KR100831044B1 - 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치, 그 장치를 이용한성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실제 디바이스 제조시에도 불량을 일으키지 않을 정도로 성장결함이 극도로 제어된 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 다양한 산소농도를 가지도록 제어하면서 고생산성으로 제조할 수 있는 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치, 그 장치를 이용한 성장방법, 그로부터 제조된 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼에 관한 것이다.

산소 농도, 점결함, 국부발열. 융액, 온도

Description

고품질 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치, 그 장치를 이용한 성장방법{An Apparatus Of Growing High Quality Silicon Single Crystalline Ingot, A Growing method Using The Same}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 과정 및 단결정 잉곳의 길이방향과 평행한 축을 따라 측정된 융액의 온도 프로파일을 도시한 단면도,

도2는 종래기술에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포,

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포,

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포,

도5는 본 발명의 일 실시예로서 도3의 히터를 인가한 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것을 도시한 단면도로서, 최고온영역으로부터 고온영역으로의 적절한 열전달 채널의 형성을 도시한 것이다.

본 발명은 점결함이 없는 고품질 실리콘 단결정 잉곳에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키 법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 산소농도를 원하는 값으로 제어함으로써 고객들이 원하는 다양한 산소농도를 갖는 성장결함이 제어된 고품질의 실리콘 단결정 잉곳과 웨이퍼, 그 제조 방법 및 성장 장치에 관한 것이다.

종래에는 반도체 소자 수율을 증대시킬 수 있는 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위하여 주로 결정화 이후의 단결정 잉곳의 고온영역 온도분포를 제어하였다. 이는 결정화 이후 냉각에 따른 수축 등으로 유기되는 응력 등을 제어하거나 응고 시 발생한 점결함의 거동을 제어하기 위한 것이다.

또한, 고객들이 요구하는 다양한(반도체 디바이스에 적합한) 산소 규격을 맞추기 위하여 압력, 아르곤 유량 등 공정 파라미터를 조절하거나, 핫존을 변경하거나 수평 강자장을 도입하는 등 별도의 비용을 투자하였다.

일반적으로 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳 잉곳을 성장시킨다.

실리콘 단결정 잉곳 잉곳을 성장시킬 때에는 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳 잉곳은 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니의 회전 방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다. 이렇게 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing), 클리닝(Cleaning) 등 웨이퍼 가공 공정을 거침으로써 실리콘 단결정 웨이퍼가 되어 반도체 디바이스 기판으로 사용하게 된다.

종래 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에서는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 온도 구배 및 실리콘 융액으로부터의 산소 증발을 조절하기 위해 열실드 등을 설치하였다. 열실드 등을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳의 온도 구배를 조절하는 종래기술로는 대한민국 특허 등록번호 제374703호, 대한민국 특허 출원번호 제2000-0071000호, 미국 특허등록번호 6,527,859 등이 있다. 또한, 마치다 등의 논문 "The effects of argon gas flow rate and furnace pressure on oxygen concentration in Czochralski-grown silicon crystals, Journal of Crystal Growth, 186 (1998) 362-368" 및 대한민국 특허 출원번호 제2001-7011548호에서는 산소농도 제어를 위하여 가스 흐름 제어기 등 핫존의 설치와 압력, 아르곤 유량 및 도가니 회전속도 제어를 개시하고 있다. 또한 일본 특개평2000-247788과 일본 특개평10-130100은 자장세기 조절 및 멀티-커스프 자장 장치를 이용하여 산소용출 및 융액 대류를 억제를 개시하고 있다.

그러나, 종래와 같이 여러 공정 파라미터를 조절하는 것만으로 효과적으로 실리콘 단결정 잉곳의 온도 구배를 조절하거나 산소농도를 제어할 수 없어, 점결함 농도가 낮은 고품질의 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 고객이 원하는 산소농도를 갖도록 생산할 수 없었다.

디바이스 공정에 적합한 바람직한 웨이퍼 기판의 조건은 다음과 같다. 웨이퍼 표면 수 마이크로층까지 형성되는 디바이스 활성영역(Active Device region)에서는 베이컨시, 셀프-인터스티셜 등 점결함을 제외한 모든 응집결함이 배제되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 베이컨시가 응집된 결함의 한 종류인 COP(Crystal Originated Pit)는 GOI(Gate Oxide Integrity)를 악화시킴으로써 디바이스 수율을 낮추게 된다. 또한 산소농도와 베이컨시 농도 등에 의존하는 미소석출물(micro precipitates) 역시 디바이스 활성영역에 발생하면 GOI를 악화시킨다. 반면에 디바이스 활성영역 보다 깊은 벌크영역에서는 미소석출물을 포함하는 BMD(Bulk Micro Defect)가 필요하다. 반도체 디바이스 열처리 공정 중에 발생하는 BMD는 디바이스 활성영역에서는 해가 되지만, 벌크영역에서는 웨이퍼 표면 및 디바이스 활성영역에 존재하는 금속 불순물 등을 게터링(Gettering)함으로써 디바이스 수율을 개선시켜 준다. 따라서 바람직한 웨이퍼 기판은 적절한 베이컨시 농도와 산소 농도가 필요하게 된다.

한편, 대한민국 특허출원 제1999-7009261호, 제1999-7009307호, 및 제1999-7009309호에 기재된 바와 같이 종래에는 결정의 수직온도구배(G₀)가 G₀ = c+ax²의 형태를 갖기 때문에 단결정 잉곳 외주에서 중심방향을 향해 베이컨시 농도는 증가하는 반면에 인터스티셜 농도는 감소하는 경향을 가진다. 단결정 잉곳의 외주근처에서 충분한 외부확산(out-diffusion)이 발생하지 않으면 엘디피(LDP) 등 인터스티셜 특성의 결정 결함이 나타나기 때문에 대개는 중심부의 베이컨시 농도가 높은 상 태에서 결정성장을 하게 된다. 따라서 평형농도보다 훨씬 높은 베이컨시 농도 때문에 웨이퍼 중심부에서 베이컨시 특성의 결정결함(예를 들면, 보이드(void), 산화적층결함(OiSF : oxidation induced stacking fault))이 발생되기 쉽다. 반면에 충분한 인터스티셜 외부확산을 위해서 결정의 냉각속도를 낮추게 되면 추가적인 핫존이 더 장착될 뿐 아니라 단결정 잉곳의 성장속도도 낮아지게 되므로 생산성이 많이 떨어진다.

고품질 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해 실리콘 단결정 잉곳의 온도 분포를 제어하는 다른 종래 기술로는 다음과 같은 것들이 있다. 일본 특원평2-119891에서는 단결정이 냉각되는 과정에서 고온영역의 핫존을 채용하여 실리콘 단결정 잉곳의 중심과 외주의 온도분포를 제어함으로써 응고 변형(strain of solidification)에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 격자결함을 감소시키고자 하였으며, 특히 여기서는 냉각 슬리브(sleeve)에 의해 단결정 성장 방향으로 고화율(solidification rate)이 증대되고 격자결함이 감소되었다. 또한 일본 특원평7-158458에서는 결정 내 온도분포와 결정의 인상속도를 제어하고자 하였으며, 일본 특원평 7-66074에서는 핫존을 개선하고 냉각속도를 제어함으로써 결함밀도를 제어하고자 하였다. 일본 특원평4-17542와 한국 출원 1999-7009309(US 60/041,845)에서는 핫존을 변경하고 냉각속도를 제어함으로써 점결함의 확산을 이용하여 결정결함 형성을 억제하고자 하였다. 한국 출원 2002-0021524에서는 열실드와 수냉관을 개선함으로써 고품질 단결정 생산성을 향상시켰다고 주장하고 있다. 일본 특원평5-61924에서는 결정의 성장속도의 주기적인 변화를 가함으로써 산소유기적층결함 (OSF)나 산소석출결함 등 결정결함 발생 영역의 이력(hysteresis)을 활용하여 실리콘 단결정 잉곳 내에 결정결함이 생기지 않도록 하였다.

그러나 이러한 종래 기술들은 고상반응에 기초하기 때문에 다음과 같은 문제점을 안고 있다. 첫째, 고품질 실리콘 단결정이라는 목적을 달성하는데 있어 많은 제약이 따른다. 예를 들어, 한국 출원 1999-7009309(US 60/041,845)에서는 과포화된 점결함을 결정 결함으로 성장하기 전에 고온 영역에서 충분히 확산 반응시킴으로써 점결함의 농도를 낮추고자 하나 그에 필요한 온도 유지시간이 심지어 16시간 이상이므로 이론적으로 가능할 뿐 실제 적용이 불가능한 문제점이 있었다.

둘째, 실질적인 효과를 거두지 못하는 경우가 대부분이다. 일본 특원평5-61924 및 Eidenzon등(Defect-free Silicon Crystals Grown by the Czochralski Technique, Inorganic Materials, Vol.33, No.3, 1997, pp.272-279)이 제안한 것 과 같은 방식으로 결정의 인상속도를 주기적으로 변화시키면서 200mm 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 결과, 목적하는 고품질 달성에 실패하였으며 오히려 공정의 불안정성만 야기되었다.

셋째, 고상반응 이론에 기초한 발명은 높은 생산성을 달성할 수 없다. 한국 출원 2001-7006403에서는 가능한 최적의 열실드와 수냉관을 설계하였지만 실제로 고품질 단결정을 얻을 수 있는 인상속도가 0.4mm/min 정도로서 낮은 생산성을 보여주었다.

한편, 실리콘 단결정 잉곳의 산소농도를 제어하는 종래 방법으로는 일본 특개평10-13010, 한국 등록 10-0239864, 한국 출원 2001-7011548 등이 있다. 하지만, 이러한 방법들은 추가적인 비용 투자가 필요하거나 실질적으로 고품질 단결정이 얻어지지 않는 단점이 있다.

또한, 상술한 종래 방법들에서는 목적하는 고품질 단결정의 획득 수율이 낮았다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실제 디바이스 제조시에도 불량을 일으키지 않을 정도로 성장결함이 극도로 제어된 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 다양한 산소농도를 가지도록 제어하면서 고생산성으로 제조할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 국부발열 히터를 도입하여 산소용출과 열흐름을 독립적으로 제어하는 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장장치 및 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고객이 원하는 규격에 따라 산소농도가 다양하게 제어된 고품질 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 산소농도가 다양하게 제어된 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 생산성이 높은 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실질적으로 비대칭의 품질 분포를 갖는 실리콘 단결정 잉곳 성장 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 획득 수율이 높은 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니; 상기 도가니의 측방에 설치되어 상기 실리콘 융액을 가열하며, 상기 도가니 내의 특정위치에서 발열량이 최대인 최대발열부위가 형성된 히터; 및 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 실리콘 단결정을 인상하는 인상기구를 포함한다.

상기 히터의 최대발열부위는 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 30mm 이상 120mm 이하 지점에 대응하는 부분에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 히터의 최대발열부위는 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 120mm 초과 300mm 이하 지점에 대응하는 부분에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 히터의 최대발열부위는 전체 히터 길이의 5 - 40%인 것을 특징으로 한다.

상기 히터의 최대발열부위는 전체 히터 길이의 10 - 25%인 것을 특징으로 한다.

상기 도가니의 측방에 설치되어 상기 실리콘 융액에 자기장을 인가하는 자석을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 더 포함하는 것이 보다 바람직하다.

이때, 상기 열실드에서 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 최인접부에 부착되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸는 원통형의 열차폐부를 더 포함하는 것이 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장방법은 실리콘 융액을 담고 있는 도가니로부터 용출되는 산소량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 용출 산소량은 상기 도가니 내의 특정위치에서 발열량이 최대가 되도록 히터를 조절함으로써 제어되는 것을 특징으로 한다.

상기 용출 산소량은 실리콘 단결정 잉곳 내의 산소농도가 8ppma 이상 11.5ppma 이하가 되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

상기 용출 산소량은 실리콘 단결정 잉곳 내의 산소농도가 11.5ppma 초과 15ppma 미만인 것을 특징으로 한다.

상기 실리콘 융액의 온도를 단결정의 길이 방향과 평행한 축을 따라서 측정할 때 상기 융액과 단결정과의 계면에서부터 상기 단결정과 멀어질수록 상기 융액의 온도가 점점 상승하여 최고점에 도달하였다가 점점 하강하며, 상기 최고점을 중심으로 한 소정영역을 융액의 고온영역이라 할 때, 상기 히터는 상기 도가니로부터 산소가 용출되는 것을 최소화하는 한편, 히터와의 최인접부에서 상기 계면의 중심 내지 상기 고온영역을 향하는 융액 대류를 촉진시키는 것을 특징으로 한다.

상기 촉진된 융액 대류로 인하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 중심축에 대하여 실질적으로 비대칭인 품질분포를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 제조방법은 상기와 같이 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 웨이퍼 가공하여 고품질 실리콘 웨이퍼로 제조한다.

또한, 본 발명에 따른 쵸크랄스키 법으로 성장된 실리콘 단결정으로부터 제작되는 실리콘 웨이퍼는 격자간 산소농도가 8ppma 이상 11.5ppma 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 웨이퍼는 격자간 산소농도가 11.5ppma 초과 15ppma 미만인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 쵸크랄스키 법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 산소농도가 8ppma 이상 11.5ppma 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 잉곳은 산소농도가 11.5ppma 초과 15ppma 미만인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장장치, 성장방법 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 과정 및 단결정 잉곳의 길이방향과 평행한 축을 따라 측정된 융액의 온도 프로파일을 도시한 단면도, 도2는 종래기술에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포, 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 도가니 및 히터부분의 간략 단면도 및 발열량의 분포, 도5는 본 발명의 일 실시예로서 도3의 히터를 인가한 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것을 도시한 단면도로서, 최고온영역으로부터 고온영역으로의 적절한 열전달 채널의 형성을 도시한 것이다.

본 발명은, 실리콘 융액으로부터 고상의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 단결정 잉곳의 온도 구배 조절 및 고-액 계면의 형태 조절만으로 점결함이 최소화된 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 데에는 한계가 있으며, 고품질 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 보다 더 결정적인 인자가 있다는 사실에서 기인한 것이다.

즉, 본 발명에서는 결정화 이후에 일어나는 고상 반응의 한계를 극복하기 위하여 고화 이전인 액상의 유체상태를 철저히 분석하였으며 그 결과, 융액의 온도분포가 매우 중요하다는 것을 발견하였다.

일반적으로 결정성장은 원자 또는 분자 형태의 성장 단위가 결정성장계면 또는 준안정영역으로 이동하여 계면에 고착됨으로써 이루어지는데, 실리콘 융액 내 온도기울기가 커짐으로써 유체상태의 결정성장 단위가 결정성장계면 또는 준안정영역으로 이동하려는 구동력이 커지게 되는 것이다.

여기서 결정성장계면이란 결정화계면 또는 고액계면이라고도 하며 고상인 실리콘 단결정 잉곳과 액상인 실리콘 융액이 만나는 경계면이다. 준안정영역이란 액상인 실리콘 융액이 결정화되기 직전의 상태로서 결정성이 있기는 하지만 완전하지 는 않은 영역을 의미한다.

따라서 실리콘 융액 내 온도기울기가 크면 성장 단위의 결정 성장 참여가 높아지므로 결정의 인상속도가 충분히 높지 않은 경우 과잉의 원자가 결정화되고, 그 결과 실리콘 단결정 잉곳은 셀프 인터스티셜 우세(self-interstitial rich) 특성을 갖게 된다. 반대로 실리콘 융액 내 온도기울기가 낮으면 결정화되려는 원자가 충분하지 않기 때문에 높은 결정의 인상속도는 베이컨시 우세(vacancy rich) 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 만들게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 과정을 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 석영 도가니(20)가 설치되며, 이 석영 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 석영 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(20)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 보온통(45)에 의해 에워싸이는데, 이때 보온통(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

상기 히터(40)는 도가니(25)의 측방에 설치되어 기본적으로 석영 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만드는 역할을 한다(도1 및 도2 참조).

그러나 본 발명에 따른 히터(40)는 석영 도가니로부터의 산소 용출을 제어하는 역할도 하는 것으로서, 도3 및 도4에는 상기 히터의 간략 단면도 및 이에 따른 발열량의 분포를 나타내었다. 즉, 본 발명의 히터(40)는 다결정 실리콘 덩어리를 용융시키는 종래의 단순한 원통형의 Long Heater, Short Heater가 아니라(도2), 전체적인 발열은 유지하되 어느 특정부위의 저항을 증가시킴으로써 그 특정부위에 발열이 집중되도록하는 국부 발열이 가능한 모양의 히터(40)이다.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 히터(40a, 40b)는 그 특정부위의 저항을 증가시키기 위하여 사다리꼴 형상의 홈(41)을 형성하여 단면적을 줄인 것으로서 그 좁은 단면적 부위가 최대발열부위(41)가 되며, 그러한 국부발열 위치를 조절함으로써 석영도가니로부터의 산소용출이 제어되고 용내의 온도 분포가 조절되는 것이다. 물론 홈(41)의 형상은 사다리꼴에 한정되는 것이 아니며, 단면적을 줄일 수 있는 가능한 모든 형상을 가질 수 있다.

본 발명에서는 상기 히터(40)의 발열물질로서 전체적인 흑연 구성만을 예시하고 있으나, 국부발열 위치만 특히 최대발열 시키기 위하여 실리콘을 용융할 수 있는 저항이 증가된 다양한 종류의 발열 물질을 사용할 수 있으며, 본 실시예에 사용된 물질에만 한정되는 것은 아니다.

뿐만 아니라, 상기 히터(40)의 국부발열 위치를 변경하면 상기 석영 도가니 의 산소 용출 정도 및 용출된 산소의 이동을 조절함으로써 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 다양한 산소농도 스펙으로 성장시킬 수 있다.

이때, 상기 히터(40)의 최대발열부위(41)를 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 30mm-300mm 지점에 대응하는 부분에 형성하면, 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 산소농도를 8-15ppma 수준으로 제어할 수 있다.

낮은 산소농도의 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 제조하고자 하는 경우에는, 도3과 같이 상기 히터(40a)의 최대발열부위(41)를 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 30mm-120mm 지점에 대응하는 부분에 형성하여 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 산소농도가 8-11.5ppma로 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

반면, 높은 산소농도의 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 제조하고자 하는 경우에는, 도4와 같이 상기 히터(40b)의 최대발열부위(41)를 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 120mm-300mm 지점에 대응하는 부분에 형성하여 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 산소농도가 11.5-15ppma로 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 히터(40)의 최대발열부위(41)는 전체 히터(40) 길이의 5 - 40%인 것이 바람직하며, 10 - 25%인 것이 보다 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 히터(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 융액의 최고온영역으로부터 고온영역을 향한 가상의 채널(100)을 따라 융액 대류를 촉진시킴으로써 열손실이 최소화되면서 열전달되도록 한다('채널효과').

이는 국부적인 최고온 영역의 뜨거운 실리콘들이 보유중인 열의 손실을 최소 화하면서 고온영역 및 그 상부로 이동 즉, 최단거리로 고액계면으로 이동하게 되어 고온영역과 고액계면 사이의 온도차이가 커지면서 그만큼 결정성장속도가 증가되는 것이다.

하기 표1에 히터의 종류, 최대발열 부위의 비율과 위치를 변화시킨 실시예1, 2, 3과 비교예 1, 2의 산소농도 및 고품질 성장속도 비율을 나타내었다.

상기 채널효과에 의하면 고액계면으로부터 고온영역까지의 융액 온도기울기, 즉 상승하는 융액 온도기울기를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 도가니 바닥의 온도가 상대적으로 낮아지기 때문에 도가니바닥 라운드(Round)부위로부터의 산소용출량을 최대한 억제시킬 수 있게 된다.

이러한 현상은 고액 계면에서부터 최고점까지의 상승하는 융액 온도기울기를 증가시킴으로써 원자나 분자 등의 성장단위가 결정성장계면으로 이동하려는 구동력이 증가하기 때문이며, 이에 따라 베이컨시, 인터스티셜 등의 점결함 발생이 최소화되는 고품질 실리콘 잉곳의 결정성장속도 즉, 결정의 인상속도는 향상될 수 있는 것이다.

보다 구체적으로 설명하기 위해 도1을 참조한다. 도1에는 실리콘 융액(SM) 내에 등온선과 단결정 잉곳의 반경방향과 평행한 가상의 축을 따라 측정된 융액의 온도기울기 프로파일을 함께 도시하였다.

일반적으로 실리콘 융액(SM)의 온도를 살펴보면, 열 공급원인 히터(40)와 가장 가까운 도가니의 측면 부분에서 가장 높은 융액 온도(도 1에서 T_P 영역으로 표시)를 보이며, 결정성장이 일어나는 고액계면 부분에서 고화온도(solidification temperature)인 가장 낮은 융액 온도를 보인다.

실리콘 융액(SM)의 온도기울기를 단결정(IG)의 반경 방향과 평행한 축을 따라 측정할 때, 이 온도기울기는 수직방향 순간온도기울기이며, 단결정(IG) 하부에 위치하는 융액에서 측정하는 것이 바람직하다.

고품질 실리콘 단결정 잉곳의 성장 조건은 측정된 온도기울기 값이 하기의 수학식 1을 만족시키는 것이 바람직하다(한국특허출원 2004-98530을 참조).

(ΔTmax-ΔTmin)/ΔTmin×100 ≤ 10

이때, ΔTmax는 측정된 온도기울기의 최대값, ΔTmin은 측정된 온도기울기의 최소값이다.

또한, 단결정 잉곳의 길이 방향과 평행한 축(X)을 따라 측정된 융액의 온도 프로파일을 함께 도시한 도2를 참조하면, 본 발명에서는 융액의 내부에 주변에 비해 상대적으로 온도가 높은 고온영역(도 1에서 T_H 영역으로 표시)이 존재하도록 하고, 특히 그 고온영역(T_H) 상부의 온도기울기와 하부의 온도기울기를 제어한다.

실리콘 융액(SM)의 온도를 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이 방향과 평행한 축(X)을 따라서 측정할 때, 고액계면에서부터 잉곳(IG)과 멀어질수록 융액(SM)의 온도가 점점 상승하여 최고점(H)에 도달하였다가 다시 최고점(H)에서 잉곳(IG)과 가장 먼 지점인 융액(SM)의 바닥부 쪽으로 갈수록 점점 하강한다.

이때, 고액계면에서부터 최고점(H)까지의 상승하는 융액 온도기울기(ΔTi)가 최고점(H)에서부터 융액 바닥부까지의 하강하는 융액 온도기울기(ΔTd)보다 큰 상태, 즉, ΔTi > ΔTd 인 조건을 유지하면서, 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 바람직하다. 여기서, 온도 측정 위치를 표시하는 기준이 되는 축(X)은 단결정 잉곳의 중심을 관통하는 중심축인 것이 바람직하다.

이때 최고점(H)은 실리콘 융액(SM)의 전체 깊이에 대해 융액(SM)의 표면으로부터 1/5 지점 내지 2/3 지점에 존재하는 것이 바람직하다(한국특허출원 2004-98530을 참조).

상술한 바와 같이 본 발명과 같이 히터를 개선하면, 이른바 '채널효과(channel effect)'에 의해 실리콘 융액의 온도 분포가 단결정 반경 방향 및 단결정 길이 방향에서 상술한 바와 같은 조건으로 최적화된다. 이에 따라, 각종 결정결함이 배제된 고품질의 단결정을 용이하게 얻을 수 있으며, 구현되는 성장속도가 매우 향상될 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기 촉진된 융액 대류로 인하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 중심축에 대하여 실질적으로 비대칭인 품질분포를 갖게 된다. 이것은 융액의 대류가 활성화됨으로써 결정성장계면 밑의 융액의 대류분포는 대칭성을 잃게 되고, 따라서 결정성장 조건은 중심축을 따라서 실질적으로 비대칭성을 갖게 되기 때문이다. 하지만, 고품질 단결정 및 실리콘 웨이퍼를 확보하는데 있어서는 아무런 문제가 발생하지도 않는다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼에는 인터스티셜 우세 영역 및 베이컨시 우세 영역이 웨이퍼의 중심에 대해 실질적으로 비대칭을 이루게 된다.

또한, 챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 석영 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.

챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.

실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)를 설치하여 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단할 수 있으며, 열실드(50)에서 잉곳(IG)과의 최인접부에는 원통형의 열차폐부(60)를 부착 설치하여 열 흐름을 더욱 차단하여 열을 보존할 수도 있다.

또한, 보온통(45)의 외주부를 둘러싸는 자석(70)을 더 설치함으로서, 안정적인 열원으로서 히터(40)를 채용하여 실리콘 융액의 과냉을 방지할 뿐만 아니라, 자석(70)에 의해 공급되는 자기장의 세기를 조절하여 히터(40)에서 발생한 열이 다양한 경로를 통해 고액계면으로 전달되는 것을 제어하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 보다 효과적인 열전달이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 자기장으로는 단결정의 길이 방향에 대해 수직 방향 또는 수평 방향의 자기장을 인가할 수도 있고, 또는 커스프(CUSP) 형태의 자기장을 인가할 수도 있다. 그 이유는 고액계면 및 그 하부 융액에서 자력선의 형태가 특정한 형태로 결정되면, 모두 동일한 효과가 발생되기 때문이다.

그러나, 커스프 형태의 자기장을 불균형하게 인가하여 석영 도가니 바닥 부위의 온도를 상대적으로 낮아지게 함으로서, 도가니 바닥으로부터의 산소 용출을 최대한 억제시키며, 용출된 산소의 이동을 억제하는 것이 보다 바람직하다.(대한민국 특허출원 제10-2005-0068097호 참조)

또한, 도가니의 회전속도가 감소함에 따라 반경방향으로의 융액 온도 차이가 감소하여 반경방향으로의 융액 온도분포가 균일해지므로, 실리콘 융액의 온도를 단결정의 반경방향으로 균일하게 만들기 위해서는 도가니 회전속도를 가능하면 낮추 어야 한다(한국특허출원 2004-98530을 참조).

뿐만 아니라, 고품질의 단결정을 높은 생산성으로 제조하기 위해서는 도가니(20)의 회전속도를 고려하여 단결정(IG) 회전속도의 운용범위를 결정해야 한다.

도가니의 회전속도를 Vc 라 하고 실리콘 단결정 잉곳의 회전속도를 Vs 라 할 때 다음의 수학식 2를 만족시키는 조건으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 바람직하다.

3 ≤ Ln[Vs/Vc] ≤ 5

왜냐하면, 낮은 도가니 회전속도에 비하여 단결정 회전속도가 너무 커질 경우에는 도가니 바닥의 차가운 융액의 상승으로 인해 고온영역의 온도가 감소하며 따라서 융액의 수직방향 온도기울기가 감소하기 때문이다.

상술한 본 발명의 단결정 실리콘 잉곳 성장방법에 따르면, 베이컨시 및 인터스시셜 등 점결함 발생이 제어됨으로써 성장 결함인 전위 결함(에지(edge), 스크류(screw), 루프(loop) 형태의 전위(dislocation)), 적층결함(stacking fault), 베이컨시 집합체인 보이드(void) 등의 결함들이 모두 억제된다.

최근 실리콘 웨이퍼 제조 기술이 발전되어 상기와 같은 점결함 응집 결함들이 배제된 무결함 웨이퍼 수준을 실현시키고 있다. 그러나 응집 반응이 일어날 만큼 높은 농도는 아니지만, 상대적으로 높은 농도의 베이컨시와 산소는 실제 반도체 디바이스를 제조하는 열처리 과정에서는 미소석출결함과 같은 2차 결함이 디바이스 활성 영역 가까이에서도 발생될 수 있다.

그러나 본 발명의 일실시예에 따라 상술한 장치 및 방법을 이용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 베이컨시 농도를 충분히 낮춤으로써 미소석출결함 등이 디바이스 활성 영역 가까이에서는 발생되지 않는다. 즉, 본 발명은 열처리에 의해 미소석출결함을 형성할 수 있는 베이컨시의 최소 농도인 베이컨시 임계포화농도 이하인 수준의 점 결함 농도를 가지는 웨이퍼를 높은 생산성으로 제조한다. 이때, 열처리 조건 및 결과에 대하여는 한국특허출원 제10-2004-98530을 참조한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 히터를 국부발열화 함으로써 고액계면과 고온영역(T_H)의 온도차이, 즉 상승하는 융액 온도기울기가 증가하기 때문에 고품질 실리콘 단결정의 성장 속도를 높일 수 있다.

이에 따라, 높은 성장 속도로 인해 고품질 실리콘 단결정 잉곳의 생산성을 높일 수 있다.

또한, 국부발열 위치를 변경함으로써 도가니바닥 라운드부위로부터의 산소 용출 정도 및 용출된 산소의 이동을 조절하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 다양한 산소농도 스펙으로 성장시킬 수 있다.

또한, 상기 단결정 실리콘 잉곳 성장장치를 이용하면 디바이스 제조 과정에서 열처리에 의해 디바이스 활성 영역 가까이에서 미소석출결함과 같은 2차 결함이 발생되지 않는 수준으로 점결함 농도가 낮은 고품질의 실리콘 단결정 잉곳 및 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다.

또한, 상기 고품질의 단결정으로부터 가공된 웨이퍼를 기판으로 사용하면 전자소자의 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (24)

1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 장치에 있어서,

   챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니;

   상기 도가니의 측방에 설치되어 상기 실리콘 융액을 가열하며, 상기 도가니 내의 특정부위의 저항을 증가시킴으로써 상기 특정부위에 발열이 집중되는 국부발열위치인 최대발열부위가 형성된 히터; 및

   상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 실리콘 단결정을 인상하는 인상기구를 포함하는데,

   상기 히터의 최대발열부위는 전체 히터 길이의 5 - 40%인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 히터의 최대발열부위는 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 30mm 이상 120mm 이하 지점에 대응하는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 히터의 최대발열부위는 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 120mm 초과 300mm 이하 지점에 대응하는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 히터의 최대발열부위는 전체 히터 길이의 10 - 25%인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 도가니의 측방에 설치되어 상기 실리콘 융액에 자기장을 인가하는 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 자석은 상기 히터와의 최인접부로부터 상기 단결정의 중심을 향하는 융액 대류를 촉진시키는 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 자석은 비대칭 커프스 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 열실드에서 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 최인접부에 부착되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸는 원통형의 열차폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치를 이용하는 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,

    실리콘 융액을 담고 있는 도가니로부터 용출되는 산소량을 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 용출 산소량은 상기 도가니 내의 특정부위의 저항을 증가시킴으로써 상기 특정부위에 발열이 집중되도록 히터를 조절함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 용출 산소량은 실리콘 단결정 잉곳 내의 산소농도가 8ppma 이상 11.5ppma 이하가 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
14. 제11항에 있어서,

    상기 용출 산소량은 실리콘 단결정 잉곳 내의 산소농도가 11.5ppma 초과 15ppma 미만인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
15. 제11항에 있어서,

    상기 실리콘 융액의 온도를 단결정의 길이 방향과 평행한 축을 따라서 측정할 때 상기 융액과 단결정과의 계면에서부터 상기 단결정과 멀어질수록 상기 융액의 온도가 점점 상승하여 최고점에 도달하였다가 점점 하강하며, 상기 최고점을 중심으로 한 특정영역을 융액의 고온영역이라 할 때,

    상기 히터는 상기 도가니로부터 산소가 용출되는 것을 최소화하는 한편, 히터와의 최인접부에서 상기 계면의 중심 내지 상기 고온영역을 향하는 융액 대류를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
16. 제15항에 있어서,

    상기 촉진된 융액 대류에 의해 중심축에 대하여 비대칭인 품질분포를 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
17. 제15항에 있어서,

    상기 히터는 상기 상승하는 융액 온도기울기가 상기 하강하는 융액 온도기울기보다 큰 상태를 유지하는 조건을 만족시키도록 상기 실리콘 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
18. 제15항에 있어서,

    상기 최고점은 상기 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 1/5 지점 내지 2/3 지점에 존재하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
19. 제15항에 있어서,

    상기 최고점은 상기 실리콘 융액의 전체 깊이에 대해 상기 융액의 표면으로부터 1/3 지점 내지 1/2 지점에 존재하는 실리콘 단결정 성장방법.
20. 제15항에 있어서,

    상기 온도기울기는 상기 융액의 수직 방향 순간 온도기울기인 실리콘 단결정 성장방법.
21. 제15항에 있어서,

    상기 실리콘 융액의 온도를 단결정의 길이 방향과 평행한 축을 따라서 측정할 때 상기 축은 상기 실리콘 단결정의 중심을 관통하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장방법.
22. 제11항에 있어서,

    상기 실리콘 융액에 자기장을 인가한 상태에서 상기 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장방법.
23. 제22항에 있어서,

    상기 자기장으로는 상기 단결정의 길이 방향에 대해 수직 방향 또는 수평 방향의 자기장을 인가하거나, 또는 커스프(CUSP) 형태의 자기장을 인가하는 실리콘 단결정 성장방법.
24. 삭제

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