KR102669538B1 - 초크랄스키 방법에 따라 실리콘 단결정을 인상하는 방법 - Google Patents

Abstract

초크랄스키 공정에 의해 용융물로부터 저항률이 20 mΩcm 이하인 실리콘 단결정을 인상하는 방법으로서, 제1 인상 속도로 넥(neck)의 제1 섹션을 인상하는 단계로서, 상기 넥의 제1 섹션의 직경은, 시드 결정의 직경과 비교하여, 넥의 길이(mm)당 0.3 mm 이상의 비율로, 5 mm 이하인 목표 직경까지 테이퍼지는 것인 단계; 상기 넥의 제2 섹션의 직경이 5.5 mm를 초과하여 증가하지 않게 하면서, 3 분 이상의 시간에 걸쳐 0.2 mm/min 미만의 제2 인상 속도로 상기 넥의 제2 섹션을 인상하는 단계; 2 mm/min 초과의 제3 인상 속도로 상기 넥의 제3 섹션을 인상하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.

Description

초크랄스키 방법에 따라 실리콘 단결정을 인상하는 방법

본 발명은 용융물로부터 초크랄스키 방법에 의해 저항률이 20 mΩcm 이하인 실리콘 단결정을 인상하는 방법을 제공한다.

초크랄스키 공정은 도가니 내에 수용된 용융물로부터 단결정을 인상하는 것을 포함한다. 상기 단결정은 시드 결정(seed crystal) 상에 현수되어 용융물로부터 인상된다. 일반적으로 말하면, 넥(neck)이 시드 결정의 하단부에서 먼저 결정화되어, 전위(dislocation)가 상기 넥의 에지로 이동하며 이러한 방식으로 제거된다.

US 2003 0 209 186 A1은 상기 넥이 섹션별로 인상되는 방법, 즉 처음에 인상 속도 R1에서 제1 섹션을 인상하고, 그 다음 적어도 25%만큼 낮은 인상 속도 R2에서 추가 섹션을 인상하며, 마지막으로 인상 속도 R1에서 추가 섹션을 인상하는 방법을 제시하는데, 각 섹션의 직경은 적어도 약 5 mm이다.

US 5 800 612는, 섹션으로 세분화되고 자동화될 넥의 형성을 제공하는 방법을 설명한다.

넥을 인상하여도 전위가 완전히 제거되지 않는 현상의 빈도는, 고도로 도핑되고 비교적 낮은 저항율을 갖는 실리콘 단결정이 인상되는 경우에 증가하는 것으로 알려져 있는데, 왜냐하면 이러한 단결정은 비교적 높은 농도로 전기 활성 도펀트(electrically active dopant)를 함유하고 있기 때문이다. 이러한 포지셔닝(positioning)으로 인해, 전술한 전위는 또한 중심 전위(center dislocation)라고도 하며, 종종 단결정이 인상된 후에만 중심 결함의 형태로 인식된다.

이러한 문제에 대처하기 위해, US 2010 0 089 309 A1은, 저항율이 1.5 mΩcm 이하인 붕소 도핑된 단결정을 인상하려고 의도하는 경우, 상기 넥의 인상 시의 인상 속도를 2 mm/min 이하로 제한할 것을 제안한다.

US 2004 0 089 225 A1에서는, 비교적 높은 농도의 붕소 및 추가적으로 게르마늄을 포함하는 실리콘 단결정을 인상하려고 의도하는 경우, 단결정 내의 게르마늄 농도가 특정 한계 내에서 붕소 농도와 연관되어, 상기 단결정으로부터 절단된 반도체 웨이퍼 상의 에피택셜 층의 증착에서 부정합 전위로 인해 발생하는 문제를 방지하는 것이 설명되어 있다.

본 발명의 목적은, 특별한 제약을 받지 않으면서, 이상에 언급된 현상의 빈도의 추가적인 감소를 달성하는 것이다.

상기 목적은, 초크랄스키 공정에 의해 용융물로부터 저항률이 20 mΩcm 이하인 실리콘 단결정을 인상하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은,

제1 인상 속도로 넥의 제1 섹션을 인상하는 단계로서, 상기 넥의 제1 섹션의 직경은, 시드 결정의 직경과 비교하여, 넥의 길이(mm)당 0.3 mm 이상의 비율로, 5 mm 이하인 목표 직경까지 테이퍼지는 것인 단계;

상기 넥의 제2 섹션의 직경이 5.5 mm를 초과하여 증가하지 않게 하면서, 3분 이상의 시간에 걸쳐 0.2 mm/min 미만의 제2 인상 속도로 상기 넥의 제2 섹션을 인상하는 단계;

2 mm/min 초과의 제3 인상 속도로 상기 넥의 제3 섹션을 인상하는 단계

를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 넥의 직경은, 시드 결정의 직경으로부터 제2 섹션의 목표 직경까지 비교적 빠르게 테이퍼진다. 이를 위해, 상기 넥의 제1 섹션은, 넥의 길이(mm)당 0.3 mm 이상의 비율로 상기 넥의 직경이 테이퍼지도록 하는 인상 속도로 인상된다.

상기 시드 결정은, 원형, 정사각형 또는 직사각형의 단면을 갖는다. 상기 직경은 바람직하게는 10 내지 30 mm이며, 정사각형 또는 직사각형의 단면인 경우, 상기 직경은 가장 긴 에지의 길이에 해당한다.

또한, 상기 넥의 제1 섹션을 인상한 후에, 상기 인상 속도는 일시적으로 현저하게 낮아지고 동시에 그 결과로서 상기 넥의 직경이 실질적으로 증가하지 않도록 한다. 5.5 mm 이하로 상기 직경이 확대되는 것은, 실질적인 확대가 아닌 것으로 간주될 수 있다. 인상 속도의 현저한 저하로 인해 상기 직경이 실질적으로 커지는 것을 방지하기 위해, 바람직하게는 용융물을 가열하는 가열 파워(heating power)가 증가된다. 현저하게 낮아진 인상 속도로 상기 넥의 제2 섹션을 인상하는 것은, 3 분 이상, 바람직하게는 5 분 이상 50 분 이하의 시간에 걸쳐 유지된다. 이 시간 동안, 상기 넥의 제2 섹션이 인상되는 인상 속도는 0.2 mm/min 미만이다. 상기 넥의 제2 섹션을 인상하는 동안, 인상 속도의 값은 바람직하게는 0.01 mm/min 내지 0.2 mm/min 미만의 범위이다.

상기 넥의 인상 제어는, 바람직하게는, 허용되는 것으로 간주되는 상기 넥의 제2 섹션의 직경을 초과한 경우 인상 작업이 자동으로 중단되도록 하는 모니터링 기능을 또한 포함한다.

상기 넥의 제2 섹션을 인상한 후에, 인상 속도는 2 mm/min 이상의 값으로 증가되고, 상기 넥의 제3 섹션이 인상된다. 상기 넥의 제3 섹션은 바람직하게는 4 mm 이상 7 mm 이하의 직경을 갖고, 바람직하게는 100 mm 이상 300 mm 이하의 길이를 갖는다. 상응하게, 용융물을 가열하는 가열 파워도 바람직하게는 또한 적합화된다.

실리콘 단결정의 추가 인상은, 통상적인 방식으로, 구체적으로 단결정의 원추형 섹션, 원통형 섹션 및 말단 원추부의 인상으로 계속된다. 단결정의 원통형 섹션에서, 단결정질 실리콘 반도체 웨이퍼가 절단 및 처리된다.

상기 용융물에는 바람직하게는 적어도 단결정의 넥, 초기 원추체, 및 원통형 섹션의 인상 중에 수평 자기장이 가해진다.
실리콘 단결정의 저항률은 용융물에 도핑되는 붕소 또는 비소에 의해 설정될 수 있다. 또한 상기 용융물은 추가적으로 게르마늄으로 도핑될 수 있다.

전술한 방법은, 적어도 200 mm의 직경, 보다 구체적으로는 적어도 300 mm의 직경을 갖는 단결정질 실리콘 반도체 웨이퍼를 제조하는 데 특히 적합하다.

본 발명의 효과는, 넥의 인상 단계 동안 다양한 조건 하에서 40 mm의 직경을 갖고 고도로 붕소 도핑된 단결정질 실리콘의 작은 시험 결정을 일련의 시험에서 인상함으로써 테스트되었다. 직경 1 인치(약 25.4 mm), 두께 1.8 mm의 테스트 웨이퍼를 각각의 단결정으로부터 절단하고, SIRD(Scanning Infra-Red Depolarization)로 격자 변형을 조사하였다. 본 발명에 따라 절차를 진행하는 경우, 중심 결함의 검출이 감소하고, 이에 따라 전위가 있는 단결정을 인상할 확률이 1% 미만으로 떨어진다.

3개의 첨부 도면, 도 1, 도 2 및 도 3은, 일련의 시험에서, 본 발명에 따른 작동 조건(도 1) 및 이전 조건에서 벗어난 작동 조건(도 2 및 도 3)에서의 상기 넥의 길이 P에 대한 대표적인 도시내용을 제공한다. 상기 도면은, 인상 속도 v, 넥의 직경 d 및 용융물의 온도 T에 대한 정보를 포함한다.

각각의 테스트 웨이퍼는, 본 발명에 따른 작동 조건이 채용될 때에만 중심 결함이 없었다.

도 2에 따른 작동 조건의 경우에 있어서, 넥의 제1 섹션의 인상 중에, 직경이 테이퍼링되는 비율이 의도한 비율보다 낮다.

도 3에 따른 작동 조건의 경우에 있어서, 직경은, 넥의 제2 섹션의 인상 중에, 여전히 허용되는 것으로 간주되는 직경인 5.5 mm를 초과하였다.

Claims (5)

1. 초크랄스키 방법에 의해 용융물로부터 저항률이 20 mΩcm 이하인 실리콘 단결정을 인상하는 방법으로서,
   제1 인상 속도로 넥(neck)의 제1 섹션을 인상하는 단계로서, 상기 넥의 제1 섹션의 직경은, 시드 결정의 직경과 비교하여, 넥의 길이(mm)당 0.3 mm 이상의 비율로, 5 mm 이하인 목표 직경까지 테이퍼지는 것인 단계;
   넥의 제2 섹션의 직경이 5.5 mm를 초과하여 증가하지 않게 하면서, 3 분 이상의 시간에 걸쳐 0.2 mm/min 미만의 제2 인상 속도로 넥의 제2 섹션을 인상하는 단계;
   2 mm/min 초과의 제3 인상 속도로 상기 넥의 제3 섹션을 인상하는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용융물에 수평 자기장을 가하는 단계
   를 포함하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항률은 용융물에 도핑되는 붕소 또는 비소에 의해 설정되는 것인 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융물은 추가적으로 게르마늄으로 도핑되는 것인 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 단결정의 원통형 섹션을 인상하는 단계;
   상기 원통형 섹션으로부터 단결정질 실리콘 반도체 웨이퍼를 제거하는 단계
   를 포함하는 방법.

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