KR101231412B1

KR101231412B1 - 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101231412B1
Application number: KR1020100120565A
Authority: KR
Inventors: 카츠히코 나카이
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: EP2345753A1; JP2011155258A; KR20110076762A; US20110156215A1; JP5358560B2; US8357939B2; KR20120132448A; TW201126034A; CN102148155B; EP2345753B1; CN102148155A; TWI428483B; SG172578A1; KR101300388B1

Abstract

대각 길이가 10 ㎚∼50 ㎚인 BMD(Bulk Micro Defect)를 포함하는 실리콘 웨이퍼에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에서 존재하는 상기 BMD의 밀도는 1×10¹¹/㎤ 이상이고, 상기 BMD의 형태(morphology)로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 0.3 이하인 실리콘 웨이퍼가 개시된다.

Description

실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법{SILICON WAFER AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 반도체 웨이퍼 제조 기술 분야에 있어서, 특히, 디바이스 제조 프로세스에 있어서 슬립 전위 및 휘어짐의 발생을 모두 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 기술에 관한 것이다.

반도체 디바이스 등의 기판으로서 이용되는 실리콘 웨이퍼는, 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱하여, 열처리나 경면 가공 등을 행함으로써 제조된다. 그 중에서도, 대구경의 단결정 잉곳을 얻기 쉬운 것이나, 결함의 제어가 비교적 용이하다는 등의 이유에 의해, 실리콘 단결정 잉곳의 제조의 대부분은 쵸크랄스키법(Czochralski method)(이하, "CZ법"이라고 함)에 의해 제조되고 있다. 이러한 CZ법에 의해 성장된 실리콘 단결정(이하, "CZ-Si"라고 함)은, "Grown-in 결함"을 내재하고, 특히 실리콘 격자 사이에 과포화로 수취된 과포화 산소는, 그 후의 열처리(어닐링)에서, Bulk Micro Defect(이하, 「BMD」라고 함)라고 칭해지는 미소 결함을 유발시키는 원인이 된다.

일반적으로, 실리콘 단결정 성장 직후의 결정 내에 내재하는 BMD(Grown-in 결함, 디바이스 제조 프로세스에 있어서 유발되는 산소 석출물, 전위, 적층 결함 등)는 디바이스 특성을 열화시키기 때문에, 반도체 디바이스 형성 영역에 결정 결함이 없을 것이 요구된다. 하지만, 한편으로는, 중금속의 게터링 사이트(gettering site)나 기판의 기계적 강도 증가 등에 유효하게 활용할 수 있는 것도 밝혀져 있어, 현재에는 실리콘 웨이퍼 내부에 적절한 BMD를 존재시키는 것이 요구되고 있다.

이러한 요구를 만족시키기 위해서, 실리콘 웨이퍼를 고온에서 어닐링함으로써, 실리콘 웨이퍼의 내부에 BMD를 유발시켜 Intrinsic Gettering층(이하, "IG층"이라고 함)을 형성하고, 실리콘 웨이퍼의 표면에 존재하는 grown-in 결함을 소멸시켜, 결정 결함이 극히 적은 Denuded Zone(이하, "DZ층"이라고 함)층을 형성하는 수법이 현재 일반적으로 이용되고 있다.

그러나, 상기 고온 어닐링 과정에 의해 실리콘 웨이퍼 표리면에 형성된 DZ층은, 열처리 중의 산소의 외측 확산에 의해 산소 농도가 극단적으로 저하됨에 따라, 산소나 산소 불순물 등과 고착된 BMD나 전위의 수가 감소하여, 실리콘 웨이퍼 표리면에서의 전위 결함 확장에 대한 억제력이 현저하게 저하된다. 그러므로, 어닐링 공정에서 도입된 표리면상의 미소한 상처로부터, 전위 결함(이하, "슬립"이라고 함)이 벌크 중으로 확장되기 쉽고, 이러한 슬립 전위의 확장에 의해 실리콘 웨이퍼의 강도가 저하된다는 문제가 발생한다. 또한, 이러한 실리콘 웨이퍼의 강도가 저하되면, 제조 공정 중에 웨이퍼가 손상되거나, 웨이퍼의 파괴와 같은 사태가 발생할 우려가 있다. 그러나, DZ층은 반도체 디바이스 형성에는 불가결하여, DZ층을 가지면서 강도 특성이 우수한 실리콘 웨이퍼가 요구되고 있었다. 특히, 열처리 보트 등에 의해 지지한 상태에서 어닐링을 행하면, 실리콘 웨이퍼와 보트와의 접촉부에서 발생된 전위로 인해 상기 보트에 의해 지지되는 부분으로부터 슬립 전위가 확장되는 경우가 종종 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼 에지부로부터 슬립 전위가 확장되는 경우도 있다.

또한, 열산화막의 형성이나 소스, 드레인 영역에 주입한 도펀트의 활성화 등으로 대표되는 디바이스를 제조하기 위해서는, 실리콘 웨이퍼의 열처리가 필수적이다. 일반적으로, 열처리는 수평으로 유지한 수십장 내지 수백장 이상의 웨이퍼를 세로로 한데 모아 일괄 처리하는 배치 열처리와, 1장씩 열처리하는 단일 웨이퍼 열처리로 나뉘어진다. 열처리에 있어서, 실리콘 웨이퍼면 내에 온도 분포가 발생하면, 이것에 비례한 열응력이 면 내에 발생하고, 이 열응력이 어느 일정값을 초과하면, 상기한 슬립이라고 불리는 웨이퍼 표면의 극미한 단차뿐만 아니라, 실리콘 웨이퍼의 휘어짐을 초래한다는 문제가 발생한다.

이러한 슬립 전위의 발생이나 휘어짐을 억제·방지하는 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2008-166721호에서는, 600℃∼750℃의 온도 범위에서, 10분∼10시간의 시간 동안 열처리를 행한 후, 1000℃까지의 승온 처리를, 0.1℃/분∼1℃/분의 승온 속도에서, 5시간∼50시간의 시간 동안 행하고, 또한 1000℃∼1250℃의 온도 범위에서, 또한, 격자 간 산소의 확산 길이가 20 ㎛∼30 ㎛ 미만이 되도록 실리콘 결정으로부터 잘라낸 실리콘 기판(silicon substrate)을 열처리함으로써, 소정량의 판 형상의 BMD를 형성하며, 또한 격자 간 산소 농도가 5×10¹⁷ atoms/㎤ 이하인 실리콘 웨이퍼를 제조하는 기술을 개시하고 있다.

또한, 일본 특허 공개 제2008-160069호에서는, 600℃∼750℃의 온도 범위에서, 30분∼10시간의 시간 동안 열처리를 행한 후, 1000℃까지의 승온 처리를, 0.1℃/분∼1℃/분의 승온 속도로, 5시간 이상 50시간 이하의 시간 동안 행하고, 또한, 1000℃∼1250℃의 온도 범위에서, 또한, 격자 간 산소의 확산 길이가 30 ㎛∼50 ㎛가 되도록 실리콘 결정으로부터 잘라낸 실리콘 기판을 열처리함으로써, 소정량의 팔면체 형상의 BMD를 형성하며, 또한 격자 간 산소 농도가 5×10¹⁷ atoms/㎤ 이하인 실리콘 웨이퍼를 제조하는 기술을 개시하고 있다.

또한, 일본 특허 공개 제2009-164155호에서는, 650℃∼800℃의 저온 열처리에 의해 열처리로(熱處理爐)를 유지한 후, 최고 온도를 700℃∼1000℃로 설정하고, 승온 속도를 0.1℃/분∼2℃/분으로 하여 승온하고 나서, 실리콘 기판을 600℃∼800℃에서 꺼내며, 또한 열처리로의 온도 600℃∼800℃에서 실리콘 기판을 열처리로 내에 삽입하고, 삽입 시의 온도로부터 1100℃ 미만의 온도 범위는 5℃/분∼10℃/분의 승온 속도로 열처리로의 온도를 승온하며, 또한 1100℃∼1250℃의 온도 범위는 1℃/분∼2℃/분의 승온 속도로 열처리로의 온도를 승온하고, 또한 1000℃∼1250℃의 온도에서 열처리로의 온도를 일정 온도로 유지하는 1100℃∼1250℃의 고온 열처리를 행함으로써, 열처리 전과 열처리 후의 실리콘 웨이퍼 내의 치환형 탄소 농도 및 격자 간 산소 농도의 변화량을 소정의 범위 내로 제어하는 기술을 개시하고 있다.

열처리에 의해 도입되는 슬립과 휘어짐의 전형적인 예의 모식도를 도 1에 도시한다. 슬립은 웨이퍼 이면과 웨이퍼 유지부의 접점, 또는 웨이퍼 에지부로부터 도입된다. 도입된 슬립은 110 방향으로 확장되고, 경우에 따라서는 웨이퍼 손상이나 파괴를 일으킨다. 휘어짐은, 열처리 시의 열 왜곡에 의해 웨이퍼가 변형되는 현상이다. 예컨대 100면의 웨이퍼에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이 웨이퍼가 오목형으로 휘어지는 경우가 있다. 통상, 원하는 특성을 부여하기 위한 열처리가 행해지기 전의 실리콘 웨이퍼의 휘어짐은 10 ㎛ 이하로 억제되고 있다. 그러나, 열처리가 가해지면, 실리콘 웨이퍼의 요철의 높이의 차는 수십 ㎛에 이르는 경우도 있다. 휘어짐이 커지면, 웨이퍼 표면에 반도체 디바이스 패턴을 정확하게 노광할 수 없게 되어, 반도체 디바이스 수율 저하의 원인이 된다.

휘어짐의 문제는 웨이퍼 직경이 200 ㎜ 이상이 되면 현저해지고, 또한 디바이스의 열처리 공정이 고온·장시간이 되면 현저해지며, BMD가 많으면 슬립 전위는 감소하고, 또한, BMD가 많으면 휘어짐이 증가한다. 따라서, 슬립과 휘어짐은 트레이드 오프(trade off)의 관계에 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, BMD의 밀도를 상기 일본 특허 공개 제2008-166721호 및 일본 특허 공개 제2008-160069호에 개시되어 있는 발명과 같이, 비교적 큰 BMD의 밀도를 저농도로 하여 휘어짐의 발생을 억제·방지하고, 또한 비교적 작은 BMD의 밀도를 고농도로 함으로써 슬립의 발생이나 슬립 길이를 억제·방지하며, 또한 BMD의 형상을 판 형상이나 팔면체 형상 등의 소정의 형태로 제어함으로써 격자 간 산소 농도를 조절하여, BMD에 고착된 산소를 소정의 양으로 고정시킴으로써 슬립의 발생이나 슬립 길이를 억제·방지하는 기술만으로는, 실리콘 웨이퍼 내의 BMD의 전체의 밀도가 고농도가 되기 때문에, 슬립의 발생 및 휘어짐의 발생, 특히 휘어짐의 발생을 효과적으로 억제·방지할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 상기 일본 특허 공개 제2009-164155호에서 개시되어 있는, 열처리 전과 열처리 후의 실리콘 웨이퍼에 존재하는 탄소 농도 및 산소 농도를 가능한 한 소정 양으로 유지하는 열처리를 행함으로써, BMD와 고착된 산소나 탄소의 수를 유지하는 방법만으로는, 슬립의 발생이나 슬립 길이는 어느 정도 억제되지만, 휘어짐을 효과적으로 억제·방지할 수 없다는 문제가 있다.

그래서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립 전위 및 휘어짐의 발생을 모두 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 감안하여, 본 발명자들이 심도깊은 연구를 행한 결과, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 대각 길이가 10 ㎚∼50 ㎚인 BMD를 포함하는 실리콘 웨이퍼로서, 상기 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하는 상기 BMD의 밀도가 1×10¹¹/㎤ 이상이고, 또한, 상기 BMD의 형태로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 0.3 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 제조 방법은, 실리콘 결정을 잘라내어 얻어진 실리콘 기판 웨이퍼(silicon substrate wafer)에, 하기의 열처리 공정(A), 열처리 공정(B) 및 열처리 공정(C)을 행하는 것을 포함한다.

(A) 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 삽입 온도로부터 1100℃ 미만까지의 온도 범위에 대해서 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 상기 열처리로의 온도를 2시간 이상 4시간 이하 동안 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로 유지하고; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감소시키고; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내며; 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 실온까지 냉각시키는 공정들을 포함하는 열처리 공정(A)와,

(B) 상기 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 열처리로의 온도가 700℃ 이상 800℃ 이하의 일정 온도인 상태에서 30분 이상 5시간 이하 동안 열처리를 수행하며; 상기 일정 온도+50℃ 이상의 온도까지 0.5℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감소시키고; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리노 밖으로 꺼내며; 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 실온까지 냉각시키는 공정들을 포함하는 열처리 공정(B)와,

(C) 상기 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 삽입 온도로부터 1100℃ 미만까지의 온도 범위에 대해서 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로를 승온시키고; 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로를 승온시키고; 상기 열처리로의 온도를 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로 1시간 이상 4시간 이하 동안 유지하며; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감소시키며; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내는 공정들을 포함하는 열처리 공정(C)

본 발명에 따르면, 상기 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하는 상기 BMD의 밀도가 1×10¹¹/㎤ 이상이고, 또한, 상기 BMD의 형태로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 0.3 이하임으로써, 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립과 휘어짐의 발생을 모두 매우 작게 억제하여, DZ층을 가지면서도 강도 저하를 방지할 수 있고, 나아가서는, 대직경(전형적으로는 200 ㎜ 이상)이며, 또한 고품질의 디바이스의 제조를 가능하게 한다. 또, 본 발명의 실리콘 웨이퍼는, 웨이퍼 내부에 BMD를 갖지 않는 미러 웨이퍼보다, 슬립 전위가 발생하기 어렵고, 또한 높은 게터링 능력을 갖는다.

도 1은 실리콘 웨이퍼의 열처리에 의해 발생하는 슬립과 휘어짐을 설명하는 도면이다.
도 2는 BMD의 형상과 BMD의 대각 길이간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 BMD의 형상과 BMD의 대각 길이간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 존재하는, BMD의 투과형 전자 현미경에 의한 사진 이미지이다.
도 5는 BMD의 전위 발생 장소의 설명도이다.
도 6은 전위가 발생하고 있는 BMD의 투과형 전자 현미경에 의한 사진 이미지이다.
도 7은 {111}면의 비율의 산출 방법을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제조 방법에서의 열처리 온도의 시간상의 변화 그래프이다.
도 9는 본 발명에서 이용하는 단결정 제조 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.

본 발명의 제1 양태는, 대각 길이가 10 ㎚∼50 ㎚인 BMD를 포함하는 실리콘 웨이퍼로서, 상기 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하는 상기 BMD의 밀도가 1×10¹¹/㎤ 이상이고, 또한, 상기 BMD의 형태로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 0.3 이하인 실리콘 웨이퍼이다.

이에 따라, 본 발명은 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립 및 휘어짐의 발생을, 모두 매우 작게 억제·방지할 수 있는 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하고 있는 BMD가, 슬립이나 휘어짐의 특성에 영향을 주고, 또한, 이들 중, 대각 길이가 10 ㎚ 이상인 BMD의 슬립 억제 효과가 크며, 이들이 1×10¹¹/㎤ 이상의 고밀도의 BMD로 형성된 실리콘 웨이퍼에서는, 일반적인 디바이스 제조 프로세스에 있어서, 슬립의 발생이 매우 작게되도록(전형적으로는 10 ㎜ 이하) 억제된다. 또한, 본 발명은, 디바이스 제조 프로세스에 있어서 웨이퍼 지지부로부터 슬립이 발생한 경우라도, 슬립이 실리콘 웨이퍼 표면으로 뚫고 나가는 것을 방지할 수 있고, 웨이퍼 에지부에 슬립이 발생한 경우에 있어서도, 반도체 디바이스 형성 영역에까지 슬립이 도달하는 것을 방지할 수 있어, 디바이스에 대한 악영향을 방지할 수 있다.

또, 본 발명에 의해 실현되는 웨이퍼의 크기(직경, 두께), 여러 가지 원소의 도핑의 유무에 대한 제한은 특별히 없고, 이러한 특징들은 요구되는 반도체 실리콘 웨이퍼의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼를 사용하여 제조되는 반도체 디바이스에 대한 제한도 특별히 없고, 여러 가지 반도체 디바이스 제조에 응용할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실리콘 웨이퍼는, 표면에 에피택셜층을 형성한 에피택셜 웨이퍼, 접합 S0I 웨이퍼, SIM0X(Separation By Implanted 0xygen) 처리를 한 SIM0X 웨이퍼, 또는 표면에 SiGe층을 형성한 SiGe 웨이퍼의 제조 등에 널리 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 실리콘 웨이퍼의 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하며 대각 길이가 10 ㎚∼50 ㎚인 BMD를 갖고 있고, 보다 바람직하게는, 실리콘 웨이퍼의 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하며 대각 길이가 20 ㎚∼50 ㎚인 BMD를 갖고 있다.

BMD의 대각 길이가 10 ㎚∼50 ㎚이면, 슬립 전파에 대한 장벽 효과가 강하기 때문에, 슬립 억제 효과가 있다고 추측된다.

또한, 이러한 범위에 있어서, 대각 길이는 길수록, 밀도는 높을수록, 슬립 억제의 효과가 높아져 바람직하다.

또, 본 명세서에 따른 "BMD의 대각 길이"란, BMD를 {110}면 중 어느 하나에 대하여 정사영한 평면 이미지에 있어서, <100> 방향의 길이를 의미하는 것이다. 예컨대 도 2의 (1)의 (1-a)에 도시되는 팔면체 형상의 BMD의 대각 길이는, (110)면에 대하여 정사영한 평면도인 도 2의 (1)의 (1-b) 중에서 [001]축 방향의 길이이고, 도 2의 (2)의 (2-a)에 도시되는 십이면체 형상의 BMD의 대각 길이는, (110)면에 대하여 정사영한 모습인 도 2의 (2)의 (2-b) 중에서 [001]축 방향의 길이이다. 또한, 상기와 마찬가지로, 도 3의 (1)의 (1-a) 및 (1-b)에는, 부정형의 BMD의 형상과 그 대각 길이, 도 3의 (2)의 (2-a) 및 (2-b)에는 일부 부정형의 BMD의 형상과 그 대각 길이를 도시한다. 또한, BMD의 대각 길이는, BMD의 사이즈에 관계되는 파라미터이다.

본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 표면으로부터 50 ㎛ 이상의 깊이 위치에 존재하는 BMD의 밀도는, 1×10¹¹/㎤ 이상이고, 1×10¹²/㎤ 이상 1×10¹³/㎤ 이하인 것이 바람직하다.

상기 BMD의 밀도가, 1×10¹¹/㎤ 미만이면, 슬립 억제 효과가 불충분하고, 1×10¹³/㎤를 초과하는 BMD를 형성하는 것은 이하의 이유때문에 일반적으로 곤란하다.

일반적인 CZ 단결정 성장 조건내에서 포함되는 고용 산소는, 1×10¹⁸ atoms/㎤ 정도이고, 1×10¹¹/㎤ 이상의 고밀도로 BMD가 형성된 상태에서는, 거의 그들 전부가 석출되게 된다. 고용 산소에는 상한이 있기 때문에, 10 ㎚ 이상의 대각 길이를 갖는 BMD의 밀도를 1×10¹³/㎤를 초과하여 형성하는 것은 일반적으로 어렵고, 1×10¹¹/㎤ 이상의 밀도를 갖는 BMD의 사이즈를 50 ㎚를 초과하게 하는 것도 일반적으로 어렵다고 할 수 있다.

본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 존재하는 BMD는, BMD의 형태로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 0.3 이하이고, 보다 바람직하게는 {111}면의 비율이 0.1 이하이다.

여기서 말하는 "BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율"이란, BMD를 {110}면 중 어느 하나에 대하여 정사영한 평면 이미지에 있어서, (<111> 방향에 수직인 변, 즉 {111}면의 정사영의 길이의 총합)/(주변 길이의 총합)을 의미하는 것이다. 예컨대, 팔면체 형상의 BMD를 (110)면에 대하여 정사영한 평면도인 도 7의 (a)에서는, BMD 주위는 모두 <111> 방향에 수직인 변이기 때문에, {111}면의 비율은 1이고, 십이면체 형상의 BMD를 (110)면에 대하여 정사영한 평면도인 도 7의 (b)에서는, 변 b, 변 e는 [-111] 방향에 수직이며, 변 c, 변 f는 [-11-1] 방향에 수직이기 때문에, {111}면의 비율은 (b+c+e+f)/(a+b+c+d+e+f)이다. 도 7의 (c)에서는, 변 b는 [-11-1] 방향에 수직이기 때문에, {111}면의 비율은 b/(원호 a의 길이+b)이고, 도 7의 (d)는 명확한 {111}면이 보이지 않기 때문에, {111}면의 비율은 0이다.

본 발명자들은, 열처리에 의해 실리콘 웨이퍼가 휘어지는 원인은, 실리콘 웨이퍼 내부에 1×10¹¹/㎤ 이상의 고밀도로 형성된 BMD가 전위를 발생시키기 때문인 것을 발견하였다. 또한, 상기 BMD가 전위를 발생시키는 메커니즘을 조사한 결과, 도 5에 도시하는 바와 같이, 2개의 {111}면이 교차하는 양이 되는 영역이 전위의 발생 장소가 되고 있는 것을 발견하였다(도 6 참조). 이 영역은 왜곡이 커지고 있어, 전위가 발생하기 쉬워지고 있다고 추정된다.

즉, 열처리에 의해 발생하는 열응력이, 임계값을 초과하면 소성 변형이 발생하여 실리콘 웨이퍼에 휘어짐이 발생하는 원인이 되기 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같은 2개의 {111}면이 교차하는 전위의 발생 장소가 실리콘 웨이퍼에 대량으로 존재하면, 실리콘 웨이퍼 내부에 전위 등의 격자 결함이 과도하게 존재함으로써, 열응력의 임계값이 저하되어, 열처리를 받았을 때의 실리콘 웨이퍼의 기계적 강도가 약해져 휘어지기 쉬워진다고 생각된다.

이들 2개의 {111}면이 교차하는 전위의 발생 장소의 TEM 사진 이미지를 도 6에 도시한다. 도 6을 보면, 상기 전위의 발생 장소인 BMD의 모서리부분이 {111}면과 교차하고 있기 때문에, 이 모서리부분에서 발생한 전위가 {111}면상에서 용이하게 이동하여 확장해 간다고 생각된다.

이상의 지견을 바탕으로, 본 발명자들은, 실리콘 웨이퍼 내부에 형성한 고밀도의 BMD의 형태를, 도 3의 (1) 및 (2)에 도시하는 바와 같이, {111}면이 적어지는 부정형 BMD로 BMD를 제어하면, BMD로부터의 전위의 발생이 적어지고, 그 결과, 열처리 후의 웨이퍼의 휘어짐도 적어지는 것을 발견하였다. 전형적인 BMD의 TEM 사진을 도 4에 도시한다.

여기서, BMD 형태의 지수(index)로서, BMD를 둘러싸는 면 전체에서의 {111}면의 비율이 채용된다. 즉, 도 7에 도시하는 바와 같이, BMD를 <110> 방향으로 투영했을 때의, 주위의 길이 전체에 대한 {111}면의 길이의 비율을 구한다. 후술하는 실시예에서도 상세히 설명하지만, 본 발명자들의 실험에 따르면, {111}면의 비율이 0.3 이하가 되면, 열처리 후의 휘어짐량이 10 ㎛ 이하로 억제되는 것을 알 수 있었다.

이상의 점에서, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 디바이스 제조 프로세스에 있어서 발생하는 슬립과 휘어짐이 작다고 하는 점에서 매우 우수하다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼, 특히, 상기한 바와 같이 BMD의 사이즈·밀도·형태가 제어된 실리콘 웨이퍼에서는, 하기의 열처리에 있어서도 발생하는 슬립의 길이가 매우 작은 것(전형적으로는, 슬립이 10 ㎜ 이하이고, 또한, 열처리 후의 웨이퍼의 휘어짐 증가량이 10 ㎛ 이하)을 특징으로 한다.

또, 상기에서 설명한 BMD의 형태, 대각 길이, 개수의 측정을 목적으로 하는 경우, 통상 공지된 측정 방법에 의해 측정이 가능하다. 보다 구체적으로는, 투과형 전자 현미경(이하, 「TEM」이라고 함)에 의한 측정을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 슬립 전위, 휘어짐량의 측정, 평가 방법에 대해서도 제한은 없고, 통상 공지된 방법에 의해 측정 가능하며, 본 명세서에서의 슬립 전위의 구체적인 측정 방법은, X선 토포그래프를 사용하고 있고, 본 명세서에서의 휘어짐량의 구체적인 측정 방법은, NIDEK사 제조 FT-90A 등을 이용하여 관측함으로써 평가하는 것이 가능하다.

본 발명의 제2양태는, 실리콘 결정을 잘라냄으로써 얻어진 실리콘 기판 웨이퍼에, 이하의 열처리 공정(A), 열처리 공정(B) 및 열처리 공정(C)을 행하는 공정들을 포함하는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법이다.

이에 따라, 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립과 휘어짐의 발생을 모두 매우 적게 억제하여, DZ층을 가지면서도 강도 저하를 방지할 수 있고, 나아가서는, 대직경(전형적으로는 200 ㎜ 이상)이며, 또한, 고품질의 디바이스를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실리콘 결정의 바람직한 제조 방법의 일례를 설명한 후, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 각 열처리 공정(A)∼(C)로 나누어 설명한다.

(실리콘 결정의 제조 방법)

본 발명에 따른 실리콘 결정은, 쵸크랄스키법(Czochralski method)(자기장 인가 MCZ 등도 포함함)이나 플로팅 존법(floating zone method) 등의 공지된 제조 방법으로 얻어진 것이면 특별히 제한되는 일은 없고, 쵸크랄스키법에 의해 제조된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 실리콘 결정의 제조 방법을, 단결정 제조 장치를 이용한 실리콘 결정 및 실리콘 웨이퍼의 제조 방법의 바람직한 실시형태의 일례에 대해서, 이하, 상기 단결정 제조 장치의 설명과 아울러 예를 들어 설명한다. 도 9는 본 발명에서 이용하는 단결정 제조 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다. 도 9에서 도시하는 단결정 제조 장치는, 반도체 재료를 용융하기 위한 부재나 성장한 단결정을 인상하는 기구 등을 갖고 있으며, 반도체 재료 용융을 위한 부재는 가열 챔버(2a) 내에 수용되고, 단결정을 인상하는 기구는, 이 가열 챔버(2a)로부터 분리 가능하게 된 상부 구조체의 일부를 구성하는 인상 챔버(2b)의 내부 및 외부에 마련되어 있다. 이 상부 구조체는, 중간 챔버(2c)도 갖고 있다.

가열 챔버(2a) 내에는, 용융액(L)을 수용하는 도가니가 마련되고, 이 도가니는 회전축(5)에 의해 회전·승강 가능하게 지지되며, 회전축(5)은 도시하지 않은 구동 장치에 의해 회전·승강이 이루어진다. 구동 장치는, 단결정(S)의 인상에 따른 액면 저하를 보상하기 위해서 도가니를 액면 저하분만큼 상승시키고, 또한, 용융액(L)의 교반을 행하기 위해서 도가니를 항상 소정의 회전수로 회전시킨다. 도가니는, 석영 도가니(3a)와 이것을 보호하는 흑연제 도가니(3b)로 구성된다. 도가니의 측벽 부분에는, 실리콘을 용융시키는 가열 히터(4)가 그 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다. 이 가열 히터(4)의 외측에는, 이 가열 히터(4)로부터의 열이 가열 챔버(2a)에 직접 복사되는 것을 방지하는 단열재(12)가 그 주위를 둘러싸도록 마련되어 있다.

인상 챔버(2b)에는, 일단이 와이어 권취기(wire winder; 11)에 부착되고, 중간 챔버(2c)의 천장부의 정상벽을 삽입 관통하여 매달린 인상 와이어(8)가 마련되며, 이 인상 와이어(8)의 하단에는, 시드 결정(seed crystal)(9)을 유지하는 척(10)이 부착되어 있다. 와이어 권취기(11)는 시드 결정(9)의 하단측으로 서서히 성장하는 단결정(S)을 그 성장 속도 등에 따라 인상하고, 동시에, 도가니의 회전 방향과는 반대로 항상 회전시킨다.

인상 챔버(2b)의 수용부에 형성된 가스 도입구(13)로부터는 아르곤과 수소가 혼합된 가스가 도입되고, 이 혼합 가스는 가열 챔버(2a) 안을 순환한 후에 가스 배출구(14)로부터 배출되도록 되어 있다. 이와 같이 챔버 내에 혼합 가스를 순환시키는 것은, 상술한 바와 같이, 가열 히터(4)의 가열에 의한 실리콘의 용융에 따라 챔버 내에 발생하는 SiO₂ 가스나 CO₂ 가스를 실리콘 융액 내에 혼입시키지 않도록 하기 위함이다.

챔버 내의 도가니의 상측에는, 성장하는 단결정을 둘러싸도록 액체 냉각 구조체(21)와 냉각체(22)가 배치된다. 액체 냉각 구조체(21)는, 내부에 액체의 냉매를 순환시키는 구조체이다. 도 9에서는, 액체 냉각 구조체(21)는 물을 냉매로 한 스테인리스강제의 수냉 챔버로서 구성되어 있다.

높은 열전도 재료로 이루어지는 냉각체(22)는 성장하는 단결정(S)을 냉각시키도록 배치된다. 냉각체(22)를 구성하는 재료로서는, 열전도율 및 열복사율이 큰 물질, 예컨대, 은, 은 합금, 카본이나 구리 등에서 선택할 수 있으나, 열전도율이 높고 동시에 용융액이나 단결정을 오염시킬 염려가 없는 재료로서, 은 또는 은 합금을 이용하면 가장 바람직하다. 구리 또는 구리 합금의 표면에 금 또는 은 혹은 이들의 합금을 코팅하는 방법을 채용할 수도 있다.

액체 냉각 구조체(21)에 냉각체(22)가 접합되고, 냉각체(22)와 액체 냉각 구조체(21)의 접합부는 폭발 용접 접합된 폭발 용접 접합부(25)를 구성하고 있다. 폭발 용접에서는, 접합하는 재료끼리를 적당한 간격을 두고 평행하게 배치한다. 한쪽 재료 위에 완충재를 통해 적당한 양의 폭약을 싣고, 그 일단을 뇌관에 의해 기폭시키면, 폭발의 진행과 함께 양쪽 재료가 충돌하여, 충돌점에서는 양쪽의 금속이 매우 큰 변형 속도와 고압에 의해 점성 유체적인 거동을 나타내고, 충돌점으로부터 전방으로 금속의 제트 기류가 발생한다. 이 금속 제트에 의해 금속 표면의 산화 피막이나 가스의 흡착층이 제거되기 때문에, 드러난 청정 표면이 고압에 의해 밀착되어 양쪽 재료는 완전히 금속 조직적으로 접합된다.

냉각체(22)와 액체 냉각 구조체(21)의 접합부는 폭발 용접 접합되어 있기 때문에, 이종 금속 접합부임에도 불구하고 양호한 접합부를 형성하고, 또한 접촉 면적 중의 접촉율을 거의 100%로 확보할 수 있다. 이 때문에, 냉각체(22)로부터 액체 냉각 구조체(21)로의 열 이송(heat transfer)이 매우 양호해져, 냉각체(22)의 온도를 저하시키는 것이 가능해진다. 냉각체(22)는, 성장하는 단결정(S)의 중심축에 대하여 대략 회전 대칭 형상을 이루어 도가니나 용융액(L)으로부터 단결정(S)으로의 복사열을 차단하는 위치에 배치되고, 냉각체(22)의 상단부에 있어서 액체 냉각 구조체(21)와 접합하고 있다.

도 9에서는, 냉각체(22)를 원통 형상으로 하고, 냉각체(22)와 액체 냉각 구조체(21)의 폭발 용접 접합부(25)의 접촉 면적은 냉각체 본체의 단면적과 대략 동일한 면적을 갖고 있다. 냉각체(22)의 표면 특상에 대해서는, 단결정(S)에 대향하는 냉각체(22)의 내측을 검게 함으로써, 입사한 열방사를 흡수할 수 있다. 또한, 도가니나 열 차폐체(26)에 대향하는 냉각체(22)의 외측은, 입사한 열방사를 반사하도록 반사율이 높은 표면으로 할 수 있다.

액체 냉각 구조체(21)는, 그 형상이 도넛형의 수냉 챔버이며, 중간 챔버(2c)의 측벽부와 가열 챔버(2a) 사이에 배치되어 있다.

우선, 단결정(S)을 제조할 때에, 인상 챔버(2b)와 중간 챔버(2c)와 냉각체(22)를 폭발 용접한 액체 냉각 구조체(21)를 갖는 상부 구조체를 가열 챔버(2a)로부터 분리하고, 도가니에 원료가 되는 실리콘 다결정체와 매우 미량의 도펀트가 되는 불순물(n형의 경우에는 인, p형의 경우에는 붕소 등을 들 수 있고, 이것은 원하는 반도체를 얻기 위해서 적절하게 선택됨)가, 필요에 따라 질소 함유물과, 탄소 함유물을 투입하고, 그 후, 상부 구조체를 가열 챔버(2a)에 다시 부착한다. 이 상태에서 가열 히터(4)를 가동하여 도가니 내의 반도체 재료가 용융되는 것을 기다린다. 반도체 재료가 용융 상태가 되면, 필요에 따라 실리콘 결정을 성장시키는 결정 인상로(pull-up furnace) 내의 분위기에 수소를 주입하고, 와이어 권취기(11)를 작동시켜 인상 와이어(8)를 내려, 척(10)에 부착된 시드 결정(9)이 용융액(L) 표면에 접하도록 한다. 이 상태에서, 시드 결정(9)상에서 단결정(S)이 성장하기 시작하면, 이번에는 와이어 권취기(11)를 소정의 속도로 인상하여 단결정(S)을 성장시킨다.

또, 실리콘 결정(또는 성장된 실리콘 결정을 잘라낸 실리콘 기판 웨이퍼)에 질소나 탄소를 첨가하는 방법에 대해서는 특별히 제한은 없고, 종래 공지된 방법을 바람직하게 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 질소의 첨가 방법으로서, 질화막을 갖는 실리콘 기판을 실리콘 결정 인상의 융액에 첨가하여, 얻어지는 실리콘 기판 웨이퍼의 질소 농도를 조절할 수 있고, 탄소의 첨가 방법으로서, 탄소 분말을 실리콘 결정 인상의 융액에 첨가하여, 얻어지는 실리콘 기판 웨이퍼의 탄소 농도를 조절할 수 있다.

이와 같이, 용융액(L)으로부터 단결정(S)을 인상하면서 성장시키는 과정에 있어서, 단결정(S)으로부터의 복사광은, 높은 열전도율 재료로 이루어지는 냉각체(22)에 입사된다. 이때 냉각체(22)는, 액체 냉매로 냉각된 액체 냉각 구조체(21)와 폭발 용접 접합되어 있고, 저온으로 유지되어 있기 때문에, 단결정(S)과의 복사열 교환이 좋아져서, 단결정(S)의 냉각 속도를 향상시키는 것이 가능해진다. 아울러, 인상 중의 단결정(S)을 급냉시킬 수 있기 때문에, 단결정(S)의 결정 결함의 발생이 매우 적어진다.

그리고, 본 발명에 따른 실리콘 결정인 인상된 단결정(S)을 얻을 수 있다. 또한 인상된 단결정(S)을 잘라내고, 필요에 따라 연마(미러 가공)하여 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼(또는 미러 웨이퍼)를 얻을 수 있다. 여기서 얻어진 실리콘 기판 웨이퍼에, 이하에 설명하는 본 발명에 따른 열처리 공정(A)∼(C)를 행함으로써 본 발명의 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼는, 구체적으로는, 단결정 성장 조건(결정 인상 속도, 결정 냉각 속도, 도가니 회전, 가스 흐름 등)을 적절하게 제어함으로써, 원하는 것을 제작할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼(또는 실리콘 기판 웨이퍼)의 사이즈(직경, 두께 등)에 대한 제한, 여러 가지 원소의 도핑의 유무에 대한 제한은 특별히 없고, 요구되는 실리콘 웨이퍼의 종류·성능에 맞춰 적절하게 선택하는 것이 가능하다.

또, 본 명세서의 "실리콘 기판 웨이퍼"는, 본 발명에 따른 열처리 공정(A)∼(C) 전의 미열처리의 실리콘 웨이퍼를 의미하고, 본 발명에 따른 실리콘 결정을 잘라내어, 적절하게, 모따기 등의 열처리 이외의 공정이 실시된 웨이퍼를 포함하는 것을 의미이며, 본 명세서의 "실리콘 웨이퍼"는, 본 발명에 따른 열처리 공정 후의 것을 말한다.

(열처리 공정(A))

본 발명에 따른 열처리 공정(A)는, 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 하여 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼를 열처리로에 삽입하고, 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 삽입 온도로부터 1100℃ 미만의 온도 범위에 대해서는 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 승온하며, 또한 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서는 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 승온하고, 또한 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로, 2시간 이상 4시간 이하 동안 유지하며, 그 후 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 내리고, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내며, 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 실온까지 냉각하는 공정들을 포함한다.

(A)의 공정이 BMD 형태에 주는 효과에 대해서는, 이하와 같이 이해된다. 통상, 실리콘 결정 성장 후, 상기 결정이 실온으로 냉각되는 과정에서, 실리콘 결정 중의 산소, 점 결함, 그 외의 원소가 응집해서, 미소한 BMD핵을 형성하고, 이 BMD 핵들은 실리콘 기판 웨이퍼에 존재한다. 상기 기판 웨이퍼에 열처리를 행하면, 이들 BMD핵을 중심으로 산소가 응집하여, 관찰 가능한 사이즈의 BMD가 형성된다. 이러한 과정에서 형성된 BMD는, {111}면을 따른 형태가 되기 쉽다. 한편으로, 열처리 공정(A)와 같이 실리콘 기판 웨이퍼에 1200℃ 이상의 열처리를 가한 경우, 미소한 BMD핵은 한 번 용해된다. 그 후, 열처리 공정(B)에서 재차 BMD핵을 형성시키고, 열처리 공정(C)에서 BMD핵을 성장시킴으로써, 후술하는 탄소나 수소의 효과와 더불어, {111}면을 따르기 어려운 BMD가 형성되는 것으로 이해된다.

상기 A의 공정에서, 실리콘 기판 웨이퍼를 노 내에 삽입할 때의 노의 온도는, 700℃ 미만으로 하면 노의 히터의 수명 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않고, 800℃를 초과하면 노의 부재가 열화하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 실리콘 기판 웨이퍼 삽입 온도로부터 1100℃ 미만의 온도 범위에 대해서는 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 승온하고, 또한 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서는 1℃/분 이상 2℃/분 이하로 하는 이유는, 일반적인 열처리로에 의해 이와 같은 승온 속도가 실현될 수 있고, 또한 전체의 열처리 시간이 짧아지는 승온 속도를 달성할 수 있기 때문이다.

또한, 웨이퍼를 일정 온도로 유지하는 공정에서, 온도를 1200℃ 이상으로 설정하거나, 또는 시간을 2시간 이상으로 설정하는 이유는, 열처리 공정(C)의 고온 열처리 공정이 끝난 후의 BMD의 {111}면의 비율이 0.3 이하가 되어, 휘어짐을 10 ㎛ 이하로 억제할 수 있기 때문이다.

또한 열처리로의 온도가 1250℃를 초과하면, 어닐링로의 부재 열화가 심해져 바람직하지 않고, 일정 온도로 유지하는 시간이 4시간을 초과하면, 생산성 저하의 관점에서 바람직하지 않다. 강온 속도는, 일반적인 노에서 실현할 수 있는 1℃/분 이상 10℃/분 이하가 바람직하다. 기판을 노 밖으로 꺼낼 때의 노의 온도는, 700℃ 미만으로 하면 노의 히터의 수명 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않고, 800℃를 초과하면 노의 부재가 열화하기 때문에 바람직하지 않다.

(열처리 공정(B))

본 발명에 따른 열처리 공정(B)는, 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 열처리로에 삽입하고, 700℃ 이상 800℃ 이하의 일정 온도에서 30분 이상 5시간 이하 동안 열처리를 행하며, 그 후 상기 일정 온도+50℃ 이상의 온도까지 0.5℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 승온시키고, 그 후 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 내리며, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 노 밖으로 꺼내고, 기판을 실온까지 냉각하는 공정들을 포함한다.

상기 관련된 열처리 공정(B)를 행함으로써, 열처리 공정(A)에 있어서 한 번 용해된 미소한 BMD핵을 재차 형성시킬 수 있다.

상기 열처리 공정(B)에 있어서, 열처리로의 온도가 700℃ 미만이면 산소의 확산이 충분히 일어나지 않기 때문에, BMD 형성이 충분히 일어나지 않게 되어 바람직하지 않고, 한편, 800℃를 초과해도 BMD 최적화에 거의 영향을 주지 않기 때문에, 낭비가 많아져 바람직하지 않다.

또한, 700℃ 이상 800℃ 이하의 일정 온도에서 행하는 열처리의 시간이 30분 미만이면 BMD핵 형성을 위한 시간이 불충분하고, 5시간을 초과하면 생산성의 극단적인 저하가 발생하여 바람직하지 않다.

또한, 저속 승온의 승온율이 0.5℃/분 미만이면, 안정된 승온율을 확보할 수 없게 되고, 2℃/분을 초과하면 석출된 BMD가 소멸될 우려가 있어 바람직하지 않다. 또한 승온 공정의 최종 온도가 저온 열처리 공정의 상기 유지 온도+50℃ 미만이 되면, 승온 중에 형성된 BMD가 다음의 C 공정 중에 소멸되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.

(열처리 공정(C))

본 발명에 따른 열처리 공정(C)는, 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 열처리로에 삽입하고, 상기 실리콘 기판 웨이퍼 삽입 온도로부터 1100℃ 미만의 온도 범위에 대해서는 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 승온하며, 또한 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서는 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 승온하고, 또한 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로 1시간 이상 4시간 이하 동안 유지하며, 그 후 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 내리고, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내는 공정들을 포함한다.

상기 열처리 공정(C)를 행함으로써, {111}면을 따르기 어려운 BMD핵을 성장시킬 수 있다.

열처리 공정(C)에 있어서, 유지 온도를 1200℃ 이상으로 설정하거나, 또는 유지 시간을 1시간 이상으로 설정함으로써, BMD핵의 성장에 의해 BMD의 대각 길이를 10 ㎚ 이상으로 할 수 있기 때문에, 슬립 차폐 효과에 의해 열처리 후의 슬립을 10 ㎛ 이하로 억제할 수 있다고 생각된다.

이들 열처리 공정(A)∼(C)를 일체 불가분으로서 포함하는 열처리를 실리콘 기판 웨이퍼에 행함으로써, {111}면을 따르기 어려운 BMD를 형성시켜, 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립과 휘어짐의 발생을 모두 매우 작게 억제할 수 있다고 생각된다.

또한, 상기한 열처리 공정(A)∼(C)의 분위기는, 특별히 제한되는 일은 없고, 질소 분위기, 수소 분위기, 산소 분위기, 희가스(Ar 등)의 분위기하에서 행해져도 되며, 상기한 열처리 공정(A)∼(C)에서 사용하는 장치에 대한 제한은 특별히 없고, 종래 공지된 장치를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로는, 통상의 배치식의 종형 노, RTA(급속 승강온(昇降溫) 열처리) 또는 산소 퍼지 기능이 있는 배치식의 종형 노 등을 들 수 있다.

본 발명의 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼는 질소를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이것은, 상기 기판이 질소를 함유함으로써, 휘어짐 증가량이 더 작게되도록(전형적으로는 5 ㎛ 이하) 억제되기 때문이다. 따라서, 이것은 휘어짐 증가량을 더 억제함으로써, 보다 고성능의 디바이스 제조가 가능해지기 때문이다.

본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼 내의 질소의 농도는, 1.5×10¹⁴ atoms/㎤∼5×10¹⁵ atoms/㎤인 것이 바람직하고, 4×10¹⁴∼5×10¹⁵인 것이 보다 바람직하다. 질소 농도가 이러한 범위 미만이면, 고온 열처리 후의 표면 결함이 잔류하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 질소 농도가 이러한 범위를 초과하면, 다결정화가 일어나, 수율이 저하될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 본 발명의 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼는 탄소를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 탄소 농도는, 3×10¹⁵ atoms/㎤ 이상 2×10¹⁷ atoms/㎤ 이하인 것이 바람직하고, 5×10¹⁵ atoms/㎤∼1×10¹⁷ atoms/㎤인 것이 보다 바람직하다. 탄소 농도가 이러한 범위 미만이면, 상기 고온 열처리 공정(C)가 끝난 후의 BMD의 {111}면의 비율이 0.3을 초과해 버려 바람직하지 않다. 또한, 탄소 농도가 이러한 범위를 초과하면, 다결정화가 일어나, 수율이 저하될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 본 발명의 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼의 산소 농도는, 8×10¹⁷ atoms/㎤ 이상 9×10¹⁷ atoms/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 상기 산소 농도가 이러한 범위 미만이면, BMD의 밀도가 5×10¹¹/㎤ 미만이 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 산소 농도가 이러한 범위를 초과하면, 결정 수율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 실리콘 결정을 인상할 때의 실리콘 결정 인상로 내의 수소 분압은 3 ㎩∼40 ㎩가 바람직하고, 30 ㎩∼40 ㎩가 보다 바람직하다. 상기 수소 분압을 3 ㎩∼40 ㎩로 하면, 결정 중에 일정량의 수소가 첨가되어, 탄소의 효과와 더불어 BMD의 {111}면의 비율을 0.3 이하로 할 수 있다. 또한, 실리콘 결정 인상로 내의 수소 분압이 3 ㎩ 미만이나 40 ㎩를 초과하는 경우에는, 결정의 인상 수율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 실리콘 결정은, 실리콘 융액에 질소, 탄소를 도핑하고, 또한 실리콘 결정 인상로 내의 수소를 포함하는 기체 분위기하에서 실리콘 결정을 성장하는 것이 더 바람직하며, 실리콘 융액에 질소를 4×10¹⁴ atoms/㎤∼5×10¹⁵ atoms/㎤, 탄소를 5×10¹⁵ atoms/㎤∼1×10¹⁷ atoms/㎤ 첨가하고, 또한 실리콘 결정을 성장하는 결정 인상로 내의 수소 분압을 3 ㎩∼40 ㎩로 하는 것이 보다 더 바람직하다.

또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 실리콘 결정을 인상할 때의 1000℃∼900℃에서의 냉각 속도는 5℃/분 이상이 바람직하다. 냉각 속도가 이러한 범위 미만이면, 열처리 공정(C)가 끝난 후의 BMD의 {111}면의 비율이 0.3을 초과해 버리기 때문에 바람직하지 않다.

또, 실리콘 결정 중의 탄소 농도, 질소 농도, 및 산소 농도와, 얻어지는 실리콘 웨이퍼 중의 탄소 농도, 질소 농도, 및 산소 농도는 실질적으로 동일하다.

본 발명에 따른 상기 실리콘 결정은, 상기 실리콘 결정을 성장시키기 위한 결정 인상로 내의 수소 분압을 3 ㎩∼40 ㎩로 설정하고, 또한 1000℃∼900℃에서의 상기 실리콘 결정의 냉각 속도를 5℃/분 이상이 되도록 제어함으로써, 상기 실리콘 결정을 잘라내 얻어진 실리콘 기판 웨이퍼의 질소 농도가 1.5×10¹⁴ atoms/㎤ 이상 5×10¹⁵ atoms/㎤ 이하이고, 또한 산소 농도가 8×10¹⁷ atoms/㎤ 이상 9×10¹⁷ atoms/㎤ 이하이며, 또한 탄소 농도가 3×10¹⁵ atoms/㎤ 이상 2×10¹⁷ atoms/㎤ 이하(JEITA 환산)가 되도록 하는 것이 특히 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 상기 열처리 공정(A)∼(C)에 더하여, 상기와 같은 실리콘 융액에 질소, 탄소를 도핑하고, 또한 실리콘 결정 인상로 내의 수소를 포함하는 기체 분위기하에서 성장한 실리콘 기판 웨이퍼를 사용함으로써, 상승작용(synergetic) 효과를 나타내며, 디바이스 제조 프로세스에서의 슬립과 휘어짐의 발생과, 슬립 전위의 발생을 억제·방지할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 실리콘 기판 웨이퍼나 실리콘 웨이퍼에 포함되는 질소, 탄소 및 산소 농도의 측정 방법에 대해서도 특별히 제한은 없고, 종래 공지된 방법으로 바람직하게 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 질소 농도의 측정으로서 이차 이온 질량 분석 장치(SIMS)를 사용하여 구할 수 있다. 또한, 산소 및 탄소 농도의 측정으로서 적외선 흡수법에 의해 측정하고, 환산 계수로서 JEITA(전자 정보 기술 산업 협회)의 값에 의해 구할 수 있다.

(실시예들)

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 하기 실시예는 단순한 예시에 불과하며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[실시예 1]

실리콘 결정 제조 장치를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 본 실시예에 이용한 실리콘 결정 제조 장치는, 도 9에서 도시된 냉각체(22)를 갖는 단결정 제조 장치이다. 이러한 장치는, 통상의 CZ법에 의한 실리콘 결정 제조에 이용되고, 상기 장치를 이용함에 있어서 도가니 직경은 22인치, 도가니에 삽입하는 실리콘 반도체 재료는 100 ㎏이며, 성장하는 단결정(S)은 8인치의 결정이었다.

냉각체(22)에는 재료로서 은을 이용하고, 냉각체(22)의 내부 직경은 260 ㎜, 외부 직경은 300 ㎜, 길이는 280 ㎜이였다. 액체 냉각 구조체(21)로서는, 내부에 냉각수 배관을 갖는 도넛 형상의 수냉 챔버로서 설정하였고, 중간 챔버(2c)의 하부에 액체 냉각 구조체(31)를 부착하는 구성으로 하였다.

구체적으로, 상기 관련 제조 장치는, 1100℃ 이상의 인상 속도를 올리기 위해서, 열 차폐체(36)를 상기한 방법으로 냉각한 인상로 1, 또는 일반적인 인상 속도를 갖는 인상로 2이다. 인상로 1에서는, 냉각체(22)와 액체 냉각 구조체(21)의 접합부를 폭발 용접 접합하였다. 한편, 인상로 2에서는, 냉각체(22)와 액체 냉각 구조체(21)의 접합부를 볼트 접합하였다.

또한, 인상로 1은 900℃∼1000℃의 냉각 속도 5℃/분을 실현하기 위해서, 인상로 2는 2℃/분을 실현하기 위해서 사용하였다.

이 장치를 이용하여 성장한 실리콘 결정은, 전도형이 p형(붕소 도핑)이고, 결정 직경이 200 ㎜(8인치)였다.

질소 첨가는, 실리콘 융액 중에 질화막을 갖는 웨이퍼를 투입함으로써 행하였다. 탄소 첨가는, 실리콘 융액 중에 탄소 분말을 투입함으로써 행하였다. 인상한 결정을 슬라이싱하여 얻어진 실리콘 웨이퍼의 질소 농도는, 2차 이온 질량 분석 장치(SIMS)를 이용하여 측정하였다. 산소 및 탄소 농도는, 적외 흡수법에 의해 측정하고, 환산 계수로서 JEITA(전자 정보 기술 산업 협회)의 값을 사용하였다. 즉, 격자 간 산소 농도의 환산 계수는 3.03×10¹⁷/㎠, 탄소 농도의 환산 계수는 8.1×10¹⁶/㎠이다.

단, 5×10¹⁴ atoms/㎤ 이하의 질소 농도를 갖는 웨이퍼는 SIMS를 이용하여 측정할 수 없기 때문에, 이하의 수식에 의해 구한 질소 농도를 사용하였다. 이러한 수식에 대해서 이하, 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 제조 방법에서의 질소의 첨가 방법은, 특별히 제한되는 것은 아니며 공지된 방법을 사용할 수 있고, 예컨대, 실리콘 원료 용해 중에 질소 가스를 도입하는 방법이나, 질화물을 CVD법 등에 의해 퇴적시킨 실리콘 기판을 원료 용해 중에 혼입시키는 방법 등을 들 수 있다. 또한, 실리콘 융액의 응고 후의 결정 중에 받아들여지는 불순물의 융액 중 농도에 대한 비율인 편석 계수 k는 질소의 경우 7×10^-4이다(W. Zulehner and D. Huber, Crystal Growth, Properties and Applications, p28, Springer-Verlag, New York, 1982).

본 발명의 제조 방법에 사용되는 실리콘 융액으로부터 결정 중에 받아들여지는 질소 농도는,

[수학식 1]

웨이퍼 중의 질소 농도=k×(1-고화율)^(k-1)×융액 중의 질소 농도

로 산출할 수 있다. 또, 융액 중의 질소 농도는 초기 융액 질소 농도라고도 칭할 수 있다. 여기서, 실리콘 결정의 고화율(g)은,

[수학식 2]

실리콘 결정의 고화율(g)=(결정화한 실리콘의 중량)/(초기 융액 중량)

에 의해 구해진다.

또, 질소 농도의 측정값[atoms/㎤]은 하기의 표 1에 기재하였다.

또한, 수소 첨가는, 수소 혼합 가스를 각 인상로 내에 도입함으로써 행하였다. 또, 수소 분압[㎩]은, 하기의 표 1에 기재한 조건을 설정하였다.

이에 따라, 이 단결정의 동일 부위로부터 기판을 와이어 소우(wire saw)를 이용하여 복수 장 잘라내고, 미러 가공하여 실리콘 기판 웨이퍼(두께 725 ㎛ 정도)를 얻은 후, 또한 상기 실리콘 웨이퍼를 기판으로 해서, 도 8에 도시하는 열처리 패턴에 따라 열처리를 행하여, 어닐링된 웨이퍼를 마련하였다. 열처리 분위기는 아르곤 100% 분위기에서 행하였다.

[실시예 2 및 3]

하기의 표 1에 나타내는 조건으로 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.

(어닐링된 웨이퍼의 측정 및 평가)

상기 제작 조건으로 얻어진 각각의 어닐링된 웨이퍼에 대해서 이하의 측정 및 평가를 행하였다.

(1) BMD 밀도 측정

어닐링된 웨이퍼의 표면으로부터 100 ㎛의 깊이 위치에서, TEM 샘플을 채취하였다. TEM 샘플을 TEM으로 관찰하여, 대각 길이 10 ㎚ 이상의 BMD를 적어도 10개 이상 카운트하였다. TEM으로 관찰한 전면적과 샘플 두께로부터 관찰 영역의 체적을 산출하고, BMD 카운트수와 관찰 영역의 체적으로부터, BMD의 체적 밀도를 산출하였다.

(2) BMD 형태

어닐링된 웨이퍼의 표면으로부터 100 ㎛의 깊이 위치에서, TEM 샘플을 채취하였다. TEM 샘플을 <110> 방향으로부터 관찰하고, 도 7의 방법에 따라, BMD의 {111}면의 비율을 구하였다. 적어도 10개의 BMD를 관찰하고, {111}면의 비율의 평균값을 구하였다.

(3) 슬립 길이

어닐링된 웨이퍼에 RTA를 사용한 하기 열처리를 실시하였다. 하기 조건의 열처리를 10회 반복한다.

삽입: 실온

승온율: 50℃/분

유지: 1100℃/1분

강온율: 30℃/분

인출: 실온

분위기: 아르곤

열 처리 후의 어닐링된 웨이퍼를 X선 토포그래프로 관찰하고, 관찰된 슬립의 길이 중 최대의 길이를 대표값으로 하였다.

(4) 휘어짐량

디바이스 프로세스의 가정으로서, 어닐링된 웨이퍼에 하기 열처리를 실시하였다.

(A) 열처리

780℃, 3시간+1000℃, 16시간, 드라이 산소 분위기

(B) 산화막 퇴적

950℃, 건조한 산소 분위기, 막 두께 15 ㎚

(C) 질화막 퇴적

CVD, 780℃, 막 두께 150 ㎚

(D) RTA에 의한 열처리

하기 조건의 열처리를 10회 반복한다.

삽입: 실온

승온율: 50℃/분

유지: 900℃/1분

강온율: 30℃/분

인출: 실온

분위기: 아르곤

그리고, 유사 디바이스 프로세스 열처리 전, 및 유사 디바이스 프로세스 열처리 후의 어닐링된 웨이퍼의 휘어짐을 NIDEK사 제조 FT-90A로 측정하고, 휘어짐 증가량=열처리 후의 휘어짐-열처리 전의 휘어짐을 구하였다.

(어닐링된 웨이퍼의 각 측정 결과 및 평가 결과)

[표 1]에는, 실시예 및 비교예로서, [표 1]에 나타낸 제작 조건에 의해 제작된 어닐링된 웨이퍼에 대해서, 측정된 소정 사이즈의 BMD의 밀도 및 격자 간 산소 농도와, 유사 디바이스 프로세스 열처리에 의해 발생한 슬립과 휘어짐량을 정리하였다.

[표 1]

본 발명은 특히, 미세한 반도체 디바이스에 있어서 적합하게 사용할 수 있다.

2a: 가열 챔버 2b: 인상 챔버
2c: 중간 챔버 3a: 석영 도가니
3b: 흑연제 도가니 4: 가열 히터
5: 회전축 8: 인상 와이어, 와이어 권취기
9: 종결정 10: 척
11: 와이어 권취기 12: 단열재
13: 가스 도입구 14: 가스 배출구
21: 액체 냉각 구조체 22: 냉각체
25: 폭발 용접 접합부 26: 열 차폐체
L: 용융액

Claims

삭제
1.5×10¹⁴ atoms/㎤ 내지 5×10¹⁵ atoms/㎤의 질소 농도와, 3×10¹⁵ atoms/㎤ 내지 2×10¹⁷ atoms/㎤의 탄소 농도와, 8×10¹⁷ atoms/㎤ 내지 9×10¹⁷ atoms/㎤의 산소 농도를 가진 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
실리콘 결정을 성장시키기 위해 결정 인상로(crystal pull-up furnace) 내의 수소 분압을 3 Pa 내지 40 Pa로 설정하여 실리콘 결정을 인상하고, 1000℃ 내지 900℃에서 5℃/분 이상의 냉각 속도로 실리콘 결정을 냉각시키며, 실리콘 결정을 절단하여 실리콘 기판 웨이퍼를 획득하는 공정을 포함하고,
후속하여,
(A) 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 삽입 온도로부터 1100℃ 미만까지의 온도 범위에 대해서 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 상기 열처리로의 온도를 2시간 이상 4시간 이하 동안 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로 유지하고; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감온시키고; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내며; 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 실온까지 냉각시키는 공정들을 포함하는 열처리 공정(A)와,
(B) 상기 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 열처리로의 온도가 700℃ 이상 800℃ 이하의 일정 온도인 상태에서 30분 이상 5시간 이하 동안 열처리를 수행하며; 상기 일정 온도+50℃ 이상의 온도까지 0.5℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감온시키고; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리노 밖으로 꺼내며; 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 실온까지 냉각시키는 공정들을 포함하는 열처리 공정(B)와,
(C) 상기 열처리로의 온도를 700℃ 이상 800℃ 이하로 설정하여 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로에 삽입하고; 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 삽입 온도로부터 1100℃ 미만까지의 온도 범위에 대해서 5℃/분 이상 10℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 1100℃ 이상 1250℃ 이하의 온도 범위에 대해서 1℃/분 이상 2℃/분 이하의 승온 속도로 상기 열처리로의 온도를 승온시키고; 상기 열처리로의 온도를 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 일정 온도로 1시간 이상 4시간 이하 동안 유지하며; 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 강온 속도로 상기 열처리로의 온도를 감온시키며; 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 상기 실리콘 기판 웨이퍼를 상기 열처리로 밖으로 꺼내는 공정들을 포함하는 열처리 공정(C)
의 공정들을 실시하는 것 포함하는, 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 실리콘 기판 웨이퍼의 질소 농도가 4×10¹⁴ atoms/㎤ 내지 5×10¹⁵ atoms/㎤가 되도록 설정하는 것인, 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
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