KR100746374B1 - 결정 성장 조건의 예측방법 및 이를 이용한 단결정 잉곳성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초크랄스키법에 의한 결정 성장 공정에서 결정 성장 조건을 예측하는 방법 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 쵸크랄스키 법에 따른 결정 성장 공정에서 결정 성장 조건을 예측하는 방법은, 소정 결정 성장 조건의 변화에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션에서 얻어진 종자결정 유동의 운동량과 상기 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와, 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값에 대한 소정 결정 성장 조건의 관계를 그래프로 표시하는 단계와, 결정 성장 공정 중 소정의 지점의 MsMc 값에 의해서 현 결정 성장 조건을 예측하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 특정 산소 품질 조건을 만족시키는 결정을 성장하기 위한 최적의 공정 조건을 도출할 수 있다.

MsMc, 산소농도, 운동량, 입체적, 시뮬레이션

Description

결정 성장 조건의 예측방법 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법{CRYSTAL GROWING CONDITION PREDICTION METHOD AND SINGLE CRYSTAL INGOT GROWING METHOD USING THE SAME}

도 1은 결정 성장 공정 중 산소의 발생 및 이동을 나타내는 개략도

도 2a 및 도 2b는 각각 융액 유동 스트림 함수에 따라 종결정/융액 유동 및 축방향 유동을 나타내는 개략도,

도 3은 종결정/융액 유동을 입체적으로 나타내는 개략도,

도 4a 및 도 4b는 결정성장 조건에 따른 산소농도 실험값과 산소농도 예측인자(MsMc)의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은 초크랄스키법에 의한 결정 성장 공정에서 결정 성장 조건을 예측하는 방법 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 산소 농도를 예측하는 방법 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 관한 것이다.

쵸크랄스키법은 인상법이라고도 하는데, 도가니에 원료를 장입하고 용융시킨 다음, 이 용융액에 종자결정을 침지하여 회전시키면서 서서히 인상시키면 종자결정으로부터 결정이 성장되어 대형의 단결정을 성장시키는 방법이다.

이 쵸크랄스키법에 의해 성장된 결정은 그 사용 용도에 따라 요구되어지는 품질 항목과 그 값들이 다양하게 존재한다. 따라서 원하는 결정을 얻기 위해서는 여러 가지 공정 조건을 변화시켜가면서 결정을 성장시켜야 한다.

특히, 단결정 중에 존재하는 산소는 단결정을 웨이퍼로 가공한 후 열처리 하면 산소석출물로 석출되어 소자형성공정 중에 게터링 작용을 하여 소자형성영역을 청정하게 유지하는 역할을 한다. 그러나 웨이퍼 중에 존재하는 격자간 산소가 증가함으로써 산소석출물이 과잉될 경우 특히 소자형성영역인 웨이퍼 표면층에 과다하게 존재할 경우에는 소자특성저하를 초래하게 된다.

따라서 반도체 디바이스의 고밀도화 고집적화에 대응하기 위해서 결정 중의 격자간 산소농도를 적절한 값으로 제어하는 것은 집적회로의 제품 품질을 유지하는데 중요한 역할을 한다.

따라서 본 발명의 목적은 쵸크랄스키법에 의한 결정성장공정에서 공정 조건이 달라짐에 따라 변화하는 결정성장 조건의 예측방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 쵸크랄스키법에 의한 결정성장공정에서 공정 조건이 달라짐에 따라 변화하는 산소 농도값의 예측방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 결정성자 조건을 예측함으로써 소정 품질을 위한 최적의 조건을 제시할 수 있는 산소 농도값 예측인자 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성 장방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 등을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른쵸크랄스키 법에 따른 결정 성장 공정에서 결정 성장 조건을 예측하는 방법은 결정 성장 조건의 변화에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션에서 얻어진 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와, 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값에 대한 상기 결정 성장 조건의 관계를 그래프로 표시하는 단계와, 상기 결정 성장 공정 중 MsMc 값에 의해서 현 결정 성장 조건을 예측하는 단계를 포함한다.

상기 종자결정 유동의 운동량과 상기 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량은 각각은 식 Ms=m·v_s=(ρ·V_s)·v_s과 Mc=m·v_c=(ρ·V_c)·v_c 로 주어지며, 여기서 Ms는 종결정 유동의 운동량이며, Mc는 도가니 유동의 운동량이며, v_s는 종결정 유동 중심에서 축 방향 속도로 양의 값을 가지고, v_c 는 도가니 유동 중심에서 축 방향 속도로 음의 값을 가지며, ρ는 일정한 값을 가지기 때문에 상수 값을 가지고, V_s와 V_c는 각각 종결정 유동과 도가니 융액 유동의 체적을 나타낸다.

상기 결정 성장 조건은 자기장의 세기, 가스의 유량, 도펀트의 농도를 포함할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 쵸크랄스키 법에 따른 결정 성장 공정에서 산소 농도를 예측하는 방법은 결정 성장 조건 변화에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션에서 얻어진 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와, 결정 성장 조건에 따른 결정내 산소 농도의 값을 측정하는 단계와, 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값과 상기 결정 성장 조건에 따른 산소 농도의 값의 관계를 그래프로 표시하는 단계와, 상기 MsMc값과 산소농도 값의 관계를 표시한 그래프를 기준으로 상기 결정 성장 조건에서 MsMc 값이 주어질 경우 산소의 농도를 예측하는 단계를 포함한다.

상기 결정 성장 조건은 상기 도가니의 회전속도, 자기장의 세기, 가스의 유량, 도펀트의 농도를 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법은 제 1 성장조건에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션을 수행하는 단계와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션 단계에서 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와, 상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 값이면 상기 제 1 성장 조건을 선택하고, 상기 MsMc 값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 범위를 벗어나면 상기 제 1 성장 조건의 공정 변수를 변화시키는 단계를 포함한다.

상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값은 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값과 상기 결정 성장 조건에 대한 산소 농도의 값의 관계를 나타내는 미리 작성한 그래프를 기준으로 판단하는 단계를 포함할 수도 있다.

상기 결정 성장 조건은 종자결정의 회전속도, 상기 도가니의 회전속도, 상기 실리콘 융액의 양, 상기 도가니의 크기, 잉곳의 직경, 자기장의 세기, 불활성 가스의 양, 도펀트의 양을 포함할 수도 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

먼저, 쵸크랄스키 결정성장법에서 나타나는 산소의 생성과 이동 경로를 살펴보면 도 1에 도시한 바와 같다.

도 1은 결정 성장 공정 중 산소의 발생 및 이동을 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 쵸크랄스키법은 석영도가니를 사용하고 있기 때문에 실리콘 융액이 도가니벽의 석영과 반응하여 실리콘 융액 중에 산소원자가 용출하여 이 산소가 융액을 통하여 성장 중의 단결정에 수용된다. 따라서 쵸크랄스키 법에서 잉곳이 길이방향을 따라 성장함에 따라 석용 도가니 내에 수용된 실리콘 융액의 양이 감소하고 석용 도가니벽과 실리콘 융액의 접촉 면적이 차츰 감소되어 도가니벽으로부터 융액 중에 용출되는 산소도 감소하게 된다.

SiO₂(s)→Si(l) + 2O (식 1)

Si + O→SiO (식 2)

이를 구체적으로 설명하면, 식1의 반응에 의해 융액과 도가니 표면 근처에서 발생된 산소는 융액 내의 농도 차에 의한 확산현상과, 부력에 의한 자연 대류와 도 가니 회전에 의한 강제 대류 등 도가니 융액 유동의 대류현상에 의해 융액 내를 이동하게 된다. 융액 내에서의 이동과정 중에서 융액 표면 부근에 이르게 되면 대부분의 산소가 식2의 반응에 의해 융액 밖으로 증발되어 빠져나가게 되고 소량의 산소만이 종결정의 회전에 의해 발생된 강제 대류인 종결정 융액 유동내로 유입된다. 이와 같이 종결정 융액 유동내로 유입된 산소는 확산과 대류의 영향으로 인해 이동하게 되고 그 일부가 결정 내로 유입하게 된다. 상기 과정을 거쳐 결정에 유입된 산소는 결정의 품질을 결정하는 중요한 인자가 된다.

도 2a는 융액 내에 존재하는 부력에 의한 자연 대류와 도가니 회전에 의한 강제 대류에 의한 도가니 융액 유동과 종결정 회전에 의해 발생된 강제 대류인 종결정 융액 유동의 분포를 스트림 함수(Stream function)를 이용하여 나타내었고, 도 2b는 축 방향의 융액 유동의 속도 분포를 스트림 함수를 이용하여 나타내었다.

도 3은 2차원적인 영역을 이용하여 융액 유동을 해석하기에는 체적이 주는 물리적인 의미가 크기 때문에 2차원 영역의 해석한계를 극복하고 체적의 영향을 고려하기 위하여 융액 유동을 3차원 체적으로 나타내었다.

이 때, M=m·v=(ρ·V)·v (식 3)

식 3은 융액 유동의 운동량을 구하는 식이다. m은 융액의 질량, v는 융액 유동의 축 방향 속도,ρ는 융액의 밀도, V는 융액 유동의 부피이다.

Ms=m·v_s=(ρ·V_s)·v_s (식 4)

Mc=m·v_c=(ρ·V_c)·v_c (식 5)

상기 식 4 및 식 5를 이용하여 종결정 유동의 운동량 Ms와 도가니 유동의 운동량 Mc 를 계산할 수 있다. 여기서 v_s는 종결정 유동 중심의 축 방향 속도로 양의 값을 가지고, v_c 는 도가니 유동 중심의 축 방향 속도로 음의 값을 가지며, ρ는 일정한 값을 가지기 때문에 상수 값을 가지고, V_s와 V_c는 각각 종결정 유동과 도가니 융액 유동의 체적을 나타낸다.

MsMc 값은 종결정 유동의 운동량 Ms와 도가니 융액 유동의 운동량 Mc의 비를 나타내며 융액 유동의 거동을 대략적으로 예측할 수 있게 해 준다.

도 4a 및 도 4b는 각각 결정 성장 조건 변화에 따른 산소농도 실험값과 MsMc 계산값을 비교하여 나타낸 것이다.

도 4a는 8인치 결정성장 조건의 실험결과와 시뮬레이션 결과를, 도 4b는 12인치 결정성장 조건의 실험결과와 시뮬레이션결과를 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 자기장 세기가 초기 산소량에 미치는 영향을 알아보기 위하여 A, B 챔버로 나누어 각각 8인치 및 12인치의 결정을 성장한 경우, A 챔버에 B 챔버에 비하여 강한 자기장을 인가한 경우에 자기장의 조건이 변화함에 따라 산소농도 실험값과 MsMc 계산값이 같은 양상으로 변화함을 알 수 있었다. 즉, 자기장의 세기와 산소농도가 서로 강한 상관관계를 가지고 있음을 MsMc 계산값으로 알 수 있다. 이는 MsMc이 클수록 융액 내에 종결정 유동의 영향이 커지므로 종결정 유동의 영향이 커지므로 도가니 유동이 융액 표면과 접하는 면적이 줄어들게 되어 융액 밖으로 증발되어 나가는 산소량이 줄게 된다. 또한 산소가 생 성되는 도가니 표면과 종결정 유동이 접하는 면적이 증대되어 보다 많은 양의 산소를 결정 쪽으로 직접 이동시켜 결정으로 유입되는 산소량이 늘어나게 되기 때문이다.

본 실시예에 있어서 결정성장조건으로 자기장의 세기를 사용하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 가스의 유량, 특정 도펀트의 농도, 잉곳의 크기, 융액의 변화량 등일 수도 있다.

본 발명은 시뮬레이션에 의한 MsMc값을 이용하여 결정 성장 조건 변화에 따른 산소농도값을 예측할 수 있으며, 나아가 특정 산소 품질 조건을 만족시키는 결정을 성장하기 위한 최적의 공정 조건을 도출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 결정 성장공정 조건 변화에 따른 산소농도 실험값과 MsMc 계산값을 미리 구하고, 결정성장 공정조건이 바뀌었을 경우 시뮬레이션을 통하여 해석한 후 MsMc값을 도출내어 공정조건으로 인해 결정이 가지게 되는 산소농도 값을 예측하고, 예측 산소 농도값에 의해서 적정한 공정조건을 예측할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, CY크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장하는 공정에 있어서, 제 1 성장조건에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션을 수행하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션 단계에서 종자결정 유동의 운동량과 상기 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하고, 상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 값이면 상기 제 1 성장 조건을 적정 조건으로 선택하고, 상기 MsMc 값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 범위를 벗어나면 상기 제 1 성장 조건의 공정 변수를 변화시켜 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 수 있다.

이 때 상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값은 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값과 소정 결정 성장 조건에 대한 산소 농도의 값의 관계를 나타내는 미리 작성한 그래프를 기준으로 판단할 수 있다.

따라서 상기 소정 결정 성장 조건에 해당하는 종자결정의 회전속도, 도가니의 회전속도, 실리콘 융액의 양, 도가니의 크기, 잉곳의 직경, 자기장의 세기, 불활성 가스의 양, 도펀트의 양을 예측할 수 있다.

본 발명의 구성에 따르면, 시뮬레이션에 의한 MsMc값을 이용하여 결정 성장 조건 변화에 따른 산소농도값을 예측할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성에 따르면, 특정 산소 품질 조건을 만족시키는 결정을 성장하기 위한 최적의 공정 조건을 도출할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성에 따르면, 그 사용 용도에 따라 요구되어지는 품질 항목과 그 값들이 다양하게 존재하는 단결정을 생산할 수 있다.

Claims (8)

1. 쵸크랄스키 법에 따른 결정 성장 공정에서 결정 성장 조건을 예측하는 방법에 있어서,

   결정 성장 조건의 변화에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션에서 얻어진 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와,

   시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값에 대한 상기 결정 성장 조건의 관계를 그래프로 표시하는 단계와,

   결정 성장 공정 중 상기 MsMc값에 의해서 현 결정 성장 조건을 예측하는 단계를 포함하는 결정 성장 조건의 예측 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 종자결정 유동의 운동량과 상기 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량은 각각 식 Ms=m·v_s=(ρ·V_s)·v_s 과 Mc=m·v_c=(ρ·V_c)·v_c로 주어지며, Ms는 종결정 유동의 운동량이며, Mc는 도가니 유동의 운동량이며, v_s는 종결정 유동 중심에서 축 방향 속도로 양의 값을 가지고, v_c 는 도가니 유동 중심에서 축 방향 속도로 음의 값을 가지며, ρ는 일정한 값을 가지기 때문에 상수 값을 가지고, V_s와 V_c는 각각 종결정 유동과 도가니 융액 유동의 체적을 나타내는 것을 특징으로 하는 결정 성장 조건의 예측 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 결정 성장 조건은 자기장의 세기, 가스의 유량, 도펀트의 농도를 포함하는 결정 성장 조건의 예측방법.
4. 쵸크랄스키 법에 따른 결정 성장 공정에서 산소 농도를 예측하는 방법에 있어서,

   결정 성장 조건 변화에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션에서 얻어진 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와,

   결정 성장 조건에 따른 결정내 산소 농도의 값을 측정하는 단계와,

   시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값과 상기 결정 성장 조건에 따른 산소 농도의 값의 관계를 그래프로 표시하는 단계와,

   상기 MsMc값과 산소농도 값의 관계를 표시한 그래프를 기준으로 상기 결정 성장 조건에서 MsMc 값이 주어질 경우 산소의 농도를 예측하는 단계를 포함하는 산소 농도의 예측 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 결정 성장 조건은 상기 도가니의 회전속도, 자기장의 세기, 가스의 유량, 도펀트의 농도를 포함하는 산소 농도의 예측방법.
6. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는 방법에 있어서,

   제 1 성장조건에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션을 수행하는 단계와,

   상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장 시뮬레이션 단계에서 종자결정 유동의 운동량과 도가니의 실리콘 융액 유동의 운동량의 비로 정의되는 MsMc값을 구하는 단계와,

   상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 값이면 상기 제 1 성장 조건을 선택하고, 상기 MsMc 값에 대응하는 산소 농도의 값이 13ppma 내지 14ppma 범위를 벗어나면 상기 제 1 성장 조건의 공정 변수를 변화시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 MsMc값에 대응하는 산소 농도의 값은 시뮬레이션 결과 구해진 MsMc값과 상기 결정 성장 조건에 따른 산소 농도의 값의 관계를 나타내는 미리 작성된 그래프를 기준으로 판단하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 결정 성장 조건은 종자결정의 회전속도, 상기 도가니의 회전속도, 상기 실리콘 융액의 양, 상기 도가니의 크기, 잉곳의 직경, 자기장의 세기, 불활성 가스의 양, 도펀트의 양을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.

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