JP2013519617A

JP2013519617A - 単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置

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Publication number: JP2013519617A
Application number: JP2012552784A
Authority: JP
Inventors: チョー、ヒョン−ジョン; リ、ホン−ウ; カク、マン−ソク; ムン、ジ−フン
Original assignee: エルジーシルトロンインコーポレイテッド
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2013-05-30
Also published as: US20110197809A1; DE112010005257T5; TWI427197B; WO2011099680A9; KR101266701B1; TW201144489A; WO2011099680A1; KR20110093341A

Abstract

本発明は、単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置に関する。本発明の単結晶冷却装置は、冷却部本体と、前記冷却部本体の内壁と外壁に冷却物質が移動できる通路とを含む単結晶冷却装置において、前記単結晶冷却装置は円筒形状であり、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置に関する。

半導体を製造するためにはウェハを製造しなければならず、ウェハを製造のためには、まず単結晶シリコンをインゴット形態に成長させなければならない。

一般的に、半導体回路の素材として用いられるシリコンは、いわゆるチョクラルスキー(Czochralski)法(以下、ＣＺ法とする)によってその単結晶が成長されており、最近、このようなシリコン単結晶に対する品質要求が厳しくなっている。

CZ法によるシリコン単結晶の成長において、結晶の冷却速度は、結晶の成長速度と様々な成長欠陥の形成挙動などに非常に大きい影響を与える要素である。

通常の単結晶インゴット成長装置において、水冷管は、ルツボ内でシリコン溶融物(melt)から引上げられながら成長する単結晶インゴットを速かに冷却させるための装置である。

従来の水冷管は、いわゆるホットゾーン(hot-zone)内部に位置するように成長チャンバーの上部に設置され、その内部で流動する冷却水の循環過程で、水冷管内の空き空間から引上げられる単結晶インゴットを冷却させるためのものである。

ところで、従来の水冷管は、その表面が不透明であるだけでなく、鏡面のように光沢を有しているので、単結晶インゴットおよびホットゾーンから発散される輻射熱を吸収できず、反射させる問題がある。これは結果的にインゴットの引上速度を低下させ、成長炉内部のホットゾーンの構造を変更しなければならないなどの多くの問題点を招いてします。

一方、このような問題を解決するために、既存の水冷管を改善しようとする試みがあるが、単結晶内の結晶欠陥を効果的に制御するのには限界がある。

本発明は、シリコン単結晶の冷却効率を実質的に最大化できる単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置を提供することを目的とする。

本発明の単結晶冷却装置は、冷却部本体と、前記冷却部本体の内壁と外壁に冷却物質が移動できる通路とを含む単結晶冷却装置において、前記単結晶冷却装置は円筒形状であり、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である。

また、本発明の単結晶成長装置は、単結晶成長のためのチャンバーと、前記チャンバー内に備えられたルツボと、前記ルツボを加熱できるヒーターと、前記チャンバーで成長する単結晶を冷却させる冷却装置とを含み、前記単結晶冷却装置は円筒形状であり、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は前記単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である。

本発明の単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置によれば、シリコン単結晶の冷却過程を正確に分析することで、実質的に冷却効率を最大化することができる。

また、本発明によれば、冷却装置の形状または素材のデザインを改善することで、冷却効率を適正レベル以上に向上させ、結果的に２０nmの結晶欠陥を制御することができる。

また、本発明によれば、２０nmの結晶欠陥が制御された製品の収率向上と共に結晶の引上速度を増加させることで、生産性が大きく向上する効果も発現できる。

実施例に係る単結晶の成長装置の例示図である。実施例に係る単結晶の冷却装置の上面例示図である。実施例に係る単結晶の冷却装置の断面例示図である。実施例に係る単結晶冷却装置が備えられた単結晶成長装置を利用した単結晶成長時の効果を示す図である。

実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターンまたは構造物が基板、各層(膜)、領域、パッドまたはパターンの「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は「直接」または「他の層を介して」形成されるものを全部含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面における各構成要素の大きさは、説明の便宜を図って誇張されることがあり、実際適用される大きさを意味するものではない。

(実施例)
図１は、実施例に係る単結晶の成長装置の例示図である。

実施例に係るシリコン単結晶成長装置１００は、チャンバー１１０、ルツボ１２０、ヒーター１３０、引上手段１４０および冷却装置１６０等を含むことができる。

例えば、実施例に係る単結晶成長装置１００は、チャンバー１１０と、前記チャンバー１１０の内部に備えられ、シリコン溶液を収容するルツボ１２０と、前記チャンバー１１０の内部に備えられ、前記ルツボ１２０を加熱するヒーター１３０および単結晶成長時に単結晶を冷却させる冷却装置１６０を含むことができる。

前記チャンバー１１０は、半導体などの電子部品の素材として用いられるシリコンウェハ用単結晶インゴットを成長させるための所定の工程が行われる空間を提供する。ここで、シリコン単結晶インゴットＩＧを成長させる代表的な製造方法としては、単結晶である種結晶Ｓをシリコン融液ＳＭに漬けた後、ゆっくり引上げながら結晶を成長させるＣＺ法を採用することができる。

この方法によれば、種結晶Ｓから細長い結晶を成長させるネッキング(necking)工程と、結晶を直径方向に成長させて目標直径とするショルダーリング(shouldering)工程と、一定の直径を有する結晶に成長させるボディグローイング(body growing)工程と、一定の長さにボディグローイングが進んだ後、結晶の直径を徐々に減少させて最終的に溶融シリコンと分離させるテーリング(tailing)工程を順に経ることで、単結晶インゴットＩＧの成長が完了する。

前記チャンバー１１０の内壁には、ヒーター１３０の熱が前記チャンバー１１０の側壁部に放出されないように輻射断熱体１３２が設置される。

実施例では、シリコン単結晶成長時の酸素濃度を制御するために、石英ルツボ１２０の回転速度、チャンバー内部の圧力条件など多様な因子を調節することができる。例えば、実施例は酸素濃度を制御するために、シリコン単結晶成長装置のチャンバー１１０内部に、アルゴンガスを注入して下部に排出することができる。

前記ルツボ１２０は、シリコン融液ＳＭを収容できるように、前記チャンバー１１０の内部に備えられ、石英材質からなることができる。前記ルツボ１２０の外部には、ルツボ１２０を支持できるように黒鉛からなるルツボ支持台１２２が備えられる。前記ルツボ支持台１２２は、回転軸１２５上に固定設置され、この回転軸１２５は駆動手段(図示されない)により回転され、ルツボ１２０を回転および昇降運動させながら、固液界面が同じ高さを維持するようにする。

前記ヒーター１３０は、ルツボ１２０を加熱するようにチャンバー１１０の内部に備えられる。例えば、前記ヒーター１３０は、ルツボ支持台１２２を取り囲む円筒形状を有することができる。このようなヒーター１３０は、ルツボ１２０内に搭載された高純度の多結晶シリコン塊を溶融させてシリコン融液ＳＭとすることになる。

前記引上手段１４０は、ケーブルを巻いて引上げることができるように、チャンバー１１０の上部に設置することができる。このケーブルの下部には、ルツボ１２０内のシリコン融液ＳＭに接触して引上げられながら単結晶インゴットＩＧを成長させる種結晶Ｓが設置される。前記引上手段１４０は、単結晶インゴットＩＧの成長時ケーブルを巻いて引上げながら回転運動し、この時シリコン単結晶インゴットＩＧは、ルツボ１２０の回転軸１２５と同一軸を中心として、ルツボ１２０の回転方向と反対方向に回転させながら引上げることができる。

前記単結晶インゴットＩＧの成長時、ルツボからの熱を遮断するための熱遮蔽手段１５０が、単結晶インゴットＩＧとシリコン融液ＳＭの間に設置される。

以下、実施例に係る単結晶冷却装置およびこれを含む単結晶成長装置に対する技術的背景を説明する。

数１０ナノスケールの回路線幅を有するナノ技術半導体メモリーデバイス時代の到来に伴い、シリコンウェハ内の結晶欠陥の規格も共に厳しくなっている。例えば、過去２０００年度前後では、１００nmの大きさまでの欠陥しか規格化していなかったが、最近では４５nm、さらには３７nmの大きさまでも問題視されている。

実施例は、無欠陥シリコン単結晶製造方法として、ボロンコフ(Voronkov)理論に基づいたＶ/Ｇ制御技術を採用することができる。ここで、Ｖは単結晶の成長速度(すなわち、引上速度)であり、Ｇは成長界面付近における温度勾配である。結晶成長中にＶ/Ｇパラメータ(parameter)を特定臨界値に近くなるように維持させると、結晶化しながら発生する点欠陥の濃度を過飽和しないようにすることができ、結果的に凝集した結晶欠陥がない点欠陥のみが存在する無欠陥単結晶を得ることができる。

しかし、現実的に結晶半径方向への温度勾配を非常に一定するように維持させることはほぼ不可能であるので、無欠陥引上速度のマージンが狭くなる。実際シリコン単結晶の成長において、一定する単結晶直径を得るために引上速度を調節することになるので、引上速度のマージンからわずかずれて点欠陥の過飽和が発生することがある。

もし結晶成長中に、V(Vacancy)-richであるバカンシー(Vacancy)過飽和がわずか発生すると、その過飽和によって熱力学的にエネルギーが上昇するので、過飽和を解消するために凝集現象が起きることができる。このような凝集現象は一つの物理化学反応(kinetics)として扱われる。

近頃、ボイド(Void)欠陥の発生を制御する技術が研究されているが、最近イシューとなっている２０nm大きさレベルの欠陥まで制御するには限界がある。

ここで、実施例は、シリコン単結晶の冷却効率を実質的に最大化できる単結晶冷却装置およびこれを用いた単結晶成長装置を提供することを目的とする。

結晶欠陥が形成される過程は、液体から固体へと結晶化しながら発生する（ｉ）点欠陥形成段階と、結晶が冷却しながら過飽和によって互いに凝集する（ｉｉ）相互反応段階からなっている。以上のような結晶欠陥形成挙動を数式化すると、以下のようである。

（ｉ）点欠陥形成段階

ここで、ＣｖはＶ/Ｇｓ≦ξの時０であり、Ｖ/Ｇｓの増加に応じて増加する。

Ｃｖは、結晶化直後の結晶内のバカンシー濃度として、ボロンコフ理論に基づいて臨界値ξに対するＶ/Ｇｓの差により決定され、固液界面付近の結晶内の垂直温度勾配Ｇｓが減少するほど、または結晶引上速度Ｖが増加するほど増加することになる。実験的に、バカンシー濃度Ｃｖは以下の数２のように１次式で簡略化することができる。さらに、熱均衡方程式(Heat balance equation)からＶ/Ｇｓは数３のように表すことができる。

(ここで、ＫＳは固相の熱伝達係数、ＫＬは液相の熱伝達係数、Ｇｓは結晶の垂直温度勾配、ＧＬは液相の垂直温度勾配である)

これによって、単結晶引上速度Ｖは、以下のように数４で表すことができる。

以上から、結晶の垂直温度勾配Ｇｓが初期バカンシー濃度を決定する重要な因子であることが分かる。

（ｉｉ）相互反応段階
上記のように、初期バカンシー濃度が決定されると、結晶の冷却過程中に外部拡散および過飽和による凝集現象などの挙動が起きる。このようなバカンシー挙動は、冷却速度の影響を受けることになる。冷却速度Ｑ(cooling rate)は、結晶の温度勾配(単位の長さ当たりの温度差)と単位時間当り結晶が引上げられる速度である引上速度に直接的に比例するので、以下の数５で表すことができる。

ここで、Ｖを数４で表した式に代入すると、数５のようにＧｓの二乗に比例することになる。即ち、冷却速度ＱはＧｓに相当な影響を受けることになるので、Ｇｓの向上がバカンシーが凝集する挙動を効果的に制御できることを予想できる。

ここで、αは固液界面付近ＧｓとV-rich欠陥形成温度区間のＧｓの比例定数として、熱シールド構成および冷却装置構成に応じて０.５〜１.５程度の値を有する。

上記内容によれば、点欠陥濃度および結晶欠陥挙動に大きく影響を与える因子は、結晶の温度勾配Ｇｓであることが分かる。

また、結晶化以後の冷却過程で点欠陥濃度の過飽和による点欠陥間の相互反応時、早い冷却によって点欠陥凝集現象を抑制する必要がある。このためには、結晶の温度勾配Ｇｓをさらに向上させることが好ましい。

図２は、実施例に係る単結晶の冷却装置１６０の上面例示図であり、図３は実施例に係る単結晶の冷却装置１６０の断面例示図である。

実施例は、従来技術による冷却効率の増大限界を克服することで、実質的に２０nmの結晶欠陥を制御することを目的とする。冷却効率を増大させるためには、成長中の単結晶からより多くの輻射熱を吸収することが必要であり、以下の数６で表すように２つの方法が提案される。
（数６）
Radiation_Heat=Aεσ×(T４_crystal-T４_cooler)
(Ａは冷却装置(cooler)の表面積、εは放射率、σはボルツマン定数、T_Crystalは結晶の表面温度、T_Coolerは冷却装置の表面温度)

実施例では、２０nmの結晶欠陥を制御するためには、冷却装置の内径Ｒ１を増大させることで表面積を広め、さらには冷却装置の表面の放射率をより増大させることが好ましい。

実施例に係る単結晶冷却装置１６０は、円筒形状からなることができ、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である。例えば、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍ないし２.０倍にすることができるが、これに限定されるものではない。

また、実施例に係る単結晶の冷却装置１６０は、冷却部本体１６２と、前記冷却部本体１６２の内壁と外壁に冷却物質が移動できる通路(図示されない)と、前記冷却部本体１６２の表面に形成されたコーティング層１６４を含むことができる。前記冷却物質は冷却水からなることができるが、これに限定されるものではない。

例えば、前記コーティング層１６４は、冷却部本体１６２の内部表面に形成された第１コーティング層１６４ａと前記冷却部本体の外部表面に形成された第２コーティング層１６４ｂを含むことができるが、これに限定されるものではない。

実施例では、前記コーティング層１６４は、冷却装置表面の放射率を最大化できる炭素ナノチューブコーティング層やセラミックコーティング層からなることができるが、これに限定されるものではない。

図４は、実施例に係る単結晶冷却装置が備えられた単結晶成長装置を利用した単結晶成長時の効果を示す図である。また表１は、単結晶冷却装置の内径およびコーティング層の材質に応じた冷却速度および欠陥比率の実験例である。

<比較例>
比較例１は、冷却装置、例えば水冷管内部に円筒形状の黒鉛管を密着挿入して、Ｇｓ値を評価したものである。比較例２は、水冷管内部をセラミックコーティングして、Ｇｓ値を評価したものである。

比較例１に比べて比較例２の方がＧｓ値が向上していることが分かるが、結晶の冷却速度は１.２９K/minとして、２０nmの結晶欠陥を制御できるレベル(１.４K/min以上)の冷却速度を達成することはできなかった。比較例の結晶引上速度は約０.５mm/minであった。

<実施例>
実施例１では、セラミックコーティング冷却装置の内径Ｒ１を既存に比べて約３３％広げ、結晶引上速度を無欠陥成長が可能となるように調整することで、結晶冷却速度が１.５K/minを超えることを確認できた。冷却速度が１.５K/minを超えることで、２０nmの欠陥の発生比率が大幅に改善された。

実施例２は、炭素ナノチューブを冷却装置内部にコーティングした後、結晶引上速度を０.５５mm/minに上げた時Ｇｓ値を評価したものである。冷却速度の場合、２０nmの結晶欠陥を制御できるレベルである１.４４K/minに達していることが分かる。

実施例３は、冷却装置の内径Ｒ１を既存に比べて約３３％広げ、炭素ナノチューブを冷却装置内部にコーティングした後、結晶の引上速度を０.６mm/minに上げた時Ｇｓ値を評価したものである。実施例３は、実施例１、２よりもさらに冷却速度を向上させることで、より優れる２０nmの結晶欠陥の制御効果を期待できる。

以上の実施例で説明された特徴、構造、効果などは、少なくとも１つの実施例に組合せることができ、必ず１つの実施例に限定されるものではない。また、各実施例に例示した特徴、構造、効果などは、当業者であれば、別の実施例に組合せたり変形して実施可能であり、このような組合と変形も本発明の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

また、以上では実施例を中心に本発明を説明したが、これは例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることは自明である。例えば、実施例に具体的に開示された各構成要素は、変形して実施可能であり、このような変形と応用に係る差異点も、添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

Claims

冷却部本体と、
前記冷却部本体の内壁と外壁に冷却物質が移動できる通路と、
を含む単結晶冷却装置において、
前記単結晶冷却装置は円筒形状であり、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である、単結晶冷却装置。
前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶冷却装置が適用されて成長する単結晶の内径Ｒ２の１.５倍ないし２.０倍である、請求項１に記載の単結晶冷却装置。
前記冷却部本体の表面に形成された炭素ナノチューブコーティング層をさらに含む、請求項１に記載の単結晶冷却装置。
前記冷却部本体の表面に形成されたセラミックコーティング層をさらに含む、請求項１に記載の単結晶冷却装置。
単結晶成長のためのチャンバーと、
前記チャンバー内に備えられたルツボと、
前記ルツボを加熱できるヒーターと、
前記チャンバーで成長する単結晶を冷却させる冷却装置と、
を含み、
前記単結晶冷却装置は円筒形状であり、前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は前記単結晶の内径Ｒ２の１.５倍以上である、単結晶成長装置。
前記単結晶冷却装置の第１内径Ｒ１は、前記単結晶の内径Ｒ２の１.５倍ないし２.０倍である、請求項５に記載の単結晶成長装置。
前記冷却装置は、冷却部本体と、前記冷却部本体の内部表面に形成された炭素ナノチューブコーティング層とを含む、請求項５に記載の単結晶成長装置。
前記冷却部本体の外部表面に形成された第２コーティング層をさらに含む、請求項７に記載の単結晶成長装置。
前記冷却装置は、冷却部本体と、前記冷却部本体の内部表面に形成されたセラミックコーティング層とを含む、請求項５に記載の単結晶成長装置。
前記冷却部本体の外部表面に形成された第２コーティング層をさらに含む、請求項９に記載の単結晶成長装置。