[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - Float Zone Method 4부






플롯존법(Float Zone Method, FZ)


이 공정의 원리는 용융상 실리콘 영역을 다결정 실리콘 봉을 따라 천천히 이동시키면서 다결정 실리콘 봉이 단결정 실리콘으로 성장되도록 하는 것이다. FZ법은 (1) 용융상과 직접 접촉되는 성장기를 사용하지 않고, (2) 성장장치 내부에 흑연(graphite)가열기을 사용하지 않고, 또한 (3) 성장기 안에 있는 용융상 실리콘 내에 도펀트의 증가를 보이는 분리효과가 나타나지 않기 때문에 고도로 순수한 단결정을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.


FZ법 장치의 주요 구성요소는 흑연을 사용한 가열장치와 실리카 성장기를 사용하지 않는다는 점 외에는 Cz법과 유사하다. 열은 한 순간에 단지 봉의 일정한 부분만을 용융시키는 단선의 RF(radio frequency) 코일(coil)로 제공된다. <그림2> 또한 근본적으로 공정자체가 다르므로 자동화 시스템이 Cz 법과 다르다. 


그림 2 플롯 존 결정 성장기의 구조



다결정 실리콘 주입 봉은 회전운동을 하면서 위에서부터 밑으로 반응기 내부로 이동되며 이때 주입 봉의 밑의 일부분이 녹으며 액상은 표면장력의 효과로 봉에 부착되어 있는 상태가 된다. 종자는 아래로부터 이동하여 액상의 실리콘과 접촉된다. 종자를 밑으로 내려줌과 동시에 주입 봉을 천천히 코일 히터쪽으로 내려주면서 단결정 성장이 시작된다. 초기의 주입속도와 공급전력을 적당한 직경의 단결정이 성장하도록 맞춘다. 결정의 크기는 종자와 주입 봉과의 상대적인 하강 속도의 비로 결정한다. 주입 봉의 직경이 균일해야만 성장되는 단결정 실리콘이 균일한 직경을 갖는다. CZ법에서와 같은 불순물 분리에 관한 원리가 FZ 법에도 그대로 적용이 되나, 액상의 실리콘이 적다는 것만 유의하면 된다.


주입물질이 순도 N0를 갖는다면 종자의 끝은 불순물 농도가 kN0인 주입 물질보다 적은 불순물을 포함하고 있다. 그러나 Cz 법과는 다르게 액상 실리콘의 불순물 농도는 곧 N0/k로 증가할 것이다. 이러한 현상이 일어나면 성장하는 결정은 초기 주입물질과 같은 농도를 갖게된다. FZ에서의 전형적인 불순물 분포를 보게되면, 씨드의 끝은 낮은 농도를 갖고, 결정의 중심부의 평평한 부분(Flat region)은 N0와 같은 농도를, 탱 부분은 N0보다 높은 농도를 갖게 된다. 이 성장법은 불순물이 종자의 끝에서 낮은 농도를 갖는 효과를 나타낸다. 불순물 농도가 높은 탱 부분은 버려지게 된다. 원하지 않는 불순물을 따라 도펀트가 격리되는 것을 막기 위해서, 도펀트는 공정의 마지막 과정에서 가스와 함께 주입된다. 비록 FZ 결정이 Cz 결정에서 발견되는 산소보다 1% 정도 적게 가지고 있지만, FZ 결정으로 만든 집적회로가 더 좋다는 증거는 없으며, 아마 Cz내에 존재하는 산소의 이로운 진성 게터링효과(Intrinsic Gettering effect) 때문일 것이다.



Czochralski Growth와 Floating zone Growth의 비교 



CZ법은 앞에서 이미 설명했듯이 성장시키려는 물질을 도가니 속에 넣고 고온으로 가열하여 완전한 용융 상태로 만들어, 종자 결정을 용액의 표면 중앙부에 닿게 하여 서서히 회전시키면서 끌어올리면 결정의 정출작용이 종자 결정 끝에서부터 시작되고, 인상된 용액이 고화되면서 막대 모양의 원통형 결정이 성장되는 결정 성장법이다. 반대로, 플롯 존 결정성장법은 용융상 실리콘 영역을 다결정 실리콘 봉을 따라 천천히 이동시키면서 다결정 실리콘 봉이 단결정 실리콘으로 성장되도록 하는 것이다. 용융상과 직접 접촉되는 성장기와 성장장치 내부에 흑연가열기를 사용하지 않고, 성장기 안에 있는 용융상 실리콘 내에 도펀트의 증가를 보이는 분리효과가 나타나지 않기 때문에 고도로 순수한 단결정을 만들 수 있다.


이 두 Growth방법의 장, 단점을 비교해보면, 먼저 CZ법은 현재 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. 반면에 FZ 법은 생산할 수 있는 웨이퍼 크기의 제한이 있다는 점과 경제성의 문제 때문에 집적회로 제조 산업에서는 일반적으로 사용되고 있지 않다.


상업적 이용측면에서는 FZ가 CZ에 비해 크기제한으로 사용에 제한이 따르고 있지만 내부 장비면에서는 FZ가 뛰어난 장점을 보인다. CZ의 경우 용융상과 직접 접촉되는 성장기를 사용하고 있어 결정성장을 방해하는 SiO2나 Si3N4 및 기타 활성기체의 유입이 원활하여 부작용이 우려되는 반면 FZ는 앞서 설명했듯이 (1) 용융상과 직접 접촉되는 성장기를 사용하지 않고, (2) 성장장치 내부에 흑연(graphite)가열기을 사용하지 않고, 또한 (3) 성장기 안에 있는 용융상 실리콘 내에 도펀트의 증가를 보이는 분리효과가 나타나지 않기 때문에 고도로 순수한 단결정을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.


그림3. Czochralski Growth 와 Floating Zone Growth 의 비교도식화


장비의 불순물 분리에 관한 원리는 CZ법과 FZ법이 같은 방법에 의해 적용이 되나, 액상의 실리콘이 FZ가 적다는 것을 유의해야한다.


 

그 외의 결정 성장법


액상의 실리콘과 접촉하는 실리카 도가니가 필요없는 장점을 가지며 대량의 액상 실리콘을 자신의 큰 표면 장력에 의하여 도가니 모양의 RF 코일에 넣고 전기장을 형성하여 실리콘 경정을 성장 시키는 냉각 도가니법(Cold Crucible Method)과 도가니 안에 씨드를 넣은 후 용융시키고, 이것을 바닥으로부터 위로 천천히 냉각시켜 도가니 내에서 결정을 성장시키는 경사 냉각법(Gradient Freeze Method)등이 있으며 Ⅱ-Ⅳ족 단결정을 생산하기 위한 수평-수직 브리드만(Bridgman)법이나 Ⅲ-Ⅴ족 단결정을 생산하기 위한 액상 포획(Liquid-encapsulated Cz법이 있다.






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