KR20090125696A - 실리콘 단결정의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
다른 특성에 영향을 주지 않고 실효 편석 계수를 개선함으로써, 비저항 수율을 개선한 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공한다.
와이어 케이블의 하단에 설치된 종결정을 도가니 내의 융액에 담궈, 와이어 케이블을 회전시키면서 인상함으로써 상승하는 종결정의 하부에 단결정봉을 성장시키는 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 단결정봉 중의 성장축 방향에서의 도펀트의 실행 편석 계수가 작아지도록, 단결정봉의 성장축 방향의 당해 결정 위치에 따라 실리콘 용융액에 인가하는 수평 자장 강도를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 반도체 디바이스에 이용되는 실리콘 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스에 이용되는 실리콘 웨이퍼는, 주로 쵸크랄스키법(CZ법)에 의해 인상 육성된 실리콘 단결정으로부터 제조되고 있다. CZ법은, 석영 도가니 내의 용융한 실리콘에 종결정을 담궈 인상하여, 그 아래에 단결정봉(잉곳)을 성장시키는 방법이다.
CZ법에 의해 인상한 단결정봉으로부터 웨이퍼를 제조하는 경우, 단결정봉 각 부분의 비저항을 고려할 필요가 있다. 일반적으로 인상된 단결정봉은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 첨가하는 도펀트의 편석 계수(segregation coefficient)가 1보다 작기 때문에, 선단부(테일부)가 될수록 도펀트 농도가 농화되어, 결정 중의 비저항이 저하된다. 단결정봉 중에서 비저항의 값이 소정의 범위(스펙 범위)로부터 일탈한 부분은, 제품으로서 사용할 수 없게 되고, 그러한 부분이 생기면 하나의 단결정봉으로부터 얻어지는 웨이퍼의 수가 적어져 수율이 저하된다. 따라서, 수율을 향상 시키기 위해서는, 단결정봉의 성장축 방향에서의 비저항의 변화율(기울기)을 작게 하고, 스펙을 만족하는 비저항값을 나타내는 부분의 길이를 증대시킬 필요가 있다.
그러나, CZ법에 의해 인상 성장한 단결정봉에서는, 첨가하는 도펀트의 편석 현상에 의해, 성장축 방향으로 비저항이 어느 정도의 기울기를 가지고 변화하는 것을 도저히 피할 수 없다. 그래서, 인상 속도나 회전 속도를 제어함으로써 성장 방향에서의 도펀트의 실효 편석 계수를 변화시켜, 성장 방향에서의 불순물 분포를 부분적으로 플랫하게 하는 방법 등이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1: 일본 공개 특허 평9－255479호 공보
그러나, 상기 서술한 인상 속도나 회전 속도를 제어하는 방법에서는, 인상 속도나 회전 속도의 변화가 비저항 이외의 웨이퍼의 특성, 즉, 면 내의 점결함 분포, 산소 농도 분포, 산소 석출물 밀도에 큰 영향을 주어, 그러한 특성에 대해서 원하는 특성이 안정적으로 얻어지지 않는다는 문제가 생긴다. 그 때문에, 비저항의 제어를 위해서 인상 속도나 회전 속도를 자유롭게 제어하는 것은 실질적으로 곤란하여, 비저항이 원하는 스펙을 만족하는 단결정 부분의 비율을 충분히 늘리는, 즉 비저항 수율을 충분히 개선할 수 없다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 비저항 이외의 특성에 영향을 주지 않고 실효 편석 계수를 변화시킴으로써, 실질적으로 비저항 수율을 개선할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본원 발명자는, 수평 자장을 인가하는 단결정 육성 조건에 대해서 다양한 검토를 행했다. 그 결과, 인상시에 작용시키는 자장의 강도가, 실효 편석 계수를 변화시키는데 있어서 지배적이며, 또한, 점결함 특성이나 산소 특정에는 큰 영향을 주지 않는 것을 발견했다. 즉, 단결정의 인상시에, 자장 강도를 변화시킴으로써 실효 편석 계수를 유효하게 변화시킬 수 있는 것을 발견했다.
따라서 본 발명에 관련된 실리콘 단결정의 제조 방법은, 와이어 케이블의 하단에 설치된 종결정을 도가니 내의 융액에 담궈, 상기 와이어 케이블을 회전시키면서 인상함으로써, 상승하는 상기 종결정의 하부에 단결정봉을 성장시키는 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 상기 단결정봉 중의 성장축 방향에서의 도펀트의 실행 편석 계수가 작아지도록, 상기 단결정봉의 성장축 방향의 당해 결정 위치에 따라 상기 실리콘 용융액에 인가하는 수평 자장 강도를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 비저항 이외의 특성에 영향을 주지 않고 실효 편석 계수를 변화시킴으로써, 실질적으로 비저항 수율을 개선할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시 형태에 대해서, 도 2~도 5를 참조하여 설명한다.
우선, 본 발명에 관련된 단결정 인상 장치의 일실시 형태에 대해서, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는, 그 단결정 인상 장치(1)의 구성을 나타내는 도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 단결정 인상 장치(1)는, 도가니(10), 챔버(11), 지지축(12), 히터(13), 인상축(14) 및 자장 인가 장치(20)를 가진다.
도가니(10)는, 석영제의 내층 용기와 흑연제의 외층 용기를 가지며, 지지축(12)에 의해 회전 가능 또한 승강 가능하게 지지된 상태로 챔버(11) 내에 수용되어 있다. 도가니(10)의 주위에는, 그 외주를 따라 히터(13)가 배치된다.
도가니(10)의 위쪽에는, 회전 가능 또한 승강 가능한 인상축(14)이 배설되어 있다. 이 인상축(14)의 하단부에 종결정을 부착하고, 종결정을 도가니(10) 내의 융액(15)에 담궈, 인상축(14) 및 지지축(12)을 역방향으로 회전시키면서 융액(15)으로부터 종결정을 서서히 인상함으로써, 그 아래에 실리콘의 단결정봉(16)이 형성된다.
챔버(11)의 외측에는, 도가니(10) 내의 융액(15)에 대해서 수평 방향의 자장을 인가하는 본 발명에 관련된 자장 인가 장치(20)가 설치되어 있다. 이 자장 인가 장치(20)는, 도가니(10)를 사이에 두도록 대향 배치된 한 쌍의 자장 인가용 코일(21), 자장 인가용 코일(21)을 통하여 인가하는 자장의 강도를 제어하는 자장 강도 제어부(22), 및, 자장 인가용 코일(21)을 지지하는 동시에 자장 인가용 코일(21)을 상하 방향의 원하는 위치로 이동시키는 구동부(23)를 가진다.
자장 인가 장치(20)의 자장 강도 제어부(22)는, CPU, RAM, 기억 장치, 입력 장치 등을 가지며, 기억 장치에는, 단결정봉(16)의 인상의 진행에 대한 자장 강도에 관한 데이터가 미리 기억되어 있다.
그리고, 자장 인가 장치(20)는, 도시하지 않은 인상축(14)의 제어부로부터 입력되는 인상의 진행에 관련된 데이터, 및, 자장 강도 제어부(22) 내의 기억 장치에 기억되어 있는 상기 서술한 자장 강도에 관한 데이터를 참조하여, 자장 인가용 코일(21)로부터 융액(15)에 인가되는 자장의 강도를, 단결정봉(16)의 인상의 진행에 따라 제어한다. 다시 말하면, 자장 인가 장치(20)는, 단결정봉(16)의 성장축 방향의 성장 위치(예를 들면, 인상축(14)의 하단부로부터의 거리)에 따라 제어한다.
또, 자장 인가 장치(20)는, 자장 인가용 코일(21)로부터의 자력이 적절히 융액(15) 및 단결정봉(16)의 결정 성장부에 작용하도록, 필요에 따라 구동부(23)를 구동하여 자장 인가용 코일(21)의 결정 성장축 방향의 위치를 제어한다.
다음에, 이러한 단결정 인상 장치(1)를 이용한 본 발명에 관련된 실리콘 단결정의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, 자장 인가용 코일(21)로부터 융액(15)에 인가하는 자장의 강도와, 이에 따른 도펀트의 실효 편석 계수의 변화의 관계를 나타내는 데이터를 미리 수집해 둔다. 구체적으로는, 예를 들면, 자장 인가용 코일(21)로부터 융액(15)에 인가하는 자장의 강도를 적절히 변경하여 단결정을 성장시키고, 제조된 단결정의 각 위치의 도펀트 농도를 측정함으로써 각 자장 강도에 대응하는 실효 편석 계수를 검출한다. 검출한 자장 강도와 실효 편석 계수의 대응을 나타내는 데이터는, 자장 강도 제어부(22)의 기억 영역에 기억시킨다.
또, 이 데이터의 수집에서는, 각 자장 강도에 별개의 단결정봉(16)을 성장시키고, 각 단결정봉(16)의 같은 위치에서 도펀트 농도를 측정해도 되며, 하나의 단결정봉(16)의 성장 공정에서 순차적으로 자장 강도를 변화시켜, 각 부분에서의 도펀트 농도를 측정하도록 해도 된다. 단, 후자의 경우에는 성장축 방향의 위치의 상이에 따른 실효 편석 계수의 변화를 고려하여, 이 변화분을 보정하는 처리를 행할 필요가 있다.
또한, 실리콘 단결정 중에 첨가되는 대표적인 도펀트로서는, 붕소, 인, 안티몬, 비소 등을 들 수 있으며, 이들은 모두 편석 계수가 1보다 작고, 사용하는 도펀트에 따라 자장 인가에 의한 실효 편석 계수의 변화량도 다르다. 이 때문에, 사용하는 도펀트종에 따라 자장 강도를 변화시키는 것이 바람직하고, 사용하는 도펀트마다 상기 서술한 각 자장 강도에 대응하는 실효 편석 계수의 값을 검출해 두는 것이 필요하다.
이와 같이 하여 얻어진 자장 강도와 실효 편석 계수의 관계를 나타내는 데이터의 예를 도 3에 나타낸다. 도 3은, 불순물로서의 인의 실효 편석 계수와 자장 강도의 관계를 나타내는 그래프이며, 자장 강도를 1000G에서 6000G까지 변화시켰을 때의 실효 편석 계수를 나타내는 그래프이다.
이와 같이 데이터를 수집한 다음, 쵸크랄스키법에 의해 단결정봉(16)을 제조한다. 즉, 인상축(14)의 하단부에 종결정을 부착하고, 종결정을 도가니(10) 내의 융액(15)에 담궈, 인상축(14) 및 지지축(12)을 역방향으로 회전시키면서 융액(15)으로부터 종결정을 서서히 인상한다.
이 때, 자장 인가 장치(20)의 자장 인가용 코일(21)에 의해, 도가니(10) 내의 융액(15)에 대해서 수평 방향의 자장을 인가한다. 또, 이 때 인가하는 자장은, 단결정봉(16)의 결정 성장 방향(성장축 방향)의 위치에 따라, 각 위치에서 실효 편석 계수가 작아지도록, 자장 강도 제어부(22)에 의해 그 강도가 제어된다. 구체적으로는, 단결정봉(16)의 결정 성장 방향의 각 위치에서의 실효 편석 계수의 제어량을 구하기 위해, 자장을 인가하지 않고 단결정을 인상 성장한 경우, 혹은, 일정한 자장을 인가하여 단결정의 인상 성장을 한 경우의 성장축 방향의 실효 편석 계수의 변화의 비율에 대해서 미리 검출해 둔다. 그리고, 그 실효 편석 계수의 성장축 방향의 변화의 특성에 따라, 단결정봉(16) 중의 성장축 방향에서의 도펀트 농도 분포가 균일해지도록, 각 위치에 따라 자장 강도를 변화시키면서 자장을 인가한다.
구체적으로는, 예를 들면, 자장을 인가하지 않고 단결정을 인상 성장한 경우의 실효 편석 계수의 변화 상태가 도 4(a)에 나타내는 바와 같은 특성이였던 경우, 상기 서술한 바와 같이 미리 검출해 둔 데이터를 참조하여, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 성장축 방향의 위치에 따라 자장 강도를 변화시켜 자장을 인가한다.
이와 같이 하여 단결정의 인상 성장을 행함으로써, 도펀트의 편석 계수에 의한 단결정봉(16)의 성장축 방향의 실효 편석 계수의 증대를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 인상 성장된 단결정봉(16)의 비저항도 어느 정도 긴 구간에서 거의 같은 값으로 유지된다. 따라서, 소정의 스펙을 만족하는 비저항을 가지는 부분을 길게 할 수 있어, 단결정봉(16)으로부터 단결정 웨이퍼를 효율적으로, 즉 높은 수율로 제조할 수 있다.
또한, 도 4(c)에서 흑점에 의해 플롯되어 있는 그래프는, 자장의 인가를 행하지 않고, 실효 편석 계수가 0.55인 상태로 인상 성장을 행한 경우의 성장축 방향의 비저항의 변화를 나타내는 도이며, 본 실시 형태의 방법에 의해 인상 성장을 행한 경우와의 비교를 위해 나타내고 있는 것이다.
이와 같이, 본 실시 형태의 단결정 인상 방법에 의하면, 융액(15)에 수평 방향의 자장을 인가하여, 그 자장의 강도를 단결정 성장축 방향의 각 위치에서 실효 편석 계수가 작아지도록 그 위치에 따라 변화시키는, 즉 자장 강도를 단결정 성장량에 따라 점차 작아지도록 제어함으로써, 인상 성장한 단결정봉(16)에 있어서, 그 성장축 방향의 충분히 긴 구간에서, 비저항이 원하는 스펙 내의 값으로 제어되고 있다. 따라서, 하나의 단결정 인상 장치(1)로부터, 비저항에 관해서 원하는 특성의 웨이퍼를 다수 제조할 수 있어, 이른바 비저항 수율을 향상시킬 수 있다.
또, 이러한 비저항의 제어, 다시 말하면 실효 편석 계수의 제어는, 융액(15)에 인가하는 자장의 강도를 제어함으로써 행하고 있으며, 도펀트 농도를 균일화시키기 위해서 종래 행해지고 있던, 인상축(14)이나 도가니(10)의 회전 속도나 인상축(14)의 인상 속도 등을 크게 변화시키는 것 같은 조작은 불필요해진다. 따라서, 이러한 제어 요소는 종래와 마찬가지로 점결함 분포나 산소 분포의 제어에 이용할 수 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)는, 종래의 자장을 인가하지 않는 방법, 및, 본 실시 형태의 강도를 변화시키면서 자장을 인가하는 방법의 각 방법에 의해 결정 인상 성장을 행한 단결정으로서, 인상축(14) 및 도가니(10)의 회전 속도 및 인상축(14)의 인 상 속도를 제어하여 점결함 발생 영역 분포 및 산소 농도 분포의 제어를 행한 단결정의, 그 점결함 발생 영역 분포 및 산소 농도 분포를 나타내는 도이며, 도 5(a)가 점결함 발생 영역 분포를 나타내는 도이며, 도 5(b)가 산소 농도 분포를 나타내는 도이다. 또한, 여기서 말하는 점결함 발생 영역이란, 단결정 내에 발생하는 공공(空孔) 클러스터 기인의 COP(Crystal Originated Particle) 발생 영역을 의미하고, 발생하는 COP 발생 영역의 외경 위치를 결정 길이 방향(고화율(固化率))으로 나타낸 것이다. 또, 도 5(a) 및 도 5(b) 모두, 작은 직사각형의 플롯이 종래의 인상 성장에 의해 얻어진 단결정의 검출 결과이며, 큰 직사각형의 플롯이 본 실시 형태의 인상 성장에 의해 얻어진 단결정의 검출 결과이다.
도 5(a) 및 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 점결함 발생 영역 분포 및 산소 농도 분포 모두, 종래의 방법과 본 실시 형태의 방법에서 거의 동일하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 특성에 대해서는, 본 실시 형태와 같이 자장 인가 장치(20)에 의해 융액(15)에 수평 방향의 자장을 인가하고 있었다고 해도, 이것과는 독립적으로 종래와 같은 방법에 의해 제어함으로써, 적절히 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 본 실시 형태의 수평 방향으로 자장을 인가하는 방법이, 이들 점결함 발생 영역 분포 및 산소 농도 분포에는 거의 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 기재된 것으로서 본 발명을 하등 한정하는 것은 아니다. 본 실시 형태에 개시된 각 요소는, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경이나 균등물도 포함하며, 또 임의의 적합한 다양한 개변이 가능하다.
도 1은 CZ법에 의한 단결정 인상 성장을 행했을 때의 성장 방향의 위치와 비저항의 관계를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 형태에 관련된 단결정 인상 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관련된 인상 성장 방법을 설명하기 위한 도이며, 인가 자장 강도, 실효 편석 계수와의 관계를 나타내는 도이다.
도 4(a)~도 4(c)는 본 실시 형태에 관련된 인상 성장 방법을 설명하기 위한 도이며, 성장축 방향의 실효 편석 계수, 자장 강도 및 비저항을 나타내는 도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 실시 형태에 관련된 인상 성장 방법을 설명하기 위한 도이며, 성장축 방향의 점결함 발생 영역 및 산소 농도 분포, 및, 그러한 종래예와의 비교를 나타내는 도이다.
<부호의 설명>
1: 단결정 인상 장치 10: 도가니
11: 챔버 12: 지지축
13: 히터 14: 인상축
15: 융액 16: 단결정봉
20: 자장 인가 장치 21: 자장 인가용 코일
22: 자장 강도 제어부 23: 구동부
Claims (3)
- 와이어 케이블의 하단에 설치된 종결정을 도가니 내의 실리콘 융액에 담궈, 상기 와이어 케이블을 회전시키면서 인상함으로써, 상승하는 상기 종결정의 하부에 단결정봉을 성장시키는 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서,상기 단결정봉 중의 성장축 방향에서의 도펀트의 실행 편석 계수가 작아지도록, 상기 단결정봉의 성장축 방향의 당해 결정 위치에 따라 상기 실리콘 용융액에 인가하는 수평 자장 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,사용하는 도펀트종에 따라 상기 자장 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,미리, 사용하는 도펀트종 마다 상기 자장 강도를 변화시켰을 때의 도펀트의 실행 편석 계수의 변화의 비율을 구해 두고, 상기 단결정봉 중의 성장축 방향에서의 도펀트 농도 분포가 균일해지도록 상기 자장 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
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