KR100830047B1 - 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳 - Google Patents

대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳 Download PDF

Info

Publication number
KR100830047B1
KR100830047B1 KR1020070004872A KR20070004872A KR100830047B1 KR 100830047 B1 KR100830047 B1 KR 100830047B1 KR 1020070004872 A KR1020070004872 A KR 1020070004872A KR 20070004872 A KR20070004872 A KR 20070004872A KR 100830047 B1 KR100830047 B1 KR 100830047B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetic field
single crystal
crucible
coil
semiconductor
Prior art date
Application number
KR1020070004872A
Other languages
English (en)
Inventor
홍영호
이홍우
Original Assignee
주식회사 실트론
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 실트론 filed Critical 주식회사 실트론
Application granted granted Critical
Publication of KR100830047B1 publication Critical patent/KR100830047B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳을 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 방법은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 성장시 비대칭 자기장을 이용하여 반도체 융액을 기준으로 ZGP(Zero Gauss Plane)의 상대적 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어한다. 대안으로, 본 발명은 수평 타입의 자기장을 이용하여 반도체 융액을 기준으로 GMP(Gauss Maximum Plane)의 상대적 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어한다.
본 발명에 따르면, 핫 존의 교체나 공정 파라미터의 변경과 같은 조치가 전혀 불필요하여 단결정 제품의 다양화가 가능하고, 하나의 단결정으로부터 여러 가지 산소 농도 조건을 갖는 웨이퍼를 생산할 수 있고, 산소농도 제어가 가능한 공정 조건에서도 보이드나 전위루프 기인의 결정 결함이 없는 고품질의 단결정 제조가 가능하므로 프라임 수율의 극대화가 가능하다.
단결정 성장, ZGP, GMP, 산소농도 제어, Oi/ORG

Description

대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳{Method of manufacturing semiconductor single crystal capable of controlling oxygen concentration based on convection distribution control, Apparatus using the same and Semiconductor single crystal ingot}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 구성도이다.
도 3a는 수평 타입의 자기장을 인가하는 자기장 인가수단에 포함된 코일의 배치도이다.
도 3b는 수평 타입의 자기장을 인가하는 자기장 인가수단에 포함된 코일의 다른 배치도이다.
도 4는 쵸크랄스키법에 의해 8 인치 실리콘 단결정의 제조 시 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 인가하였을 경우 실리콘 융액의 대류 분포를 시뮬레이션하 여 나타낸 도면이다.
도 5는 쵸크랄스키법에 의해 12 인치 실리콘 단결정의 제조 시 수평 타입의 자기장을 인가하였을 경우 실리콘 융액의 대류 분포를 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 커스프 타입의 비대칭 자기장을 인가하여 8인치의 실리콘 단결정을 성장시킬 때 비대칭 자기장의 R 값이 2.3(실시예1) 및 1.36(실시예2)인 경우 ZGP의 위치와 함께 실리콘 융액의 대류 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예1 및 실시예2에 따라 각각 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따라 산소농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 수평 타입의 자기장을 인가하여 12인치의 실리콘 단결정을 성장시킬 때 실리콘 융액의 표면으로부터 GMP가 210mm(실시예3), 135mm(실시예4) 및 35mm(실시예5) 하방에 위치하고 있는 경우를 각각 나타낸 도면이다.
도 9는 실시예3 내지 5에 따라 각각 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따라 산소농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 참조번호>
10: 석영 도가니 20: 도가니 지지대
30: 도가니 회전수단 40: 가열수단
50: 단열수단 M1, M2: 코일
Gupper: 상부 자기장 Glower: 하부 자기장
100: 보조 자석 C: 실리콘 단결정
SM: 실리콘 융액 ZGP: Zero Gauss Plane
GMP: Gauss Maximum Plane A, B: 대류 셀
E: 대류 셀 경계면 X: 단결정 회전축
본 발명은 쵸크랄스키(Czochralski)법에 의해 단결정을 제조하는 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 무어의 법칙에 따른 디자인 룰의 축소에 따라 반경방향으로 균일한 Oi/ ORG와 같은 품질 요구 수준을 만족할 수 있도록 산소 농도 제어가 가능한 고품질의 단결정 제조 방법에 관한 것이다.
현재 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 제조 시에는 히터에 의해 용융된 실리콘 융액을 담기 위해 석영 도가니가 필수적으로 사용되어 왔다. 그런데 석영 도가니는 실리콘 융액과의 반응을 동반하여 융액 내에 용해됨으로써 SiOx 형태로 전이되고 결국에는 고액 계면을 통해 단결정 내로 혼입된다. 단결정 내로 혼입된 SiOx는 웨이퍼의 강도 증진, 미소 내부 결함(BMD)을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대한 게터링(gettering) 사이트로 작용하는가 하면, 다른 한편으로는 각종 결정 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 소자의 수율에 악 영향을 미치는 요인이 된다. 따라서 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 시에는 고액 계면을 통해 결정 내로 유입되는 산소 농도를 적절하게 제어할 필요가 있다.
종래에는 단결정 내의 산소 농도를 제어하기 위해 결정 성장 장치 내의 핫 존(H/Z)의 디자인을 변경하는 방법이 주로 이용되어 왔다. 예컨대, 히터의 길이, 파워 또는 히터와 석영 도가니의 상대적 위치를 조절하거나 단결정의 외주면 둘레에 설치되는 열실드의 구조를 변경하여 실리콘 융액으로 공급되는 복사열의 분포를 조절함으로써 석영 도가니의 용해 속도를 제어하는 방법이 사용되었다. 또 다른 예로, 단결정 회전 속도와 석영 도가니 회전속도의 비율을 조절하여 대류에 의한 SiOx의 이동경로를 제어하거나 단결정 외주면을 따라 실리콘 융액의 상부로 공급되는 아르곤 가스의 유량을 제어하여 실리콘 융액의 표면에서 증발된 SiOx 가스를 효과적으로 배출시키는 등 단결정 성장 공정의 파라미터를 제어하여 단결정 내의 산소 농도를 제어하는 방법이 사용되었다.
그런데 핫 존의 디자인 변경에 의해 단결정의 산소 농도를 제어하는 방법은 고객이 요구하는 웨이퍼의 다양한 산소농도 품질 수준에 따라 각각 개별적으로 핫 존을 디자인해야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라, 핫 존 교체에 따라 많은 시간이 소요되고 핫 존의 교체로 인한 단결정 성장 장치의 시험 운전 비용이 상승한다는 문제가 있고, 그럼에도 불구하고 제품화가 가능한 단결정의 프라임 길이가 짧아 단결정 잉곳 당 생산할 수 있는 웨이퍼의 수가 많지 않다는 단점이 있다. 아울러 공정 파라미터를 제어하여 단결정의 산소농도를 제어하는 방법은 단결정의 산소농도 제어에는 어느 정도 효과가 있으나, 보이드(void) 또는 전위루프(dislocation) 기인의 그론 인(grown-in) 결정 결함이 없는 고품질의 단결정을 제조하기 위한 결 정 성장 환경에는 악영향을 미치는 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 성장 시 주요 품질 항목의 하나인 산소 농도의 제어에 있어서 단결정 제조 장치 내부의 히터 및 보온 구조물을 포함한 여러 부품들로 이루어진 핫 존의 구조를 변경하거나 공정 파라미터를 변경하지 않고 석영 도가니에 담긴 융액의 대류 형태를 제어함으로써 원하는 수준의 산소 농도 제어가 가능한 반도체 단결정 제조 방법 및 그 장치와 상기 방법에 의해 제조된 반도체 단결정 잉곳을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 단결정 제조 방법은, 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 도가니에 인가하되, ZGP와 융액의 상대적 위치를 조절하여 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 단결정 제조 장치는, 반도체 융액이 담기는 석영 도가니; 상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지 지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 가열수단; 상기 가열수단, 도가니 지지대 및 석영 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 가열수단의 외주면이 마주 대하도록 상기 가열수단 둘레에 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 수단; 상기 석영 도가니의 둘레에 설치되어 자기장의 수직성분이 0인 ZGP를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단; 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 종자결정을 접촉시킨 후 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및 상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 도가니 회전수단;을 포함하고, 상기 석영 도가니와 상기 자기장 인가수단의 상대적 위치, 비대칭 자기장의 비대칭 정도 또는 이들의 조합을 제어하여 반도체 융액을 기준으로 ZGP의 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 융액을 기준으로 상기 ZGP의 위치를 상승시키면 단결정 내로 유입되는 산소 농도가 감소하고, 반도체 융액을 기준으로 상기 ZGP의 위치를 하강시키면 단결정 내로 유입되는 산소 농도가 증가한다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단은 단열수단의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 설치된 상부 코일과 하부 코일을 포함한다. 이러한 경우, 상기 상부 코일과 하부 코일의 권선 수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절 하여 비대칭 자기장을 형성한다.
선택적으로, 상기 상부 코일과 하부 코일 사이에 적어도 하나 이상의 중간 코일이 더 개재될 수 있다. 이러한 경우, 상기 상부 코일, 상기 하부 코일 및 중간 코일이 집합된 코일 어셈블리에서 2개 이상의 코일을 조합한 후 각 코일의 권선수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 비대칭 자기장을 형성한다.
선택적으로, 상기 석영 도가니의 하부 또는 상부에 설치된 보조 자석을 더 포함할 수 있다. 보조 자석은 비대칭 자기장을 강화, 약화 또는 유발시킨다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 단결정 제조 방법은, 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 자기장 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 도가니에 인가하되, GMP와 융액의 상대적 위치를 조절하여 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 단결정 제조 장치는, 반도체 융액이 담기는 석영 도가니; 상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 가열수단; 상기 가열수단, 도가니 지지대 및 석영 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 가열수단의 외주면이 마주 대하도록 상기 가열수단 둘레에 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 수단; 상기 석영 도가니 둘레에 설치되어 자기장의 세기가 최대인 GMP 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단; 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 종자결정을 접촉시킨 후 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및 상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 도가니 회전수단;을 포함하고, 상기 석영 도가니와 상기 자기장 인가수단의 상대적 위치, 수평 타입 자기장의 세기, 방향 또는 분포, 또는 이들의 조합을 제어하여 반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 상승시키면 단결정 내로 유입되는 산소 농도가 증가하고, 반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 하강시키면 단결정 내로 유입되는 산소 농도가 감소한다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단은, 2n개(1보다 크거나 같은 정수)의 코일을 포함하여 n개의 코일 쌍에 의해 수평 타입의 자기장을 형성하고, 상기 n개의 각 코일 쌍은 석영 도가니를 사이에 두고 코일 면이 상호 대향하도록 배치된다.
바람직하게, 상기 2n개의 코일은 석영 도가니를 사이에 두고 정다각형의 형태로 배치된다.
대안적으로, 상기 자기장 인가수단은 석영 도가니의 둘레를 감싸는 말안장 타입의 코일로 이루어질 수도 있다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 방법에 의해 제조된 단결정 잉곳에 의해서도 달성된다. 본 발명에 따라 제조된 반도체 단결정 잉곳은 단결정 잉곳의 길이 방향을 따라 통제된 산소 농도 프로파일을 가지면서도 보이드 기인 또는 전위루프 기인의 결정 결함이 없는 고품질의 단결정 잉곳이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장을 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 실리콘 단결정 성장에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서 본 발명에 따른 기술적 사상은 Si, Ge 등의 모든 단원소의 단결정 성장과, GaAs, InP, LN(LiNbO3), LT(LiTaO3), YAG(yttrium aluminum garnet), LBO(LiB3O5) 및 CLBO(CsLiB6O10)를 포함하는 모든 화합물 반도체 단결정의 성장에 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조 방법의 실시를 위해 사용되는 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치는, 다결정 실리콘과 도판트가 고온으로 용융된 실리콘 융액(SM)이 수용되는 석영 도가니(10); 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 고온 환경에서 석영 도가니(10)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 지지대(20); 상기 도가니 지지대(20) 하단에 설치되어 지지대(20)와 함께 석영 도가니(10)를 회전시키면서 고액 계면의 높이를 일정하게 유지하기 위해 석영 도가니(10)를 서서히 상승시키는 도가니 회전수단(30); 상기 도가니 지지대(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 석영 도가니(10)를 가열하는 가열수단(40); 상기 가열수단(40)의 외곽에 설치되어 가열수단(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 일정한 방향으로 회전하는 종자결정을 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 단결정(C)을 인상하는 단결정 인상수단(60); 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정(C)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정(C)으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70); 및 단결정(C)의 외주면을 따라 실리콘 융액(SM)의 상부 표면으로 불활성 가스(예컨대, Ar 가스)를 공급하는 불활성 가스 공급수단(미도시)을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로, 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 구성요소에 더하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치는, 석영 도가니(10)에 자기장을 인가하는 자기장 인가수단(M1, M2: 이하, M으로 통칭함)을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 자기장 인가수단(M)은 석영 도가니(10) 내에 수용된 고온의 실리콘 융액(SM)에 비대칭 자기장(Gupper, Glower: 이하, G라고 통칭함)을 인가한다.
바람직하게, 상기 비대칭 자기장(G)은 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기장(Gupper) 세기보다 하부의 자기장(Glower) 세기가 더 큰 자기장이다. 즉 R = Glower/Gupper 가 1보다 큰 자기장이다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서, 상기 ZGP(90)는 대략 상부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다. 그리고 ZGP를 중심으로 상부와 하부에 형성되는 자기장의 분포는 비대칭을 이룬다.
대안적으로, 상기 비대칭 자기장(G)은 하부의 자기장(Glower) 세기보다 상부의 자기장(Gupper) 세기가 더 큰 자기장일 수도 있다. 즉 비대칭 자기장(G)은 R = Glower/Gupper가 1보다 작은 자기장일 수 있다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서는, 도면으로 도시하지 않았지만, 상기 ZGP(90)는 대략 하부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단(M)은 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장(G)을 석영 도가니(10)에 인가한다. 이러한 경우, 상기 자기장 인가수단(M)은 단열수단(50)의 외주면과 소정 거리 이격되어 설치된 환형의 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)을 포함한다. 바람직하게, 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)은 실질적으로 석영 도가니(10)와 동축적으로 설치된다. 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)은 일반적인 전자석 코일일 수도 있고 초전도 코일일 수도 있다. 하지만 본 발명이 코일의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 비대칭 자기장(G)을 형성하기 위해, 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)의 권선수, 각 코일에 인가되는 전류의 크기, 각 코일의 직경 또는 이들의 선택적 조합을 적절하게 조절할 수 있다. 일예로 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)의 권선수와 직경은 동일하게 하고, 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)에 서로 다른 크기의 전류를 인가한다. 즉, 상부 코일(M1)보다 하부 코일(M2)에 더 큰 전류를 인가하거나 그 반대로 전류를 인가한다. 대안적으로, 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)에 인가되는 전류의 크기와 코일의 직경은 같게 하고, 각 코일의 권선수를 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 또 다른 대안으로, 코일의 직경은 동일하게 유지한 상태에서 코일에 인가되는 전류와 코일의 권선수를 동시에 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다. 또 다른 대안으로, 코일에 인가되는 전류와 권선수를 동일하게 하고 상부 코일(M1)과 하부 코일(M2)의 직경을 달리하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다. 또 다른 대안으로, 도가니 회전수단(30) 상부의 회전 마운트 (35) 둘레에 보조 자석(100)을 설치하여 비대칭 자기장을 형성할 수도 있다. 이러한 경우 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)을 통해 생성되는 자기장의 크기가 동일하여도 보조 자석(100)에 의해 생성되는 자기장에 의해 비대칭 자기장(G)이 형성된다. 물론 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)만으로도 비대칭 자기장(G)의 형성이 가능한 경우는 보조 자석(100)의 사용에 의해 비대칭 자기장(G)이 강화 또는 약화될 수 있다. 보조 자석(100)은 영구 자석이어도 무방하고 전자석이어도 무방하다. 보조 자석(100)이 장착되는 위치는 굳이 회전 마운트(35) 둘레에 한정되지 않는다. 따라서 석영 도가니(10)의 둘레, 도가니 지지대(20)의 둘레 등 여러 위치에 설치될 수 있다. 상술한 여러 가지 방식으로 비대칭 자기장(G)을 형성함에 있어서, 자기장 인가수단(M)의 위치를 조절하여 비대칭 자기장(G)의 분포를 상부 또는 하부로 이동시킬 수 있다. 비대칭 자기장(G)의 분포가 이동되면 ZGP(90)도 이동한다. 물론 단결정(C)이 성장되는 과정에서 고액 계면의 높이를 일정하게 유지하기 위해 석영 도가니(10)가 상부로 서서히 상승하므로 석영 도가니(10)의 이동에 의해서도 실리콘 융액(SM)에 인가되는 비대칭 자기장(G) 분포의 상대적 위치가 변경될 수도 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 상부 코일(M1)과 하부 코일(M2) 사이에 적어도 하나 이상의 중간 코일을 더 설치하여 코일 어셈블리를 구성할 수 있다. 이러한 경우, 실리콘 단결정(C)이 성장되는 과정에서 코일 어셈블리로부터 2개의 코일을 선택하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 예를 들어 세 개의 코일이 설치되었다면, 단결정(C) 성장 초반부에는 하부의 코일 2개를 선택하여 비대칭 자기장(G)을 형성하고, 단결정(C) 성장 후반부에는 상부의 코일 2개를 선택하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 이 때 선택된 2개의 코일은 코일의 직경, 코일에 인가되는 전류의 크기, 코일의 권선수 또는 이들의 선택적 조합을 적절하게 조절함으로써 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 비대칭 자기장(G)의 형성을 위해 보조 자석(100)이 활용될 수 있음은 자명하다. 이러한 내용에 대해서는 이미 상술하였다. 코일 어셈블리를 구성하면, 단결정(C)의 성장에 따라 도가니 지지대(20)가 상부로 상승하더라도 실리콘 융액(SM) 내에 비대칭 자기장(G)의 분포를 동일하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 제1실시예에 따른 단결정 제조 장치를 이용하여 고액 계면을 통해 실리콘 단결정(C)을 성장하는 과정에서 비대칭 자기장(G)의 ZGP 위치를 조절하여 실리콘 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어한다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치를 이용하여 8인치 실리콘 단결정을 성장시킬 때 커스프 타입의 비대칭 자기장을 석영 도가니에 인가할 경우 실리콘 융액 내에 형성되는 융액 대류 분포를 상용 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도면을 참조하면, 실리콘 융액(SM) 내에 형성되는 융액의 대류 분포는 점선에 의해 표시된 가상의 경계면(E)을 기준으로 단결정(C)의 회전에 의해 나타나는 대류 셀(A)과 석영 도가니(D)의 회전에 의해 나타나는 대류 셀(B)로 크게 구분된다.
그런데 비대칭 자기장의 R 값을 변화시켜 ZGP의 위치를 변경시키면 대류 셀(A, B)의 경계면이 방향성을 가지고 이동하게 되며, 경계면이 어디로 이동하느냐 에 따라서 단결정(C) 내로 혼입되는 산소의 농도가 달라진다.
예를 들어 하부 자기장의 세기가 상부 자기장의 세기보다 큰 조건에서 비대칭 자기장(G)의 R 값이 증가하면(이러한 경우, ZGP는 상승한다), 석영 도가니(D)의 회전에 의해 생성되는 대류 셀(B)이 단결정(C)의 회전에 의해 생성되는 대류 셀(A)보다 상대적으로 커지므로 대류 셀(A, B)의 경계면(E)이 단결정(C)의 회전축(X) 방향으로 이동된다. 또한, 하부 자기장의 세기가 커짐으로 인해 대류 셀(B)의 속도가 저하되고 이렇게 되면, SiOx의 함량이 많은 융액이 고액 계면 측으로 상승되는 펌핑(pumping) 효과가 억제되어 단결정(C) 내로 혼입되는 산소 농도를 감소시킬 수 있다. 반면 하부 자기장의 세기가 상부 자기장의 세기보다 큰 조건에서 비대칭 자기장의 R 값을 감소시키면 대류 셀(A, B)의 경계면이 석영 도가니(D)의 측벽 쪽으로 밀려나게 된다. 이렇게 되면, 대류 셀(B)의 속도는 상대적으로 커지게 되고 SiOx의 함량이 많은 융액이 고액 계면 측으로 상승되는 펌핑(pumping) 효과의 억제 효과가 감소되어 단결정(C) 내로 혼입되는 산소 농도가 증가하게 된다. 한편 대류 셀(A, B)의 경계면(E)이 이동하는 효과는 석영 도가니(D)를 기준으로 자기장 인가수단의 위치를 상/하부로 이동시키는 경우도 동일하게 발생한다. 예를 들어 자기장 인가수단의 위치를 상부로 이동시키면 대류 셀(A, B)의 경계면(E)이 단결정(C)의 회전축 방향으로 이동하고 자기장 인가수단의 위치를 하부로 이동시키면 대류 셀(A, B)의 경계면이 석영 도가니(D)의 측벽 측으로 이동한다.
한편 대류 셀(A, B)의 경계면이 이동하는 원인은 비대칭 자기장의 ZGP가 이동하는 것과 밀접한 관련이 있으므로 커스프 자기장을 이용하여 비대칭 자기장을 석영 도가니에 인가함에 있어서 경계면을 이동시키는 방법은 상술한 바에 한정되지 않고, ZGP의 이동을 유발하는 방법이라면 어떠한 것이라도 채용 가능함은 물론이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조 방법의 실시를 위해 사용되는 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치는 자기장 인가수단(M)을 제외하고는 도 1에 도시된 반도체 단결정 제조 장치와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서 여기서는 자기장 인가 수단(M1, M2: 이하, M이라 통칭한다)에 대해서만 상세하게 설명하기로 한다.
상기 자기장 인가 수단(M)은 실리콘 융액(SM)이 담긴 석영 도가니(10)에 수평 타입의 자기장(horizontal magnetic field: G)을 인가한다. 수평 타입의 자기장(G)은 자기장의 세기가 가장 큰 GMP(Gauss Maximum Plane: 110) 근방의 자기장 방향이 거의 수평이고 상기 GMP를 기준으로 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower)이 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 자기장을 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 자기장 인가수단(M)은 수평 타입의 자기장(G)을 석영 도가니(10)에 인가하기 위해 적어도 2개의 코일이 석영 도가니(10)를 사이에 두고 상호 대향하도록 배치된다. 설명의 편의상, 도면에서 좌측의 코일은 좌측 코일(M1), 우측의 코일은 우측 코일(M2)이라 명명한다. 이 때 좌측 코일(M1)과 우측 코일(M2)은 석영 도가니(10)의 측벽과 평행하게 배치된다. 좌측 코일(M1) 과 우측 코일(M2)에 의해 발생되는 수평 타입의 자기장(G)에서, 자기장의 세기가 가장 큰 평면인 GMP가 코일 면의 중심을 연결한 선의 근방에 위치하며, GMP를 기준으로 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower)은 GMP에서 멀어질수록 세기가 감소한다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단(M)은 도 3a에 도시된 바와 같이 좌측 코일(M1)과 우측 코일(M2)과 더불어 석영 도가니(10)를 사이에 두고 전방과 후방에 각각 배치된 전방 코일(M3)과 후방 코일(M4)을 더 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 자기장 인가수단(M)은 석영 도가니(10)를 중심으로 정 n 각형(n은 2보다 큰 양의 정수)으로 배치된 2n개의 코일을 포함한다.
상기 자기장 인가수단(M)을 구성하는 각각의 코일은 초전도 코일로 구성하는 것이 바람직하다. 하지만 본 발명이 초전도 코일에만 한정되는 것은 아니다. 상술한 구성을 갖는 자기장 인가수단(M)에 의해 수평 타입의 자기장(G)을 석영 도가니(10)에 인가할 경우, 각 코일의 권선수와 인가되는 전류의 크기와 방향을 달리하여 자기장의 구체적인 분포(방향, 세기 등)를 여러 가지 형태로 변형할 수 있음은 자명하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 자기장 인가수단(M)은 도 3b에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10)의 주변을 둘러싸는 말안장 형태의 코일(M5)일 수도 있다. 이러한 경우에도 상기 말안장 코일(M5)은 초전도 코일로 구성하는 것이 바람직하다. 하지만 본 발명이 초전도 코일에만 한정되는 것은 아니다.
한편 말안장 코일(M5) 이외에도 수평 타입의 자기장(G)을 형성하기 위한 자기장 인가수단(M)은 여러 가지 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 자기장 인가수단(M)의 구체적인 구성에 있지 않고, 자기장 인가수단(M)이 석영 도가니(10)에 수평 타입의 자기장(G)을 인가한다는 기술적 사상 자체에 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
상기 자기장 인가수단(M)에 의해 형성되는 GMP는 석영 도가니(10)를 기준으로 상대적 위치가 변경될 수 있다. GMP의 상대적 위치 조정은 자기장 인가수단(M)의 상하 이동에 의해 이루어질 수도 있고, 단결정(C) 성장에 의해 실리콘 융액(SM)이 소모됨에 따라 고액 계면의 높이를 일정하기 유지하기 위해 석영 도가니(10)를 위로 상승시키는 과정에서 이루어질 수도 있고, 이들 양자의 결합에 의해 이루어질 수도 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 기타 여러 가지 방법에 의해 GMP의 위치를 변경시킬 수도 있다.
본 발명은 상술한 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치를 이용하여 고액 계면을 통해 실리콘 단결정을 성장시키는 과정에서 수평 타입의 자기장을 이용하여 실리콘 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치를 이용하여 12인치 실리콘 단결정을 성장시킬 때 수평 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가할 경우 실리콘 융액 내에 형성되는 융액 대류 분포를 컴퓨터 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도면을 참조하면, 실리콘 융액(SM)에 수평 타입의 자기장이 인가됨에 따라 커스프 타입의 비대칭 자기장의 인가 시와는 달리 점선으로 표시된 가상의 경계면(E)을 기준으로 단결정(C)의 회전에 의해 생성되는 대류 셀(A)과 석영 도가니(D)의 회전에 의해 생성되는 대류 셀(B)이 상하로 구분된다. 구체적으로는, 단결정(C)의 회전에 의한 대류 셀(A)이 실리콘 융액(SM)의 윗부분에 나타나고, 석영 도가니(D)의 회전에 의한 대류 셀(B)이 실리콘 융액(SM)의 아래 부분에 나타난다. 따라서 이러한 융액의 대류 분포에서 산소가 고액 계면을 통해 단결정(C)으로 혼입되기 위해서는 경계면(E)을 통해 SiOx를 다량 함유한 실리콘 융액(SM)이 하부의 대류 셀(B)로부터 상부의 대류 셀(A)로 이동해야 한다.
그런데 자기장 인가수단(M)과 실리콘 융액(SM)의 상대적 위치를 변화시켜 수평타입 자기장의 GMP 위치가 변경되면 대류 셀(A, B)의 경계면(E)이 방향성을 가지고 이동하게 되며, 경계면(E)이 어디로 이동하느냐에 따라서 단결정(C) 내로 혼입되는 산소의 농도가 달라진다.
예를 들어, 수평 타입 자기장의 GMP가 상부로 이동하면 상부 대류 셀(A)과 하부 대류 셀(B)의 경계면(E)이 상방으로 이동한다. 이렇게 되면, SiOx를 다량 함유한 실리콘 융액(SM)이 대류를 통해 고액 계면으로 이동하는 거리가 짧아지게 되므로 단결정(C)으로 유입되는 산소의 농도가 증가하게 된다. 반대로, 수평 타입 자기장의 GMP가 하부로 이동하면 상부 대류 셀(A)과 하부 대류 셀(B)의 경계면(E)이 하방으로 이동한다. 이렇게 되면, 석영 도가니(D) 하부의 융액 대류 속도와 석영 도가니(D)의 용해 속도가 저감될 뿐 아니라 SiOx를 다량 함유한 실리콘 융액(SM)이 대류를 통해 고액 계면으로 이동하는 거리가 길어지게 되므로 단결정(C)으로 혼합 되는 산소의 농도가 감소하게 된다.
<실험예>
본 발명자는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 시 커스프 타입의 비대칭 자기장의 ZGP 및 수평 타입 자기장의 GMP와 실리콘 융액과의 상대적 위치 조절을 통해 단결정 내로 유입되는 산소의 농도 제어가 가능하다는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
먼저 직경이 24인치인 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입한 후 8인치 실리콘 단결정을 1200mm(잉곳 바디 기준)의 길이로 성장시켰다. 단결정의 회전속도는 13~20rpm, 바람직하게는 16~18rpm, 석영 도가니의 회전속도는 0.1~ 1rpm, 단결정의 인상속도는 0.6mm/min 이상, 아르곤의 유량은 30~100lpm, 공정 압력은 20 ~ 100torr으로 설정하였다. 단결정 성장 시 석영 도가니에는 커스프 타입의 비대칭 자기장을 인가하였으며, 실시예1의 경우는 비대칭 자기장의 R을 2.3으로, 실시예2의 경우는 비대칭 자기장의 R을 1.36으로 조절하였다. 이 때 비대칭 자기장의 ZGP의 위치는 도 6에 도시된 바와 같다. 도면을 참조하면, 실시예1의 경우가 R 값이 더 크기 때문에 ZGP가 더 상부에 위치하고 있음을 알 수 있다.
도 7은 실시예1 및 실시예2에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳에 대한 길이별 산소 농도를 측정하여 변화 양상을 보인 그래프이다. 도면을 참조하면, 비대칭 자기장의 R 값이 큰 실시예1의 경우가 단결정 잉곳의 바디 전체에 걸쳐 실시예2에 비해 산소 농도가 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이는 비대칭 자기장의 R 값이 증가하여 ZGP가 상승하면, 대류 셀의 경계면이 단결정의 회전축 방향으로 이동함으로써 석영 도가니 하부로부터 SiOx를 다량 함유하고 있는 실리콘 융액이 고액 계면으로 유동하려는 펌핑 효과가 억제되기 때문이다. 이러한 실험 결과로부터 커스트 타입의 비대칭 자기장 인가 시 ZGP와 실리콘 융액의 상대적 위치를 조절하면 단결정 내로 혼입되는 산소 농도를 원하는 방향으로 제어함으로써 단결정의 길이 방향을 따라 통제된 산소농도 프로파일을 갖도록 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 직경이 32인치인 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입한 후 12인치 실리콘 단결정을 1900mm(잉곳 바디 기준)의 길이로 성장시켰다. 단결정의 회전속도는 5~14rpm, 바람직하게는 8~12rpm, 석영 도가니의 회전속도는 0.1~ 1rpm, 단결정의 인상속도는 0.4mm/min 이상, 아르곤의 유량은 100~200lpm, 공정 압력은 30 ~ 100torr으로 설정하였다. 이 때 석영 도가니에 2000G이상, 바람직하게는 2000 ~ 45000G의 수평 타입 자기장을 인가하였다. 실시예3의 경우는 GMP의 위치를 실리콘 융액의 상부 표면으로부터 210mm 하방에, 실시예4의 경우는 GMP의 위치를 실리콘 융액의 상부 표면으로부터 135mm 하방에, 실시예5의 경우는 GMP의 위치를 실리콘 융액의 상부 표면으로부터 35mm 하방에 위치시켰다. 도 8은 실시예3 내지 5에서 인가된 수평 타입 자기장의 GMP 위치를 보다 구체적으로 보여주고 있다.
도 9는 실시예3 내지 5에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳에 대한 길이별 산소 농도를 측정하여 변화 양상을 보인 그래프이다. 도면을 참조하면, 수평 타입 자기장의 GMP가 하방으로 낮아질수록 단결정의 산소 농도가 낮아졌고, 수평 타입 자기장의 GMP가 상방으로 높아질수록 단결정의 산소 농도가 높아졌다. 즉 실시예3의 경우가 단결정의 산소 농도가 가장 낮았고, 실시예 5의 경우가 단결정의 산소 농도 가 가장 높은 것으로 나타났다. 이러한 실험 결과로부터 수평 타입의 자기장 인가시 GMP와 실리콘 융액의 상대적 위치를 조절하면 단결정 내로 혼입되는 산소 농도를 원하는 방향으로 제어함으로써 단결정의 길이 방향을 따라 통제된 산소농도 프로파일을 갖도록 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 방법을 실제 공정에 적용하기 위해서는, 반복적인 테스트-런 과정을 통해 산소농도 품질 요구 조건에 따라 실리콘 융액과 자기장의 상대적 위치 관계와 자기장의 세기를 정량화할 필요가 있다. 이러한 정량화 과정은 본 발명의 기술적 사상을 인식한 당업자라면 용이하게 수행할 수 있을 것이며, 자기장과 관련된 공정 조건의 정량화가 완료되면 여러 가지 산소농도 품질 요구 조건에 따라 산소 농도 프로파일이 제어된 반도체 단결정 잉곳의 제조가 가능해 진다. 또한 본 발명에 따라 단결정에 유입되는 산소 농도를 제어하면 고액 계면의 온도 구배에 영향이 크지 않으므로 단결정의 길이 방향을 따라 산소농도 프로파일을 제어하면서도 무결함 마진 내에서 보이드 또는 전위루프 기인의 결정 결함이 없는 고품질의 단결정 잉곳 제조가 가능하다.
한편 상술한 실시예와 실험예에서는 8인치 실리콘 단결정의 제조 시에는 커스프 타입의 자기장을, 12인치 실리콘 단결정의 제조 시에는 수평 타입의 자기장을 인가하는 것으로 설명하였다. 하지만 본 발명의 기술적 사상은 커스프 타입의 자기장 인가에 의해 ZGP의 위치를 제어하거나 수평 타입의 자기장 인가에 의해 GMP의 위치를 변경하여 실리콘 융액의 대류 분포를 제어함으로써 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하는데 있으므로, 자기장이 인가되는 단결정의 구체적인 직경에 의해 발명의 범위가 한정되지 않음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 다양한 수준의 산소 농도 제어를 위해 종래에 적용해 왔던 핫 존의 교체나 공정 파라미터의 변경과 같은 조치가 전혀 불필요하여 단결정 제품의 다양화가 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 단결정 잉곳의 전체적인 산소 농도 수준 제어를 비롯하여 특정 길이 또는 위치에 대한 산소 농도 제어가 가능하여 하나의 단결정으로부터 여러 가지 산소 농도 조건을 갖는 웨이퍼를 생산할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 자기장 인가에 의한 산소 농도 제어 과정에서 무결함 단결정 성장을 위해 엄격한 제어가 필요한 고액 계면의 온도 구배에 대한 영향이 거의 없다. 따라서 보이드나 전위루프 기인의 결정 결함이 없는 고품질의 단결정 제조가 가능하므로 산소농도 제어가 가능한 공정 조건에서도 프라임 수율의 극대화가 가능하다.

Claims (31)

  1. 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서,
    자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 도가니에 인가하되, ZGP와 융액의 상대적 위치를 조절하여 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 ZGP를 상승시켜 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 ZGP를 하강시켜 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭 자기장은 ZGP를 기준으로 상부 자기장이 하부 자기장보다 큰 비 대칭 자기장 또는 ZGP를 기준으로 하부 자기장이 상부 자기장보다 큰 비대칭 자기장인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭 자기장은 도가니 주변에 환형으로 설치된 상부 코일과 하부 코일에 의해 형성되고,
    상기 상부 코일과 하부 코일의 권선 수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 비대칭 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 코일과 하부 코일 사이에 중간 코일을 개재시켜 코일 어셈블리를 구성하고,
    상기 코일 어셈블리에 포함된 2개의 코일을 조합한 후 각 코일의 권선수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 비대칭 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 석영 도가니의 하부 또는 상부에 보조 자석을 설치하여 비대칭 자기장을 강화, 약화 또는 유발시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서,
    2n개(1보다 크거나 같은 정수)의 코일에 의해 n개의 코일 쌍을 구성하여 자기장의 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 도가니에 인가하되, 상기 석영 도가니를 사이에 두고 각 코일 쌍의 코일 면이 상호 대향하도록 배치하고 GMP와 융액의 상대적 위치를 조절하여 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    2n개의 코일은 석영 도가니를 사이에 두고 정다각형의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  14. 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서,
    상기 석영 도가니의 둘레를 감싸는 말안장 타입의 코일에 의해 자기장의 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 도가니에 인가하되, GMP와 융액의 상대적 위치를 조절하여 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    코일의 권선수, 인가 전류의 크기, 코일 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 수평 타입 자기장의 방향, 세기 또는 GMP의 분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  16. 반도체 융액이 담기는 석영 도가니;
    상기 도가니의 외주면과 결합되어 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;
    상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 가열수단;
    상기 가열수단, 도가니 지지대 및 석영 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 가열수단의 외주면이 마주 대하도록 상기 가열수단 둘레에 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 수단;
    상기 석영 도가니의 둘레에 설치되어 자기장의 수직성분이 0인 ZGP를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단;
    상기 석영 도가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 종자결정을 접촉시킨 후 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및
    상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 상승시키는 도가니 회전수단;을 포함하고,
    상기 석영 도가니와 상기 자기장 인가수단의 상대적 위치, 비대칭 자기장의 비대칭 정도 또는 이들의 조합을 제어하여 반도체 융액을 기준으로 ZGP의 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 상기 ZGP의 위치를 상승시켜 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 상기 ZGP의 위치를 하강시켜 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 자기장 인가수단은 단열수단의 외주면으로부터 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 자기장 인가수단은 석영 도가니 주변에 환형으로 설치된 상부 코일과 하부 코일을 포함하고,
    상기 상부 코일과 하부 코일의 권선 수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 비대칭 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 상부 코일과 하부 코일 사이에 개재된 중간 코일을 더 포함하고,
    상기 상부 코일, 하부 코일 및 중간 코일이 집합된 코일 어셈블리에서 2개의 코일을 조합한 후 각 코일의 권선수, 인가 전류의 크기, 코일의 면적 또는 이들의 조합을 조절하여 비대칭 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 석영 도가니의 하부 또는 상부에 설치된 보조 자석을 더 포함하고,
    상기 보조 자석은 비대칭 자기장을 강화, 약화 또는 유발시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  23. 반도체 융액이 담기는 석영 도가니;
    상기 도가니의 외주면과 결합되어 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;
    상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 가열수단;
    상기 가열수단, 도가니 지지대 및 석영 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 가열수단의 외주면이 마주 대하도록 상기 가열수단 둘레에 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 수단;
    2n개(1보다 크거나 같은 정수)의 코일을 포함하고 상기 석영 도가니를 사이에 두고 대향하도록 배치된 n개의 코일 쌍에 의해 자기장의 세기가 최대한 GMP 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 상기 석영 도가니에 형성하는 자기장 인가수단;
    상기 석영 도가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 종자결정을 접촉시킨 후 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및
    상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 상승시키는 도가니 회전수단;을 포함하고,
    상기 석영 도가니와 상기 자기장 인가수단의 상대적 위치, 수평 타입 자기장의 세기, 방향 또는 분포, 또는 이들의 조합을 제어하여 반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 변경하여 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 상승시켜 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  25. 제23항에 있어서,
    반도체 융액을 기준으로 GMP의 위치를 하강시켜 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  26. 삭제
  27. 제23항에 있어서,
    상기 2n개의 코일은 석영 도가니를 사이에 두고 정다각형의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  28. 삭제
  29. 제27항에 있어서,
    상기 코일은 초전도 코일인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  30. 삭제
  31. 삭제
KR1020070004872A 2006-12-29 2007-01-16 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳 KR100830047B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060138519 2006-12-29
KR20060138519 2006-12-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100830047B1 true KR100830047B1 (ko) 2008-05-15

Family

ID=39650453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070004872A KR100830047B1 (ko) 2006-12-29 2007-01-16 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100830047B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101028297B1 (ko) * 2009-07-09 2011-04-11 주식회사 엘지실트론 단결정의 산소 농도구배 제어방법
KR101540566B1 (ko) * 2013-10-11 2015-07-31 주식회사 엘지실트론 단결정 잉곳 성장 방법
KR20190007223A (ko) * 2017-07-12 2019-01-22 에스케이실트론 주식회사 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003055092A (ja) * 2001-08-16 2003-02-26 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp シリコン単結晶の引上げ方法
JP2004323323A (ja) * 2003-04-28 2004-11-18 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp 単結晶の製造方法
US20060144321A1 (en) 2004-12-30 2006-07-06 Memc Electronic Materials, Inc. Controlling melt-solid interface shape of a growing silicon crystal using a variable magnetic field
KR20070013843A (ko) * 2005-07-27 2007-01-31 주식회사 실트론 실리콘 단결정 잉곳 및 그 성장방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003055092A (ja) * 2001-08-16 2003-02-26 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp シリコン単結晶の引上げ方法
JP2004323323A (ja) * 2003-04-28 2004-11-18 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp 単結晶の製造方法
US20060144321A1 (en) 2004-12-30 2006-07-06 Memc Electronic Materials, Inc. Controlling melt-solid interface shape of a growing silicon crystal using a variable magnetic field
KR20070013843A (ko) * 2005-07-27 2007-01-31 주식회사 실트론 실리콘 단결정 잉곳 및 그 성장방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101028297B1 (ko) * 2009-07-09 2011-04-11 주식회사 엘지실트론 단결정의 산소 농도구배 제어방법
KR101540566B1 (ko) * 2013-10-11 2015-07-31 주식회사 엘지실트론 단결정 잉곳 성장 방법
KR20190007223A (ko) * 2017-07-12 2019-01-22 에스케이실트론 주식회사 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법
KR101942322B1 (ko) * 2017-07-12 2019-04-12 에스케이실트론 주식회사 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법
US10655242B2 (en) 2017-07-12 2020-05-19 Sk Siltron Co., Ltd. Growing apparatus and single-crystal ingot growing method using the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100793950B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳 및 그 성장방법
CN1904147B (zh) 高质量硅单晶的生长方法和装置、硅单晶结晶块及硅晶片
KR100954291B1 (ko) 고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법
KR101304444B1 (ko) 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법
KR20100045399A (ko) 실리콘 단결정의 제조 방법
JP5240191B2 (ja) シリコン単結晶引上装置
US7799130B2 (en) Silicon single crystal ingot and wafer, growing apparatus and method thereof
JP2009114054A (ja) 酸素濃度特性が改善した半導体単結晶の製造方法
US8268077B2 (en) Upper heater, single crystal production apparatus, and method for producing single crystal
KR101022933B1 (ko) 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법
JPH09188590A (ja) 単結晶の製造方法および装置
KR100830047B1 (ko) 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳
KR101105475B1 (ko) 공정 변동이 최소화된 단결정 제조방법
KR100991088B1 (ko) 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및제조방법
TW202117096A (zh) 一種半導體晶體生長裝置
KR101028297B1 (ko) 단결정의 산소 농도구배 제어방법
JP2004189559A (ja) 単結晶成長方法
JP7230781B2 (ja) 単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法
KR100868192B1 (ko) 가변 자기장을 이용한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치및 반도체 단결정 잉곳
KR100869940B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법
KR101100862B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법
KR20040045624A (ko) 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치
WO2022163091A1 (ja) 単結晶引上げ装置および単結晶引上げ方法
KR100680242B1 (ko) 실리콘 단결정의 성장 방법
JP2008019128A (ja) 単結晶製造装置、単結晶製造方法および単結晶

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130327

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140325

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160401

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170328

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180319

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190325

Year of fee payment: 12