KR20110087035A - 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

실시예는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 성장장치는 융액(melt)를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 단결정 잉곳의 성장에 따라 변하는 융액(Melt) 잔존부피 비(α)에 따라 마그넷의 위치가 제어될 수 있다.

Description

단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼{Single Crystal Grower, Manufacturing Method for Single Crystal, and Single Crystal Ingot and Wafer Manufacturied by the same}
실시예는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
현재 CZ법에 의한 단결정 잉곳 제조방법에 있어 용융된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영도가니가 사용된다. 이러한 석영도가니는 실리콘 멜트와의 반응을 동반하여 멜트 내에 용해됨으로써 SiOx 형태로 전이되고 이는 잉곳 내로 혼입되어 미소 내부 결함(BMD) 등을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대하여 게터링 사이트로 작용하거나, 다른 한편으로는 각종 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 장치의 수율에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 단결정 잉곳 내 산소농도를 제어하기 위해 먼저 결정 성장로 내의 핫존(H/Z)을 상당 부분 변경시키는 방법이 있다. 예를 들어, 히터의 길이 조절이나, 슬릿 등을 조절하여 석영도가니의 용해 속도를 제어하는 방법은 많이 논의되어 왔다.
또한, 단결정 잉곳의 회전속도나 석영도가니의 회전 속도, 성장로 내 아르곤이나 압력 등을 조절하여 산소 농도를 제어하는 방법이 있다.
또 다른 방법으로 자기장을 이용하여 멜트 대류를 통한 산소농도 제어를 하는 방법이 있다.
한편, 종래의 기술에도 불구하고 저산소 농도에서의 결정길이 방향의 산소농도 편차 및 웨이퍼 면내 산소농도 편차를 제어하는 기술이 미약하다.
또한, 종래기술에서는 웨이퍼 면내 센터(Center)부와 에지(Edge)부의 산소농도를 상대적으로 제어하여 산포를 줄이는 기술은 제시하지 못하고 있다.
실시예는 저산소 구현 및 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 단결정 성장장치는 융액(melt)를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 단결정 잉곳의 성장에 따라 변하는 융액(Melt) 잔존부피 비(α)에 따라 마그넷의 위치가 제어될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단결정 성장방법은 융액(melt)를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 단결정 잉곳의 성장에 따라 변하는 융액(Melt) 잔존부피 비(α)에 따라 마그넷의 위치가 제어될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단결정 잉곳은 단결정 잉곳에 있어서, 축방향으로 산소편차가 균일할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 웨이퍼는, 반도체소자용 웨이퍼에 있어서, 상기 웨이퍼의 면내 센터와 에지의 산소분포가 균일할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼에 의하면, 종래기술 중 다양한 수준의 산소 농도 제어를 위한 핫존(H/Z) 교체와 같은 추가적인 조치가 불필요하다.
또한, 실시예에 의하면 단결정 잉곳 성장 과정 중, 융액(Melt) 잔존부피를 자기장을 이용하여 특정 비율로 분리하였을 경우 산소 산포제어가 용이해지는 방법을 이용하여 저산소 구현 및 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 융액(Melt) 잔존부피 비를 0.3~0.6으로 설정하여 마그넷(Magnet)의 위치를 결정하는 방법으로, 단결정의 길이가 증가할수록 MGP의 위치가 초기 중심부에서부터 융액(Melt) 표면으로 점차 상승하면서 제어되는 특성이 있으며, 이를 이용하여 저산소 구현 및 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있다.
특히, 실시예는 저산소 농도 웨이퍼의 단점인 웨이퍼 면내 산소농도 편차를 획기적으로 제어할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 개략도.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장장치를 적용하여 잔존 융액(Melt)의 전체부피인 Vt와 MGP위치의 상부에 있는 융액 부피인 Va를 특정비로 유지시키시면서 단결정을 성장시키는 방법에 대한 예시도.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 이동시켜 실시한 산소 농도의 거동 결과.
도 7은 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳이 성장함에 따라 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 융액표면으로 이동시켜 실시한 산소 농도의 거동 결과.
도 8는 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 융액표면으로 이동시켜 실시한 면내 산소농도 편차.
도 9는 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 Va/Vt가 0.3~0.6에서 거동할 때 Ha/Ht로 환산 시 비율도표.
이하, 실시예에 따른 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(실시예)
실시예는 수평형 마그넷(Horizontal type magnet)을 이용하여 석영도가니의 용해억제를 통하여 산소 농도를 제어하는 방법 중 MGP(최대자기장위치; Maximum Gauss Position) 위치를 조정하여 산소 농도를 제어하는 방법에 관한 것이다. 여기서 MGP는 융액의 자유표면(Melt Free Surface)으로부터 수평(Horizontal) 자기장의 중심까지의 거리를 의미한다.
잉곳 계면에 MGP가 가까이 위치하게 되면 상대적으로 히터(Heater)의 파워(Power)가 증가하게 되며, 이때 산소농도가 높아지게 되며, 멀리하면 산소농도가 낮아지는 경향을 보인다. 이는 석영도가니에서 용출되는 산소의 양을 자기장으로 제어하는 방법이다.
하지만 잉곳이 성장함에 따라 마그넷(Magnet)의 상대위치가 변하고 융액(Melt)의 양이 줄어들면서 융액 대류와 열환경이 변하게 된다. 이러한 영향으로 결정길이 방향으로 산소농도편차 및 웨이퍼(wafer)면 내 산소농도편차가 악화하는 문제점이 있으며, 단순히 마그넷(Magnet)을 이동시키는 방법으로는 산소농도 제어에 한계가 있다.
특히 저산소 농도구현에 있어서 강자기장의 사용으로, 융액 대류의 원활한 섞임이 줄어들어서, 웨이퍼 면내 산소농도 산포를 증가시킨다. 웨이퍼 면내 산소 농도 편차의 경우, 아래 수학식 1인 ORG(Oxygen Radial Gradient)로 표시할 수 있으며, 웨이퍼 면내 최대 산소 농도에 대한 산소 농도 편차의 비율을 의미한다.
Figure pat00001
수학식 1에서 저산소의 경우는 고산소의 경우보다, 같은 면내 산소농도 편차의 경우에도, 더 높은 ORG를 나타낸다. 즉, 면내 산소 농도 편차가 같을 경우(수학식 1에서 분자가 동일할 경우), 고산소 보다 저산소의 경우(수학식 1에서 분자의 값이 고산소는 높고, 저산소는 낮음) ORG값이 증가한다.
이에 실시예는 저산소 구현 및 잉곳 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있는 단결정 성장장치, 단결정 성장방법 및 이에 의해 성장된 단결정 잉곳과 웨이퍼를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 저산소 농도 웨이퍼(Wafer)의 단점인 웨이퍼 면내 산소농도 편차를 획기적으로 제어하고자 한다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)의 개략도이다.
실시예는 상기 과제를 해결하고자 단결정 잉곳 성장 과정 중 강자기장을 사용하고 도가니(110), 예를 들어 석영도가니에 저속(Low) RPM을 적용하여 도가니(110) 벽면에 가까운 융액(Melt)의 대류는 억제시킨 상태에서, 마그넷(Magnet)(120)의 위치를 특정 부피비로 계산된 값으로 위치시켜 잉곳의 결정 길이 방향으로의 산소 농도 편차를 제어할 수 있다. 특히, 웨이퍼(wafer) 면내 산소 농도를 균일하게 제어할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
도 1에서 Ha는 융액 표면으로부터 MGP까지의 거리계산 값이며, Ht는 융액 표면으로부터 도가니 밑면까지의 거리계산 값이다.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)를 적용하여 잔존 융액(Melt)의 전체부피인 Vt와 MGP위치의 상부에 있는 융액 부피인 Va를 특정비로 유지시키시면서 단결정을 성장시키는 방법에 대한 예시도이다.
실시예는 도가니(110) 벽면 가까운 곳의 융액(Melt)의 대류를 억제하기 위해 약 3000Gauss 이상으로 자기장을 인가하고, 도가니(110) 회전을 0.2RPM이하로 제어하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 초기 MGP는 Va/Vt의 비가 0.3 ~0.6 사이로 설정하였다. 잉곳(IG)이 성장함에 따라 마그넷(Magnet)(120)의 상대위치가 변하고 융액의 양이 줄어들면서 융액 대류가 변하게 된다. 이러한 조건에서 면내 산소농도 편차를 줄이기 위해 마그넷(120)을 이동시키면서 잉곳을 성장시킨 결과 길이별 마그넷(120) 이동 속도에 따라 웨이퍼의 센서(Center)부와 에지(Edge)부의 산소농도가 변하였다.
실시예에서 마그넷(120)의 위치(Mp)는 잔존 융액(Melt)의 특정부피비(α)로 환산하여 아래 수학식 2의 위치에 위치시킬 수 있다.
Figure pat00002
이때, Co는 도가니의 초기위치이고, Cj는 단결정 잉곳의 길이가 j일 때의 도가니의 위치이며, V[X]는 도가니 바닥에서 융액 표면(Melt surface)까지의 거리가 x만큼 감소했을 때의 전체 융액(Melt) 잔존부피(즉, 단결정 잉곳의 길이가 j일 때의 융액의 잔존부피)이며, α는 Va와 Vt의 비율(Va/Vt)이며, Vt는 융액의 전체잔존부피이고, Va는 MGP 위치보다 상부에 있는 융액의 잔존부피이며, F(x)는 x부피일 때의 융액 표면으로부터 MGP까지의 거리계산값(Ha)이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 이동시켜 실시한 산소 농도의 거동 결과이다.
예를 들어, 도 2는 수평형 마그넷(Horizontal-type Magnet)을 사용하여 면내 산포가 개선된 저산소농도의 웨이퍼 구현을 위하여 300mm 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 과정 중 마그넷(Magnet) 이동속도를 변경하여 실시한 산소 농도의 거동 결과이다.
구체적으로, 도 3은 Va와 Vt의 비율값인 α값을 감소함수로 설정한 경우이며, 도 4는 Va와 Vt의 비율값인 α값이 0.3인 경우이며, 도 5는 Va와 Vt의 비율값인 α값이 0.6인 경우이며, 도 6는 Va와 Vt의 비율값인 α값이 증가함수인 경우이다.
실시예에 의하면 Va와 Vt의 비율값인 α값을 0.3~0.6의 상수로 설정 후 실험을 한 결과, 웨이퍼 면내 산소 농도 산포가 개선되었으나, α값을 증가함수로 설정한 경우에는 에지(Edge)의 산소농도보다 센서(Center)부의 산소농도가 낮게 분포하였으며, α값을 감소함수로 설정한 경우에는 에지의 산소농도보다 센서부의 산소농도가 높게 분포하였다.
도 7은 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳이 성장함에 따라 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 융액표면으로 이동시켜 실시한 산소 농도의 거동 결과이다.
도 7의 결과에 의하면, 데이터는 "센터 산소농도, 에지 4 포인트 산소농도값"으로 α값이 0.3~0.6의 상수값일 때 산소농도 편차가 작으며, α값을 감소함수로 설정한 경우에는 에지의 산소농도보다 센터부의 산소농도가 높게 분포하였으며, α값을 증가함수로 설정한 경우에는 에지의 산소농도보다 센서부의 산소농도가 낮게 분포하였다.
도 8는 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 잔존 융액의 부피비를 이용하여 마그넷 위치를 융액표면으로 이동시켜 실시한 면내 산소농도 편차이다.
도 8에 의하면 Va와 Vt의 비율값인 α값이 0.3~0.6의 상수 값일 때 면내 산소농도 분포가 균일하며, 예를 들어 ORG 값이 4 이하일 수 있다.
한편, Va와 Vt의 비율값이 상기 범위를 벗어난 경우나, α값이 상수가 아닌 증가함수나 감소함수 조건일 때 면내 산소농도분포가 악화하는 경향이 있다.
도 9는 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 Va/Vt가 0.3~0.6에서 거동할 때 Ha/Ht로 환산 시 비율도표이다.
도 9에 의하면 Va/Vt가 0.3~0.6에서 거동할 때 Ha/Ht로 환산 시 비율이 고정되지 않고 단결정 길이가 증가할수록 비가 줄어들며, 잉곳 바디(Body) 후반으로 갈수록 비율감소가 가속되고 자기장의 위치는 초기위치에서 융액 표면으로 가속되어 이동하면서 제어될 수 있다.
실시예에 의하면 단결정 잉곳 성장 과정 중, 융액(Melt) 잔존부피를 자기장을 이용하여 특정 비율로 분리하였을 경우 산소 산포제어가 쉬워지는 방법을 이용하여 저산소 구현 및 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 융액(Melt) 잔존부피 비를 0.3~0.6으로 설정하여 마그넷(Magnet)의 위치를 결정하는 방법으로, 단결정의 길이가 증가할수록 MGP의 위치가 초기 중심부에서부터 융액(Melt) 표면으로 점차 상승하면서 제어되는 특성이 있으며, 이를 이용하여 저산소 구현 및 결정길이방향과 웨이퍼(Wafer) 면내 산소 편차를 효과적으로 제어할 수 있다.
특히, 실시예는 저산소 농도 웨이퍼의 단점인 웨이퍼 면내 산소농도 편차를 획기적으로 제어할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 융액(melt)를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서,
    단결정 잉곳의 성장에 따라 변하는 융액(Melt) 잔존부피 비(α)에 따라 마그넷의 위치가 제어되는 단결정 성장장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 융액(Melt) 잔존부피 비(α)를 0.3~0.6으로 설정하여 상기 마그넷(Magnet)의 위치를 결정하되,
    α=Va/Vt이고, Vt는 융액의 전체잔존부피이고, Va는 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)보다 상부에 있는 융액의 잔존부피인 단결정 성장장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 단결정 잉곳의 성정과정 중 단결정의 길이가 증가할수록 MGP의 위치가 융액의 중심부에서부터 융액(Melt) 표면으로 점차 상승하면서 제어되는 단결정 성장장치.
  4. 융액(melt)를 담을 수 있는 도가니 및 상기 도가니와 이격되어 상기 도가니의 둘레에 설치되는 마그넷을 포함하는 단결정 성장장치에 있어서,
    단결정 잉곳의 성장에 따라 변하는 융액(Melt) 잔존부피 비(α)에 따라 마그넷의 위치가 제어되는 단결정 성장방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 융액(Melt) 잔존부피 비(α)를 0.3~0.6으로 설정하여 마그넷(Magnet)의 위치를 결정하되,
    α=Va/Vt이고, Vt는 융액의 전체잔존부피이고, Va는 최대자기장위치(MGP: Maximum Gauss Position)보다 상부에 있는 융액의 잔존부피인 단결정 성장방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 단결정 잉곳의 성정과정 중 단결정의 길이가 증가할수록 MGP의 위치가 중심부에서부터 융액(Melt) 표면으로 점차 상승하면서 제어되는 단결정 성장방법.
  7. 단결정 잉곳에 있어서,
    축방향으로 산소편차가 균일한 단결정 잉곳.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 축방향에 수직한 면방향의 단면내의 센터와 에지의 산소분포가 균일한 단결정 잉곳.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 축방향에 수직한 면방향의 단면내의 ORG(Oxygen Radial Gradient)는,
    ORG=(Maximum Oi-Minimum Oi)/(Maximum Oi)로 표시되는 경우,
    ORG 값이 4 이하인 단결정 잉곳.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 단결정 잉곳은,
    상기 제 4항 내지 제 6항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 단결정 잉곳.
  11. 반도체소자용 웨이퍼에 있어서,
    상기 웨이퍼의 면내 센터와 에지의 산소분포가 균일한 웨이퍼.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 면내의 ORG(Oxygen Radial Gradient)가,
    ORG=(Maximum Oi-Minimum Oi)/(Maximum Oi)로 표시되는 경우,
    ORG 값이 4 이하인 웨이퍼.
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