[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - Czochralski Growth 3부






초크랄스키(Czochralski, CZ) Growth


CZ법에서 단결정 실리콘덩어리(ingot)는 단결정 실리콘 종자(seed)를 용융된 실리콘과 접촉시킨 후 천천히 위로 끌어올리면서 냉각 고화하여 성장된다. 현재 Cz법은 직경이 250㎜이고 무게가 100㎏ 이상인 실리콘 단결정을 상업적으로 생산할 능력을 가지고 있으며, 실험적으로 300㎜ 크기의 웨이퍼도 보고되어 있기 때문에 당분간은 크기에 대한 제한을 받지 않을 것이다.


CZ 단결정 성장장치의 모양을 <그림1>에 나타내었다. 성장공정은 실리콘의 녹는점인 1412℃의 고온에서 이루어진다. 용융상으로부터 결정 성장을 방해할 수 있는 SiO2나 Si3N4의 생성을 막기 위해서는 성장기 내부에 공기의 출입을 막는 것이 필수적이다. 성장기 내부는 고순도의 아르곤 기체를 주입하여 약 20～30 torr의 압력을 유지한다. 흑연(graphite) 가열 장치는 용융 실리콘과 성장중인 결정에 적절한 온도를 제공한다. 단결정 성장장치는 온도 변화, 진동, 가스의 주입 등에 매우 민감하기 때문에 안정적인 성장 조건을 결정하기 위해 다양한 조업 변수의 영향을 이론적으로 해석할 수 있는 전산모사법이 사용되고 있으며 현재에도 이의 개선을 위하여 많은 연구가 계속되고 있다.


그림 1. CZ 성장기의 구조(도식화)


단결정 실리콘의 성장을 위해 성장기 내부에 다결정 실리콘 원료를 넣고 얻어지는 실리콘이 적절한 전기적 특성을 나타내도록 하기 위해 정해진 양의 도펀트를 첨가한다. 성장기를 밀봉한 후에 적당한 기체의 흐름과 압력을 유지하고 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘이 완전히 녹으면 성장기의 온도를 실리콘의 녹는점보다 몇 도정도 높게 유지한 후 적절한 회전속도(보통 15rpm)로 성장기를 회전시키면서 단결정을 성장한다.


원하는 결정 배향(orientation)을 가진 실리콘 결정으로부터 자른 종자(seed)는 길이가 약 100㎜이고 직경이 약 10㎜ 정도로서 종자 결정의 배향이 성장될 단결정 실리콘의 배향을 결정한다. 주로 사용되는 결정 배향은 <100>과 <111>이지만 때때로 <110>이 사용되기도 한다. 종자를 아래로 내려서 용융상의 실리콘과 접촉시키면 용융 실리콘의 큰 표면장력으로 인해 종자는 용융 실리콘의 표면보다 약간 높은 위치에서 고-액 계면을 형성하게 된다. 결정을 성장시키기 위해서 종자를 약간 끌어올리면 고-액 계면은 조금씩 냉각하기 시작하면서 결정의 성장이 시작된다. 끌어올리는 속도나 온도를 높이면 성장하는 결정의 직경은 작아지는 반면, 끌어올리는 속도나 온도를 낮추면 직경이 큰 결정을 얻을 수 있다. 일반적으로 성장기와 종자를 지속적으로 회전시키면서 결정을 성장하게 되는데 이는 용융상의 흐름을 조절하여 계면의 온도를 균일하도록 함으로서 불순물의 분포가 균일하고 원형인 결정을 제조하기 위해서이다. 


성장 초기에 용융상의 실리콘에 종자를 접촉시키게 되면 심한 온도 충격으로 인해 종자 내에 디스로케이션(dislocation)이라 불리우는 2차원적 결함(defect)이 형성될 수 있기 때문에 이러한 결함이 없는 결정을 생산하기 위해서 성장 초기에 종자의 끌어올리는 속도를 증가시키는 방법을 사용한다. 디스로케이션 결함은 주로 {111}면을 따라 전파되며 실리콘 외부 표면에서 결함의 계속적인 전파가 정지되기 때문에 성장초기에 결함이 표면에서 모두 제거될 때까지는 단결정의 직경을 키우지 않고 성장을 진행하게 되는 것이다.


결함이 모두 제거되면 온도를 약간 내리고 끌어올리는 속도를 약 2.5 cm/h 정도로 줄이면 결정의 직경이 점차 증가하기 시작한다. 결정이 만족할 만한 직경을 이루게 되면 결정이 더욱 커지는 것을 막기 위해 속도를 다시 증가시켜 일정한 직경에서 성장이 이루어지도록 유지한다. 100㎜ 직경의 결정을 성장시키기 위한 일반적인 속도는 약 8 ㎝/h 정도이며 직경이 더욱 큰 결정은 좀 더 느린 속도로 성장시켜야 한다. 결정의 성장이 거의 끝나게 되면 결정의 직경을 점차적으로 작게 하기 위해서 속도를 조금 증가시킨다. 결정의 끝 부분의 직경을 점차 작게 하는 이유도 마찬가지로 결정이 용융상으로부터 완전히 분리될 때 생기는 디스로케이션 결함을 막기 위해서이다.


한편 다결정 실리콘 원료와 함께 실리콘의 전기적 특성을 조절하기 위해 첨가한 도펀트들은 단결정 성장과 함께 실리콘 내부로 고르게 첨가된다. 이때 도펀트의 농도는 너무 높지 않아야 하며 어느 정도 이상의 농도에서는 도펀트와 실리콘이 고용체(solid solution)를 형성하지 않고 도펀트가 침전상으로 얻어질 수 있다. 용융상에 고르게 분포되어 있는 도펀트들은 일반적으로 고체와 용융상에서 서로 다른 평형농도를 가진다. 용융상의 도펀트의 농도와 성장중인 결정의 불순물 농도의 비를 분리계수(segregation coefficient)라고 부른다.


k = Cs/Cl


여기서 Cs는 성장하는 결정에 존재하는 도펀트의 평형농도이며, Cl은 용융상내에 존재하는 도펀트의 평형농도이다. 대부분의 도펀트에 있어서 분리계수 k는 1 보다 작으며 가장 많이 사용되는 도펀트인 붕소(Boron)는 k=0.8, 그리고 인(Phosphorous)은 k=0.35 이다. 분리계수가 1인 경우에 용융상에 첨가한 도펀트의 농도는 그대로 단결정의 도펀트 농도로 얻어지지만 분리계수가 1 보다 작은 경우에는 용융상의 도펀트 농도가 결정상의 농도보다 높아 결정성장이 진행되면서 점차 용융상의 도펀트 농도가 높아지게 된다. 이러한 영향으로 인해 단결정 실리콘의 위 부분 보다 아래로 갈수록 도펀트의 농도가 높게 나타나기도 한다.


이러한 도펀트의 계면 사이에서의 분리현상은 공정조건에 따라서도 영향을 받는다. 성장기 및 종자의 회전에 따라, 그리고 종자를 끌어올리는 속도에 따라 계면에서의 도펀트의 확산 및 대류에 의한 물질전달이 영향을 받기 때문에 단결정의 실제 도핑농도를 이론적으로 해석하기 위해서는 계면에 형성되는 경계층(boundary layer)에서의 물질전달이 고려되어야 한다.


앞서 기술한 바와 같이 도펀트들은 반도체의 전기적 특성을 조절하기 위해 의도적으로 첨가한 불순물이지만 단결정 성장과정 중에 어쩔 수 없이 첨가되는 두 가지의 불순물이 있는데 이것은 산소와 탄소로서 각각 성장장치의 재료로부터 비롯된 것이다. 실리카 성장기로부터 비교적 많은 양의 산소원자가 SiO의 형태로 용융상으로 유입되며 탄소는 흑연(graphite)가열기로부터 유입된다. 산소는 대개 결정 내에 존재하는 도펀트의 농도와 유사한 정도의 높은 농도로 발견되는데, 실제로 산소의 농도는 성장기의 크기, 성장기와 종자의 회전속도, 용융상과 결정상과의 비율등 여러 가지 변수에 따라 다르게 나타난다. 


산소는 주로 격자(lattice)의 틈새위치(interstitial site)에 존재하며 탄소는 실리콘의 격자위치에 첨가된다. 결정 내에 존재하는 산소는 집적회로 제조공정을 통해 수행되는 다양한 가열 공정으로 인해 과포화 되어 SiO2로 침전(precipitation)이 일어나게 되어 반도체 소자의 성능을 감소시키는 영향을 준다. 결정 내에 존재하는 산소의 양을 줄이기 위해 결정을 열처리하게 되면 틈새위치에 존재하는 산소원자는 쉽게 이동하여 실리콘 표면에서 산소기체로 제거될 수 있다. 이러한 현상은 주로 표면 근처에서 일어나며 이렇게 산소 불순물이 제거된 표면 근처의 영역(denuded zone)에 집적회로를 형성한다. 또한 결정 내부의 깊은 곳에 제거되지 않고 침전된 산소에 의한 결함은 실리콘 내부의 다른 불순물들을 제거해 주는 역할을 하는데 이러한 현상을 게터링(gettering)이라고 부른다.


양질의 단결정을 만들기 위해서 계속적으로 발전된 CZ 성장기술이 개발되고 있다. 자기장(magnetic field)을 이용하여 용융상의 와류(turbulence)를 방지할 수 있는 방법, 회분식(batch) 공정이 아닌 연속식(continuous)의 CZ법, 그리고 화합물 반도체의 경우에 주로 활용이 되는 LECZ(liquid-encapsulated CZ)법 등이 개발되어 사용되고 있거나 현재 개발되고 있다


※ 위에서 CZ성장기에 의한 성장법에 대해 논하였는데 CZ공정순서를 정확히 숙지하고, 과정 및 개념이해를 돕기위해 아래에 그림과 같이 각 공정의 세부 설명을 하였다.


1. CZ 성장법에 대한 SILICON 단결정 성장 공정

그림2. CZ 결정성장기


1) PREPARATION OF CHARGE

GROWER CHAMBER에 넣어서 단결정을 성장시킬 수 있는 원, 부재료를 준비하고 관리하는 작업을 말한다. 단결정을 성장시키는데 필요한 주원료는 POLY SILICON과 DOPANT이다.



POLY SILICON은 크게 CHUNK POLY(덩어리)[그림1]와 GRANULE POLY(알갱이)[그림2]를 사용하며, GRANULE POLY는 300mm 웨이퍼 제조시에는 필수적으로 쓰이는 원재료이다. DOPANT는 INGOT의 TYPE 즉 N-TYPE, P-TYPE을 결정지으며, 원료는 P-TYPE에는 BORON(붕소), N-TYPE에는 PHOSPHORUS(인), ANTIMONY등이 사용된다. 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)내에 POLY SILICON을 쌓아 올리는 작업을 STACKING이라 하며, POLY SILICON이 완전히 용해(MELT DOWN)하는데 많은 시간이 소요된다. STACKING하는 방법은 먼저 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)[그림3]에 DOPANT를 넣고, POLY SILICON의 가장 작은 조각을 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE) 중간에 위치하게하고,중간 정도의 크기를 맨윗 부분에 놓으며, STACKING이 끝난 후, 그 모양이 돔(DOME)형태가[그림4] 되어야 한다.


주의할 점은 STACKING시 청결해야 하며, 어떠한 불순물도 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE) 안에 들어가게 해서는 안된다. 또한 항상 CLEAN BENCH를 사용해야만 하며, 작업자는 필히 보안경과 비닐장갑등을 착용하여 오염을 방지해야 한다

 

2) MELTING


위에서 STACKING한 POLY SILICON이 완전히 녹아서 액체 상태가 되는 것을 말하며,[그림5은 녹고 있는 과정][그림6은 멜팅상태에서 그래뉼 폴리를 삽입 같이 멜팅하고 있는 모습] 이 공정에서는 PULLER(GROWER)내에 있는 ELECTRICAL HEATER(전기히터)로 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)를 약 15000。C정도 높이게 된다. 석영도가니의 온도를 균일하게 유지시키기 위하여 CRUCIBLE을 회전시킨다. 이렇게 하여 완전히 녹은 POLY SILICON을 MELT라 부른다.

 

3) DIPPING

POLY SILICON이 완전히 녹은 MELT상태에서 종자(SEED)를 접촉시키는 작업을 말한다. [그림7]

SEED는 사각봉 형태인 단결정으로 만들어지며 직경은 약 1.2Cm 가량되고, 길이는 약 15Cm정도이다.



MELT에 SEED를 담그면, SEED주위에 밝은 환형이 나타나는데 이것을 MENISCUS라 부른다. 이 현상은 액체 상태의 SILICON과 고체상태의 SILICON SEED 사이 접촉면의 가장 자리 상태를 정확하게 파악하는데 도움을 주며, MENISCUS를 정확히 파악해야만 좋은 SINGLE CRYSTAL로 성장시킬 수 있다.


만일, MELT의 온도가 낮게 되면 MENISCUS가 부분적으로 발생하거나, SEED주위에 ICE(고체)가 발생하게 되어 올바른 INGOT으로 성장시킬 수 없다. 반대로 MELT의 온도가 아주 높으면 MENISCUS가 SEED의 직경보다 작아지거나 아예 없어지게 된다.

 

4) NECKING

DIPPING후 MENISCUS가 양호한 상태가 되었을때 NECKING을 시작한다. NECKING[그림8]이란 SINGLE CRYSTAL에 결함이 발생하지 않도록 SEED를 따라 성장하는 CRYSTAL의 직경을 최대한 줄이면서 끌어올리는 작업을 말한다.


이 작업은 SINGLE CRYSTAL을 완전히 성장시킬 수 있는지를 판단 할 수 있는 중요한 작업으로, DIPPING한 SEED를 서서히 끌어 올리면 SINGLE CRYSTAL이 SEED의 결정 방향대로 달라 붙어서 올라오게 되는데, 이때 올리는 속도를 천천히 하면 직경이 크게되고 빨리하면 직경이 줄어들게 된다.


SEED를 끌어올릴때, 성장 하고있는 SINGLE CRYSTAL에는 길이 방향의 선이 나타나는데 이것을 RIDGE라고 부르며, 이 RIDGE에 의해 CRYSTAL의 방향이 결정된다. 즉 (100) CRYSTAL 또는 (111) CRYSTAL인지를 판별하게 된다. RIDGE가 3개이면 (111) CRYSTAL, 4개는 (100) CRYSTAL이다. (111) CRYSTAL에서 NECKING을 하면 어느 정도의 길이에서부터 옆으로 빗질한 것처럼 줄무늬가 생기는데 이것을 BRUSH LINE이라 하며, 이러한 현상을 통해서 좋은 CRYSTAL의 성장 가능성을 판단할 수가 있다. 훌륭한 NECKING은 무결점 크리스탈 (ZERO-DEFECT, ZERO-D)을 성장시킬 수 있는 가장 기본이 된다.

 

5) SHOULDERING

NECKING공정이 끝나면 CRYSTAL을 목적하는 결정직경(DIAMETER)까지 확장 시켜야 하며, 이러한 작업은 SHOULDERING[그림9,그림10]이라 부른다. 이작업은 NECKING공정보다 인상속도를 줄여서 서서히 끌어올리게 되며, 액체 상태의 SILICON은 고체상태의 SILICON에 달라붙어서 고체화하는 속도가 빨라져서 직경이 커지게 된다.


 

6) BODY GROWTH

[그림 11]SHOULDERING 작업공정에서 목적하는 결정 직경만큼 커졌을때 그 결정을 그대로 계속하여 목적하는 길이 까지 유지하게 되며, 이러한 작업을 body GROWTH라 한다. 이작업은 자동장치(AUTOMATIC DIAMETER CONTROL)에 의해서 CRYSTAL의 직경을 조절하게 되어있다.


그림 11


body GROWTH에서 주의해야 할 사항은 STRUCTURE LOSS이다. 이 STRUCTURE LOSS 는 RIDGE가 사라지는 지점에서 부터 STRUCTURE LOSS가 시작된다고 알려져 있다. STRUCTURE LOSS란 단결정(SINGLE CRYSTAL)이 잉곳(INGOT)이 되지 않거나 단결정이 되더라도 그 품질이 아주 나빠서 제품화 할 수 없는 부분을 말한다. 이렇게 STRUCTURE LOSS가 발생하는 주원인은 우선 GROWER CHAMBER내부의 CLEANING 상태가 불량했을 경우와 또는 POLYSILICON STACKING 과정에서 불량했다고 볼 수 있으며,그다음 STACKING과정에서 불순물이 첨가되는 경우등의 이유로 정상적인 CRYSTAL 성장시 결정성장이 제대로 진행할 수 없기 때문에 발생한다. 또한 GROWING도중 GROWER CHAMBER에 LEAK(누출)이 발생하여 생기기도 한다.

※중요제어변수 : 인상속도, SEED회전수, CRUCIBLE 회전수

 

7) TAILING

BODY GROWTH를 진행할수록 CRUCIBLE 내부의 MELT가 점점 줄어 들게 되며, 나중에는 INGOT과 MELT를 분리시켜야 하며, 이작업을 TAILING이라 한다. TAILING 하는 방법은 BODY GROWTH의 직경을 점점 줄이면서 성장시키면 결국에는 MELT와 INGOT이 분리된다. TAILING의 실시 시점은 CRUCIBLE내에 MELT가 10-15%가량 남아 있을 때이다.


TAILING을 잘하게 되면 그만큼 INGOT의 LOSS(손실)가 줄어들며, 따라서 생산수율이 향상되기 때문에 중용 작업공정이라 할 수 있다. 만일 TAIL을 잘못 실시하면 갑자기 MELT와 INGOT이 분리하게 되는데 이러한 현상을 POP-OUT라 하여, 이것은 INGOT에 상당히 해를 입혀서 많은 STRUCTURE LOSS를 유발시키며, 생산 수율도 저하하게 되어 경제적 손실도 커지게 된다.

※중요제어변수 : 최종 Tail 길이, 인상속도

 

8) COOL-DOWN

TAILING 완료후 성장시킨 INGOT과 CRUCIBLE을 냉각시키는 작업이며,[그림13] 대략 2시간 정도후에 INGOT과 CRUCIBLE을 GROWER CHAMBER에서 후에 제거하게 된다.

※중요제어변수 : 냉각방법, 냉각시간, 결정의 냉각 위치

 

9) INGOT REMOVE

냉각이 끝난 INGOT은 CERAMIC가위로 NECKING한 부분을 짤라서 GROWER CHAMBER로 부터 제거하는 제거하는 작업으로, INGOT이 무겁기 때문에 CRYSTAL REMOVAL TOOL을 사용한다.


※EVALUATION

단결정 성장이 끝난 INGOT은 전용 Cart로 이동하여 EVALUATION ROOM으로 옮겨진다. EVALUATION이란 INGOT의 품질을 평가하기 위하여 SAMPLE을 채취하는 공정이다. 먼저 INGOT [그림14.그림15]중에서 제품화 되지 않는 부분 TAIL, SHOULDER, SLIP등의 부분은 절단하고 산소, 비저항, 탄소농도 등을 측정하여 평가한다.

 

2. CZ-Ambient control(환경요인 제어)

CZ성장기를 이용하여 결정을 성장시 성장기 내부 환경을 적정에 맞게 잘 조절하는 일이 무엇보다도 중요하다. 몇가지 요인을 살펴보면, 성장공정은 실리콘의 녹는점인 1412℃의 고온에서 이루어지므로 용융상으로부터 결정 성장을 방해할 수 있는 SiO2나 Si3N4의 생성을 막기 위해서는 성장기 내부에 공기의 출입을 막는 것이 필수적이다. 또 성장기 내부는 고순도의 아르곤 기체를 주입하여 약 20~30 torr의 압력을 유지시키고, 흑연(graphite) 가열 장치는 용융 실리콘과 성장중인 결정에 적절한 온도를 제공해야 한다. 단결정 성장장치는 온도 변화, 진동, 가스의 주입 등에 매우 민감하기 때문에 안정적인 성장 조건을 결정하기 위해 다양한 조업 변수의 영향을 이론적으로 해석할 수 있는 전산모사법이 사용되고 있으며 현재에도 이의 개선을 위하여 많은 연구가 계속되고 있다. 이런 민감한 요인들을 잘 control 해야 만족스러운 성장결과를 얻을 수 있다.

 

3. CZ-Control system (제어 시스템)

만족스러운 성장결과를 위해서는 앞서 말했듯이 여러 가지 요인들을 잘 조절하고 맞춰줘야 하는데, 인위적으로 여러 가지를 Control하여 원하는 성장을 유도해 낼 수도 있다. 즉 다시 말해 오염원의 제거와 같은 주변 환경적인 면도 중요하지만 공정에서 발생하는 환경 이외의 문제에 대한 조절이 필요하다. 예를들면 성장 초기에 용융상의 실리콘에 종자를 접촉시키게 되면 심한 온도 충격으로 인해 종자 내에 디스로케이션(dislocation)이라 불리우는 2차원적 결함(defect)이 형성될 수 있는데 이러한 결함이 없는 결정을 생산하기 위해서 성장 초기에 종자의 끌어올리는 속도를 증가시키는 방법을 사용한다. 


디스로케이션 결함은 주로 {111}면을 따라 전파되며 실리콘 외부 표면에서 결함의 계속적인 전파가 정지되기 때문에 성장초기에 결함이 표면에서 모두 제거될 때까지는 단결정의 직경을 키우지 않고 성장을 진행하게 되는 것이다. 결함이 모두 제거되면 온도를 약간 내리고 끌어올리는 속도를 약 2.5 cm/h 정도로 줄이면 결정의 직경이 점차 증가하기 시작한다. 결정이 만족할 만한 직경을 이루게 되면 결정이 더욱 커지는 것을 막기 위해 속도를 다시 증가시켜 일정한 직경에서 성장이 이루어지도록 유지한다.


이처럼, 실제 유용하고 훌륭한 단결정을 얻으려면 위의 두 시스템의 control이 필수적이다. 즉, 성장에 필요한 최적의 상태를 항상 유지하고, 최적에 필요하도록 System을 잘 유도한다면 훌륭한 결과를 얻을수 있을것이다. 






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