 때문인 것으로서, 쵸크랄스키 법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 때에 질소를 첨가하면, 원자 공공의 응집체인 보이드 결함 등의 크기를 매우 작게 하는 것이 가능하고, 이와 같은 작은 크기의 결정 결함 등은 열처리에 의하여 쉽게 소멸되게 된다.

더군다나, 실리콘 단결정 잉곳 성장시 질소가 첨가되어 있는 경우에, 산소 석출이 촉진되는 효과와 함께, 산소 석출물 밀도가 높아진다는 것은, 'F.Shimura, R.S.Hockette, Apply. Phys. Lett. 48, 224, 1986' 등에 잘 나타나 있다. 따라서, 잉곳을 절단하여 만들어진 웨이퍼를 열처리하게 되면, 벌크 영역에서는 고밀도의 산소 석출물을 갖게되고, 웨이퍼 표면의 산소 석출물은 웨이퍼에 첨가되어 있는 질소의 확산으로 인해 소멸되므로, 게터링 능력이 탁월한 웨이퍼 형성을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 잉곳의 실험 결과는 도 8 내지 도 13에 나타나 있다.

도 8은 일반적인 방법으로 성장된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 관찰한 반경 위치에 따른 FPD 분포도와 DSOD 영역을 나타내는 이미지이다. 단, 이것은 산화적층결함 영역과 미소결함영역의 분포를 설명하기 위한 도면으로, 질소를 첨가하지 않은 경우를 예로 들어 나타내었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 특징적인 것은 베이컨시영역 중에 점선과 산화적층결함영역 사이에 미소결함영역이 존재한다는 것이다. 도 8에는 단면의 웨이퍼를 화학식각(chemlcal etching)방법에 의하여 검사한 FPD 결함의 분포를 보여주는 그래프도 같이 도시되어 있다. 웨이퍼 가장자리로부터 중심축 방향으로 반경 10% 이하의 폭으로 베이컨시우세 무결함영역(도4의 부호 44 참조)이 존재하고 이어서 산화적층결함영역이 위치한다. 여기서, 미소결함이 존재하는 DSOD영역은 중심에서부터 산화적층결함영역까지 위치하며, 조대결함이 존재하는 FPD영역은 중심에만 존재하여 결과적으로 미소결함영역이 실제로 존재하는 것을 알 수 있다.

그런데, 도 8에 도시된 미소결함영역은, 반경방향의 열적 환경 균일도를 증가시켜서 어느 정도 확장시킬 수 있으나, 이와 같이 만들어지는 웨이퍼 역시 64M DRAM 이상의 IC 생산용 웨이퍼가 요구하는 수준의 미소 결함만을 포함하도록 하기 위한 완전한 해결책이 될 수는 없으므로, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 질소를 첨가하여, 원자 공공의 응집을 억제하는 효과를 이용하여, 궁극적으로는 조대한 결함영역을 완전히 제거할 수 있도록 한 것이다. 그래서, 산화적층결함영역 내부는 모두미소결함영역으로 될 수 있고, 또한, 수직온도 균일도와 질소 첨가량 등을 적절히 조절하면 COP나 FPD 결함이 아예 발견되지 아니하고 산화적층결함영역을 포함한 잉곳의 중심축까지 미소결함만 분포하는 웨이퍼를 만들 수 있는 잉곳을 성장시킬 수가 있게 된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 LLS(Localized Light Scatterer) 분포도에 대하여 질소 첨가된 것과 첨가되지 않은 것을 비교한 것이다. 여기의 LLS 대부분은 공공 덩어리(vacancy cluster)에서 기인되는 COP인 것으로 알려져 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 LLS 분포는, 질소 첨가된 경우에 질소 첨가되지 않은 경우에 비하여 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있는데, 특히 0.14㎛이하의 미소 LLS가 50%이상 감소하였다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가된 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 종단면의 이미지이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳의 길이 방향의 위치에 따른 FPD 분포도에 대하여 질소 첨가된 것과 질소 첨가되지 않은 것을 비교한 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 잉곳의 길이 방향이 달라짐에 따라(위에서 아래방향으로 각각 잉곳의 상단으로부터 130, 280, 430, 580, 730mm 위치에 해당함) 산소적층결함영역이 가장자리부분에 거의 변화 없이 유지되는 것을 볼 수 있고, FPD의 관측도 거의 되지 않는 것을 볼 수 있는데, 도 11에 도시된 FPD의 분포도에서 볼 수 있듯이, 질소가 첨가된 경우에는 질소 첨가되지 않은 경우에 비하여, 75%이상 FPD 감소 분포를 보인다.

위에서 기술한 바와 같이, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같은 결과는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 이루어진 질소 첨가효과에 의하여, 원자 공공의 응집이 억제된 효과로서, COP, FPD 등 각종의 결함 밀도를 감소시킨 것이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳의 초기 산소 농도에 따른 산소 석출량( Oi)을 질소 첨가된 것과 첨가되지 않은 것으로 비교한 그래프이다. 여기서, 산소 석출은 수소와 산소 등의 분위기 하에서 이루어지는 소정의 열처리 후에 나타난 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 초기 산소 농도에 따른 산소 석출량은 어느 경우나 비례하지만, 질소를 첨가한 경우에 있어서는, 초기 산소 농도 11.5ppma 이상일 때에, 잉곳의 반경위치에 균일하게 석출량이 2ppma이상으로 되고, 이는 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가된 잉곳에서 절단된 웨이퍼의 전반적인 게터링 능력이 균일하게 향상된 효과로서, COP, FPD 등 각종의 결함 밀도를 감소시키는 역할을 한 것이다.

위와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 질소 첨가되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법은, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 육성할 때에 질소를 첨가하게 되면, 원자 공공의 응집체인 보이드 결함 등의 크기를 매우 작게 하는 것이 가능하고, 이와 같은 작은 크기의 결정 결함 등은 열처리에 의하여 쉽게 소멸되게 되며, 산소 석출이 촉진되는 효과와 함께, 산소 석출물 밀도가 높아져서 열처리하게 되면, 벌크 영역에서는 고밀도의 산소 석출물을 갖게 되고, 웨이퍼 표면의 산소 석출물은 웨이퍼에 첨가되어 있는 질소의 확산으로 인해 소멸되는 게터링 효과를 이용한 것으로서, 소정의 인상장치 내에서 중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지며 중심축 방향으로 일정한 길이로 형성되는 단결정 실리콘 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서, 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 질소 첨가하고, 잉곳의 인상 속도를 0.55(mm/min) 이상으로 하여 잉곳을 성장시키는 동안에, 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배 편차를 줄여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하도록 잉곳 성장 속도를 제어하여, 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 반경 방향으로 가장자리 부분에 산화적층결함영역이 동축링 형태로 형성되도록 하였고, 산화적층결함영역의 안쪽에 미소결함영역이 형성되도록 하였다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳은 기존의 잉곳에 비하여 결정 결함의 크기 및 밀도가 매우 낮으면서도 인상 속도를 크게 할 수 있어서 잉곳의 생산성을 높일 수가 있고, 제조가격의 증가 없이 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있으므로, 미세한 선폭의 고집적 디바이스 공정에서도 사용 가능한 고품질 웨이퍼의 생산 수율을 증가시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 소정의 인상장치 내에서 중심축으로부터 일정한 길이의 반지름을 가지며 중심축 방향으로 일정한 길이로 형성되는 실리콘 단결정 잉곳을 쵸크랄스키 방식으로 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장 시 질소 첨가하고, 잉곳의 인상 속도를 0.55(mm/min) 이상으로 하여 잉곳을 성장시키는 공정;

   (b) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 중심부와 가장자리부분의 수직온도구배 편차를 줄여 전체적인 수직온도구배를 균일하게 유지하도록 잉곳 성장 속도를 제어하는 공정; 및

   (c) 상기 인상 장치가 잉곳이 성장되는 동안 잉곳의 반경 방향으로 가장자리 부분에 산화적층결함영역이 동축링 형태로 형성되도록 제어하고, 산화적층결함영역의 안쪽에 미소결함영역이 형성되도록 제어하는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (b) 공정에서 수직온도구배 편차를 줄이는 것은,

   상기 인상장치가 인상장치 내에 구비된 소정의 열실드의 멜트갭이 조절되도록 제어하는 것에 의하여 이루어지는 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 잉곳에 첨가되는 질소는 1E12 내지 1E14(atoms per cubic cm)인 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 잉곳에 형성된 미소결함영역이 반경의 10%이상인 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 잉곳에 형성된 미소결함영역의 존재 범위가 잉곳 길이의 10%이상인 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 잉곳에 포함된 초기 산소농도는 11.5ppma 이상인 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 잉곳에 포함된 초기 산소농도가 11.5ppma 이상이고, 소정의 열처리 후에 산소 석출량이 2.0ppma 이상인 것

   을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.