JP2018510839A - シリコン単結晶インゴットの成長装置及び方法 - Google Patents

Abstract

実施例は、チャンバ；前記チャンバの内部に具備され、シリコン融液が収容されるるつぼ；前記るつぼの下部に配置されるるつぼ支持台と回転軸；前記チャンバの内部に具備され、前記シリコン融液を加熱するヒーター；前記シリコン融液から成長するインゴットを回転しながら引き上げる引き上げ手段；および前記るつぼに水平磁場を印加する磁場発生ユニットを含み、前記回転軸が前記るつぼを回転させる第1方向と前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第2方向は互いに同一なシリコン単結晶インゴットの成長装置を提供する。

Description

実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長装置及び方法に関するものであり、より詳細には高ドーピングシリコン単結晶インゴットにおいて直径方向と半径方向の酸素濃度の均一性を確保しようとする。

通常のシリコンウェハーは、単結晶インゴット（Ｉｎｇｏｔ）を作るための単結晶成長工程と、単結晶インゴットをスライシング（Ｓｌｉｃｉｎｇ）して薄い円板状のウェハーを得るスライシング工程と、前記スライシング工程によって得られたウェハーの割れ、歪みを防止するためにその外周部を加工するグラインディング（Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）工程と、前記ウェハーに残存する機械的加工による損傷（Ｄａｍａｇｅ）を除去するラッピング（Ｌａｐｐｉｎｇ）工程と、前記ウェハーを鏡面化する研磨（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程と、研磨されたウェハーを研磨してウェハーに付着した研磨剤や異物を除去する洗浄工程とを含んで成り立つ。

単結晶成長は、フローティングゾーン（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ：ＦＺ）方法またはチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ、以下、ＣＺと称する）方法を多く使用して来た。これらの方法の中で最も一般化されている方法がＣＺ方法である。

ＣＺ方法においては、石英るつぼに多結晶シリコンを装入し、これを黒煙発熱体によって加熱して溶融させた後、溶融の結果形成されたシリコン溶融液に種子結晶を浸して界面で結晶化が起きる時シードを回転しながら引き上げることによって単結晶のシリコンインゴットを成長させる。

シリコン単結晶の成長過程で成長履歴による結晶欠陥及び望まない不純物として特に酸素がシリコン単結晶に含まれるようになる。このように陥入された酸素は半導体素子の製造工程で加えられる熱によって酸素沈殿物（ｏｘｙｇｅｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ）に成長するようになるが、この酸素沈殿物はシリコンウェハーの強度を補強して金属汚染元素を捕獲するなど内部ゲッタリング（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）サイトとして作用するなど有益な特性を示しもするが、半導体素子の漏洩電流及び不良（ｆａｉｌ）を誘発する有害な特性を示す。

したがって、シリコン単結晶インゴットから製造されたウェハーの酸素濃度を長さ方向及び半径方向で均一にする必要があり、シリコン単結晶インゴットを成長させるときの工程変数であるシード（ｓｅｅｄ）回転速度、るつぼ回転速度、融液（ｍｅｌｔ）表面と熱遮蔽材（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）との間の間隔であるメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ）、インゴットの引き上げ速度（ｐｕｌｌ ｓｐｅｅｄ）、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏｎｅ）のデザイン変更、窒素や炭素などの第３の元素ドーピングなどを通じて酸素濃度を調節することができる。

しかし、現在、製造されたシリコン単結晶インゴットから求められたウエハーの場合、特に端部に環形で酸素濃度が不均一な領域が発見されており、前述した内部ゲッタリング特性の不均一に起因し得る。

実施例は、シリコン単結晶の成長時に長さ方向及び半径方向の酸素濃度の均一性を向上させようとする。

実施例は、チャンバ；前記チャンバの内部に具備され、シリコン溶液が収容されるるつぼ；前記るつぼの下部に配置されるるつぼ支持台と回転軸；前記チャンバの内部に具備され、前記シリコン溶液を加熱するヒーター；前記シリコン溶液から成長するインゴットを回転しながら引き上げる引き上げ手段；及び前記るつぼに水平磁場を印加する磁場発生ユニットを含み、前記回転軸が前記るつぼを回転させる第１方向と前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第２方向は互いに同一なシリコン単結晶インゴットの成長装置を提供する。

ヒーターは、最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に形成されるようにるつぼの周辺を加熱することができる。

ヒーターは、最大発熱位置が前記ＭＧＰより１００ないし２００ｍｍ下部に形成されるようにるつぼの周辺を加熱することができる。

ヒーターと引き上げ手段は、シリコン溶液の半径方向の端部に均一に拡散境界層が分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。

ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン溶液の表面から12ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼを加熱し、前記インゴットを引き上げることができる。

ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記のシリコン溶液の端部から３００ミリメートル以上の直径に分布するように前記るつぼを加熱し、前記インゴットを引き上げることができる。

他の実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長方法において、インゴットとるつぼを同一の方向に回転させ、最大発熱位置をＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に位置させるシリコン単結晶インゴットの成長方法を提供する。

拡散境界層がシリコン溶液の半径方向の端部に均一に分布することができる。

拡散境界層は、前記シリコン溶液の表面から１２ミリメートル下部で３００ミリメートル以上の直径に分布することができる。

シリコン溶液内で深さ方向に前記シリコン溶液の流れが一定することができる。

最大発熱位置を前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に位置させることができる。

前述した工程でシリコン単結晶インゴットを成長させる時、シリコン溶液の流れが一定して、拡散境界層がインゴットの端部に分布して、製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が一定して、比抵抗が改善されたことがわかる。

実施例による単結晶インゴット製造装置を示した図である。 シリコン単結晶インゴットの成長時に最大ガウス地点（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｇａｕｓｓ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の移動を示した図である。 従来の最大発熱位置と実施例による最大発熱位置を示した図である。 図４ａないし図４ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン溶液の流れを比較例とともに示した図である。 図５ａないし図５ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン溶液内の酸素の分布を比較例とともに示した図である。 実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法で酸素濃度の均一度を示した図である。 比較例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法で酸素濃度の均一度を示した図ある。

以下、本発明を具体的に説明するため、実施例を挙げて説明し、発明に対する理解を助けるために添付図面を参照して詳細に説明しようとする。しかし、本発明による実施例は様々な他の形態に変形され得、本発明の範囲が下で記述する実施例に限定されるものと解釈されてはいけない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を有した者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

本発明による実施例の説明において、各ｅｌｅｍｅｎｔの“上（うえ）”または“下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）”に形成されるものと記載される場合において、上（うえ）または下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）は、二つのｅｌｅｍｅｎｔが互いに直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触したり一つ以上の他のｅｌｅｍｅｎｔが前記二つのｅｌｅｍｅｎｔの間に配置されて（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）形成されるものをすべて含む。また“上（うえ）”または“下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）”と表現される場合、一つのｅｌｅｍｅｎｔを基準に上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。

また、以下で用いられる“第１”及び“第２”、“上部”及び“下部”などのような関係的用語は、その実体または要素などの間のどんな物理的または論理的関係または手順を必ず要求したり内包したりせず、ある一の実体または要素を他の実体または要素と区別するためにのみ利用され得る。

図面において、各層の厚さや大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張されたり省略されたりまたは概略的に図示された。また各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映したものではない。

図１は、実施例による単結晶インゴット製造装置を示した図である。

実施例によるシリコン単結晶インゴット製造装置（１００）はチャンバー（１１０）、るつぼ（１２０）、ヒーター（１３０）、引き上げ手段（１５０）などを含むことができる。詳しくは、実施例によるシリコン単結晶インゴット製造装置（１００）は、チャンバー（１１０）と、前記チャンバー（１１０）の内部に具備され、シリコン溶液を収容するるつぼ（１２０）と、前記チャンバー（１１０）の内部に具備され、前記るつぼ（１２０）を加熱するヒーター（１３０）及び種子結晶（１５２）が一端に結合された引き上げ手段（１５０）とるつぼ（１２０）に水平磁場を印加する磁場発生ユニット(図示せず)を含むことができる。

チャンバ（１１０）は、半導体などの電子部品素材として使用されるシリコンウェハー（ｗａｆｅｒ）用の単結晶インゴット（ｉｎｇｏｔ）を成長させるための所定の工程が遂行される空間を提供する。

チャンバ（１１０）の内壁においては、ヒーター（１３０）の熱が前記チャンバ（１１０）の側壁部に放出されないように輻射断熱体（１４０）が設置され得る。

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るつぼ（１２０）の回転速度やチャンバ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（１１０）内部にアルゴンガスなどを注入して下部に排出することができる。

前記るつぼ（１２０）は、シリコン溶融液を収容することができるように前記チャンバ（１１０）の内部に具備され、石英などからなることができる。前記るつぼ（１２０）の外部にはるつぼ（１２０）を支持することができるように黒煙からなるるつぼ支持台（図示せず）が具備され得る。前記るつぼ支持台は、回転軸（図示せず）上に固定設置され、この回転軸は、駆動手段（図示せず）によって回転されてるつぼ（１２０）を回転及び昇降運動させながら固−液界面、すなわち、固化されたインゴットとシリコン溶液の境界面が同一な高さを維持するようにできる。

また、前記回転軸は、前記るつぼを回転させる第１方向に回転させ、前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第２方向に回転させることができるが、第１方向と第２方向は互いに同一とすることができる。

ヒーター（１３０）は、るつぼ（１２０）を加熱するようにチャンバ（１１０）の内部に具備され得、例えば、前記ヒーター（１３０）は、るつぼ支持台を囲む円筒状に成り立つことができる。このようなヒーター（１３０）は、るつぼ（１２０）内に積載した高純度の多結晶シリコンの塊を溶融してシリコン溶液にするようになる。

ヒーター（１３０）は、供給される熱によってるつぼ（１２０）が加熱されるが、るつぼの高さによる領域ごとに温度が異なる場合があり得、温度が最も高い領域はヒーターの最大発熱位置と対応することができる。

実施例による、シリコン単結晶インゴット成長のための製造方法としては、単結晶である種子結晶（ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ、１５２）をシリコン溶液に浸した後ゆっくり引き上げながら結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋ：ＣＺ）法を採用することができる。

チョクラルスキー法を詳しく説明すれば下のとおりである。

種子結晶（１５２）から細くて長い結晶を成長させるネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）工程を経ると、結晶を直径方向に成長させて目標直径に作るショルダーリング（ｓｈｏｕｌｄｅｒｉｎｇ）工程を経て、以後には一定な直径を有する結晶に成長させるボディーグロイング（ｂｏｄｙ ｇｒｏｗｉｎｇ）工程を経て、一定な長さだけボディーグロイングが進行された後には結晶の直径を徐徐に減少させて結局溶融シリコンと分離するテーリング（ｔａｉｌｉｎｇ）工程を経て単結晶成長が仕上げられる。

本実施例においては、シリコン溶液にはＰ−タイプのドーパントとしてＢ（ボロン）が、Ｎ−タイプのドーパントとしてＡｓ（砒素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）などがドーピングされ得る。高濃度のドーパントが投入される場合、ドーパントの濃度によってＶ／Ｇ（ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ／ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ）すなわち、温度勾配に対するインゴットの成長速度が変化することができ、これによってインゴットの内部、特にボディー（ｂｏｄｙ）領域内で酸素濃度が変化することができる。

本実施例においては、インゴットの成長時にインゴットとるつぼを同一の方向に回転させ、最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に位置するようにヒーターを配置し、インゴットの長さ方向と半径方向（面内方向）からの酸素濃度を一定にして生産されるウエハーの比抵抗を一定にすることができる。

詳細には、前記磁場印加ユニットによってるつぼ（１２０）の周辺に磁場が印加されるが、磁場の強さが最も強い領域をＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）と言うことができる。この時、ヒーターと磁場は最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に形成されるように前記るつぼ（１２０）の周辺を加熱してるつぼの周辺に磁場を印加することができ、詳細には最大発熱位置が前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に形成されるようにすることができる。

図２は、シリコン単結晶インゴットの成長時に最大ガウス地点（Ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の移動を示した図である。

図２において、最大ガウス地点（ＭＧＰ）は、るつぼ内部の領域である“Ａ”や上部チャンバーの領域である“Ｂ”の境界面の上下に移動することができるが、ＭＧＰは前述した境界から“Ａ”方向に“ａ”そして、“Ｂ”方向に“ｂ”の範囲内で移動できるが、そのとき、ヒーターの最大発熱位置は前述したＭＧＰより下部に位置することができる。

図３は、従来の最大発熱位置と実施例による最大発熱位置を示した図である。

実施例においては、図示した通り、従来より最大発熱位置が下部に位置し、特に、最大発熱位置がＭＧＰより１００ミリメートルないし２００ミリメートル下部の距離（ｄ）に位置させることができる。この時、シリコン溶液の流れ（ｆｌｏｗ）を変化させることができ、最大発熱位置がＭＧＰより２００ミリメートル以上下部に位置すると、シリコン溶液上部の流れが乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）になり得、０ないし１００ミリメートル下部に位置すると、シリコン溶液下部の流れが乱流になり得る。

実施例においては、最大発熱位置をMGPより１００ミリメートルないし２００ミリメートル下部に位置させ、シリコン融液の深さ方向、すなわち図１の上下方向回への流れを一定にすることができる。

成長するインゴットから製造されるシリコンウェハーのハイゲッタリング（ｈｉｇｈ ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）および均一性（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）向上のために、インゴット内から酸素濃度が長さ方向および半径方向に一定であることが有利である。これのために拡散境界層が成長中のシリコン融液の表面から１２ミリメートル程度の深さで、約３００ミリメートルの直径外部の領域に分布することができる。実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法においてシリコン融液内の拡散境界層が半径方向の端部に均一に分布できるが、拡散境界層はシリコン融液の温度を測定して確認することができる。

このとき、前記のヒーターと引き上げ手段は、前記シリコン融液の半径方向の端部に均一に拡散境界層が分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。詳細には前記ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン融液の表面から１２ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。

詳細には拡散境界層は、拡散速度が１０^-8ｍ²/初程度である領域であり、本実施例において１７００ケルビン（Ｋｅｌｖｉｎ）程度の温度で拡散境界層は最大直径が３２０ミリメートルであり得る。

図４ａないし図４ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の流れを比較例とともに示した図である。

左側がシリコン融液の表面でのシリコン融液の流れであり、右側に行くほど下部領域での流れを示し、最右側はるつぼの底面でのシリコン融液の流れを示す。

図４ｂと図４ｃの第1実施例と第2実施例、特に第1実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の流れのパターンが下部領域でも維持されるが、従来技術の場合、シリコン融液の流れのパターンが下部では薄れ得る。。

図５ａないし５ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の酸素の分布を比較例とともに示した図である。図５ｂと図５ｃにおいて拡散境界層がインゴットの端部で維持されてシリコン融液の速度変化が抑制されて酸素濃度が深さ方向に２２００ミリメートルまで均一であるが、図５ａの比較例の場合、シリコン融液の流れが一定せず酸素濃度が深さ方向に２０００ミリメートルで不均一であり得る。

図６ａは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法において酸素濃度の均一度を示した図面であり、図６ｂは、比較例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法において酸素濃度の均一度を示した図である。

図６ａにおいて、シリコンウェハーは、直径がそれぞれ１８０ミリメートルと２２０ミリメートルであり、比抵抗がそれぞれ０．０９と０．１１であり、一つのインゴットから製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が半径方向でほとんど均一である。図６ｄにおいてシリコンウェハーは、直径が１１０ミリメートルと１８０ミリメートルであり、比抵抗がそれぞれ０．１６と０．１９であり、一つのインゴットから製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が半径方向で大きい散布を示している。

したがって、前述した実施例による工程でシリコン単結晶インゴットを成長させる時、シリコン融液の流れが一定して、拡散境界層がインゴットの端部に分布して、製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が一定し、比抵抗が改善されることがわかる。

以上、実施例を中心に説明したがこれは単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有した者であれば本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上で例示されていない様々な変形と応用が可能であることが理解できるだろう。例えば、実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものである。そして、このような変形と応用に係る差異点は添付された請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

［産業上利用可能性］
実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長装置および方法は、シリコン単結晶インゴットで直径方向と半径方向の酸素濃度の均一性を向上させることができる。

実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長装置及び方法に関するものであり、より詳細には高ドーピングシリコン単結晶インゴットにおいて直径方向と半径方向の酸素濃度の均一性を確保しようとする。

通常のシリコンウェハーは、単結晶インゴット（Ｉｎｇｏｔ）を作るための単結晶成長工程と、単結晶インゴットをスライシング（Ｓｌｉｃｉｎｇ）して薄い円板状のウェハーを得るスライシング工程と、前記スライシング工程によって得られたウェハーの割れ、歪みを防止するためにその外周部を加工するグラインディング（Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）工程と、前記ウェハーに残存する機械的加工による損傷（Ｄａｍａｇｅ）を除去するラッピング（Ｌａｐｐｉｎｇ）工程と、前記ウェハーを鏡面化する研磨（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程と、研磨されたウェハーを研磨してウェハーに付着した研磨剤や異物を除去する洗浄工程とを含んで成り立つ。

単結晶成長は、フローティングゾーン（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ：ＦＺ）方法またはチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ、以下、ＣＺと称する）方法を多く使用して来た。これらの方法の中で最も一般化されている方法がＣＺ方法である。

ＣＺ方法においては、石英るつぼに多結晶シリコンを装入し、これを黒煙発熱体によって加熱して溶融させた後、溶融の結果形成されたシリコン溶融液に種子結晶を浸して界面で結晶化が起きる時シードを回転しながら引き上げることによって単結晶のシリコンインゴットを成長させる。

シリコン単結晶の成長過程で成長履歴による結晶欠陥及び望まない不純物として特に酸素がシリコン単結晶に含まれるようになる。このように陥入された酸素は半導体素子の製造工程で加えられる熱によって酸素沈殿物（ｏｘｙｇｅｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ）に成長するようになるが、この酸素沈殿物はシリコンウェハーの強度を補強して金属汚染元素を捕獲するなど内部ゲッタリング（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）サイトとして作用するなど有益な特性を示しもするが、半導体素子の漏洩電流及び不良（ｆａｉｌ）を誘発する有害な特性を示す。

したがって、シリコン単結晶インゴットから製造されたウェハーの酸素濃度を長さ方向及び半径方向で均一にする必要があり、シリコン単結晶インゴットを成長させるときの工程変数であるシード（ｓｅｅｄ）回転速度、るつぼ回転速度、融液（ｍｅｌｔ）表面と熱遮蔽材（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）との間の間隔であるメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ）、インゴットの引き上げ速度（ｐｕｌｌ ｓｐｅｅｄ）、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏｎｅ）のデザイン変更、窒素や炭素などの第３の元素ドーピングなどを通じて酸素濃度を調節することができる。

しかし、現在、製造されたシリコン単結晶インゴットから求められたウエハーの場合、特に端部に環形で酸素濃度が不均一な領域が発見されており、前述した内部ゲッタリング特性の不均一に起因し得る。

実施例は、シリコン単結晶の成長時に長さ方向及び半径方向の酸素濃度の均一性を向上させようとする。

実施例は、チャンバ；前記チャンバの内部に具備され、シリコン溶液が収容されるるつぼ；前記るつぼの下部に配置されるるつぼ支持台と回転軸；前記チャンバの内部に具備され、前記シリコン溶液を加熱するヒーター；前記シリコン溶液から成長するインゴットを回転しながら引き上げる引き上げ手段；及び前記るつぼに水平磁場を印加する磁場発生ユニットを含み、前記回転軸が前記るつぼを回転させる第１方向と前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第２方向は互いに同一なシリコン単結晶インゴットの成長装置を提供する。

ヒーターは、最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に形成されるようにるつぼの周辺を加熱することができる。

ヒーターは、最大発熱位置が前記ＭＧＰより１００ないし２００ｍｍ下部に形成されるようにるつぼの周辺を加熱することができる。

ヒーターと引き上げ手段は、シリコン溶液の半径方向の端部に均一に拡散境界層が分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。

ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン溶液の表面から12ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼを加熱し、前記インゴットを引き上げることができる。

ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記のシリコン溶液の端部から３００ミリメートル以上の直径に分布するように前記るつぼを加熱し、前記インゴットを引き上げることができる。

他の実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長方法において、インゴットとるつぼを同一の方向に回転させ、最大発熱位置をＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に位置させるシリコン単結晶インゴットの成長方法を提供する。

拡散境界層がシリコン溶液の半径方向の端部に均一に分布することができる。

拡散境界層は、前記シリコン溶液の表面から１２ミリメートル下部で３００ミリメートル以上の直径に分布することができる。

シリコン溶液内で深さ方向に前記シリコン溶液の流れが一定することができる。

最大発熱位置を前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に位置させることができる。

前述した工程でシリコン単結晶インゴットを成長させる時、シリコン溶液の流れが一定して、拡散境界層がインゴットの端部に分布して、製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が一定して、比抵抗が改善されたことがわかる。

実施例による単結晶インゴット製造装置を示した図である。 シリコン単結晶インゴットの成長時に最大ガウス地点（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｇａｕｓｓ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の移動を示した図である。 従来の最大発熱位置と実施例による最大発熱位置を示した図である。 図４ａないし図４ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン溶液の流れを比較例とともに示した図である。 図５ａないし図５ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン溶液内の酸素の分布を比較例とともに示した図である。 実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法で酸素濃度の均一度を示した図である。 比較例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法で酸素濃度の均一度を示した図ある。

以下、本発明を具体的に説明するため、実施例を挙げて説明し、発明に対する理解を助けるために添付図面を参照して詳細に説明しようとする。しかし、本発明による実施例は様々な他の形態に変形され得、本発明の範囲が下で記述する実施例に限定されるものと解釈されてはいけない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を有した者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

本発明による実施例の説明において、各ｅｌｅｍｅｎｔの“上（うえ）”または“下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）”に形成されるものと記載される場合において、上（うえ）または下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）は、二つのｅｌｅｍｅｎｔが互いに直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触したり一つ以上の他のｅｌｅｍｅｎｔが前記二つのｅｌｅｍｅｎｔの間に配置されて（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）形成されるものをすべて含む。また“上（うえ）”または“下（した）（ｏｎ ｏｒ ｕｎｄｅｒ）”と表現される場合、一つのｅｌｅｍｅｎｔを基準に上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。

また、以下で用いられる“第１”及び“第２”、“上部”及び“下部”などのような関係的用語は、その実体または要素などの間のどんな物理的または論理的関係または手順を必ず要求したり内包したりせず、ある一の実体または要素を他の実体または要素と区別するためにのみ利用され得る。

図面において、各層の厚さや大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張されたり省略されたりまたは概略的に図示された。また各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映したものではない。

図１は、実施例による単結晶インゴット製造装置を示した図である。

実施例によるシリコン単結晶インゴット製造装置（１００）はチャンバー（１１０）、るつぼ（１２０）、ヒーター（１３０）、引き上げ手段（１５０）などを含むことができる。詳しくは、実施例によるシリコン単結晶インゴット製造装置（１００）は、チャンバー（１１０）と、前記チャンバー（１１０）の内部に具備され、シリコン溶液を収容するるつぼ（１２０）と、前記チャンバー（１１０）の内部に具備され、前記るつぼ（１２０）を加熱するヒーター（１３０）及び種子結晶（１５２）が一端に結合された引き上げ手段（１５０）とるつぼ（１２０）に水平磁場を印加する磁場発生ユニット(図示せず)を含むことができる。

チャンバ（１１０）は、半導体などの電子部品素材として使用されるシリコンウェハー（ｗａｆｅｒ）用の単結晶インゴット（ｉｎｇｏｔ）を成長させるための所定の工程が遂行される空間を提供する。

チャンバ（１１０）の内壁においては、ヒーター（１３０）の熱が前記チャンバ（１１０）の側壁部に放出されないように輻射断熱体（１４０）が設置され得る。

シリコン単結晶成長時の酸素濃度を制御するために るつぼ（１２０）の回転速度やチャンバ（１１０）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（１１０）内部にアルゴンガスなどを注入して下部に排出することができる。

前記るつぼ（１２０）は、シリコン溶融液を収容することができるように前記チャンバ（１１０）の内部に具備され、石英などからなることができる。前記るつぼ（１２０）の外部にはるつぼ（１２０）を支持することができるように黒煙からなるるつぼ支持台（図示せず）が具備され得る。前記るつぼ支持台は、回転軸（図示せず）上に固定設置され、前記回転軸は、駆動手段（図示せず）によって回転されてるつぼ（１２０）を回転及び昇降運動させながら固−液界面、すなわち、固化されたインゴットとシリコン溶液の境界面が同一な高さを維持するようにできる。

また、前記回転軸は、前記るつぼを回転させる第１方向に回転させ、前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第２方向に回転させることができるが、第１方向と第２方向は互いに同一とすることができる。

ヒーター（１３０）は、るつぼ（１２０）を加熱するようにチャンバ（１１０）の内部に具備され得、例えば、前記ヒーター（１３０）は、るつぼ支持台を囲む円筒状に成り立つことができる。このようなヒーター（１３０）は、るつぼ（１２０）内に積載した高純度の多結晶シリコンの塊を溶融してシリコン溶液にするようになる。

ヒーター（１３０）は、供給される熱によってるつぼ（１２０）が加熱されるが、るつぼ（１２０）の高さによる領域ごとに温度が異なる場合があり得、温度が最も高い領域はヒーター（１３０）の最大発熱位置と対応することができる。

実施例による、シリコン単結晶インゴット成長のための製造方法としては、単結晶である種子結晶（ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ、１５２）をシリコン溶液に浸した後ゆっくり引き上げながら結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋ：ＣＺ）法を採用することができる。

チョクラルスキー法を詳しく説明すれば下のとおりである。

種子結晶（１５２）から細くて長い結晶を成長させるネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）工程を経ると、結晶を直径方向に成長させて目標直径に作るショルダーリング（ｓｈｏｕｌｄｅｒｉｎｇ）工程を経て、以後には一定な直径を有する結晶に成長させるボディーグロイング（ｂｏｄｙ ｇｒｏｗｉｎｇ）工程を経て、一定な長さだけボディーグロイングが進行された後には結晶の直径を徐徐に減少させて結局溶融シリコンと分離するテーリング（ｔａｉｌｉｎｇ）工程を経て単結晶成長が仕上げられる。

本実施例においては、シリコン溶液にはＰ−タイプのドーパントとしてＢ（ボロン）が、Ｎ−タイプのドーパントとしてＡｓ（砒素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）などがドーピングされ得る。高濃度のドーパントが投入される場合、ドーパントの濃度によってＶ／Ｇ（ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ／ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ）すなわち、温度勾配に対するインゴットの成長速度が変化することができ、これによってインゴットの内部、特にボディー（ｂｏｄｙ）領域内で酸素濃度が変化することができる。

本実施例においては、インゴットの成長時にインゴットとるつぼを同一の方向に回転させ、最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に位置するようにヒーターを配置し、インゴットの長さ方向と半径方向（面内方向）からの酸素濃度を一定にして生産されるウエハーの比抵抗を一定にすることができる。

詳細には、前記磁場印加ユニットによってるつぼ（１２０）の周辺に磁場が印加されるが、磁場の強さが最も強い領域をＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）と言うことができる。この時、ヒーターと磁場は最大発熱位置がＭＧＰ（ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）より下部に形成されるように前記るつぼ（１２０）の周辺を加熱してるつぼの周辺に磁場を印加することができ、詳細には最大発熱位置が前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に形成されるようにすることができる。

図２は、シリコン単結晶インゴットの成長時に最大ガウス地点（Ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の移動を示した図である。

図２において、最大ガウス地点（ＭＧＰ）は、るつぼ内部の領域である“Ａ”や上部チャンバーの領域である“Ｂ”の境界面の上下に移動することができるが、ＭＧＰは前述した境界から“Ａ”方向に“ａ”そして、“Ｂ”方向に“ｂ”の範囲内で移動できるが、そのとき、ヒーターの最大発熱位置は前述したＭＧＰより下部に位置することができる。

図３は、従来の最大発熱位置と実施例による最大発熱位置を示した図である。

実施例においては、図示した通り、従来より最大発熱位置が下部に位置し、特に、最大発熱位置がＭＧＰより１００ミリメートルないし２００ミリメートル下部の距離（ｄ）に位置させることができる。この時、シリコン溶液の流れ（ｆｌｏｗ）を変化させることができ、最大発熱位置がＭＧＰより２００ミリメートル以上下部に位置すると、シリコン溶液上部の流れが乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）になり得、０ないし１００ミリメートル下部に位置すると、シリコン溶液下部の流れが乱流になり得る。

実施例においては、最大発熱位置をMGPより１００ミリメートルないし２００ミリメートル下部に位置させ、シリコン融液の深さ方向、すなわち図１の上下方向回への流れを一定にすることができる。

成長するインゴットから製造されるシリコンウェハーのハイゲッタリング（ｈｉｇｈ ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）および均一性（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）向上のために、インゴット内から酸素濃度が長さ方向および半径方向に一定であることが有利である。これのために拡散境界層が成長中のシリコン融液の表面から１２ミリメートル程度の深さで、約３００ミリメートルの直径外部の領域に分布することができる。実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法においてシリコン融液内の拡散境界層が半径方向の端部に均一に分布できるが、拡散境界層はシリコン融液の温度を測定して確認することができる。

このとき、前記のヒーターと引き上げ手段は、前記シリコン融液の半径方向の端部に均一に拡散境界層が分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。詳細には前記ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン融液の表面から１２ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げることができる。

詳細には拡散境界層は、拡散速度が１０^-8ｍ²/初程度である領域であり、本実施例において１７００ケルビン（Ｋｅｌｖｉｎ）程度の温度で拡散境界層は最大直径が３２０ミリメートルであり得る。

図４ａないし図４ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の流れを比較例とともに示した図である。

左側がシリコン融液の表面でのシリコン融液の流れであり、右側に行くほど下部領域での流れを示し、最右側はるつぼの底面でのシリコン融液の流れを示す。

図４ｂと図４ｃの第1実施例と第2実施例、特に第1実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の流れのパターンが下部領域でも維持されるが、従来技術の場合、シリコン融液の流れのパターンが下部では薄れ得る。。

図５ａないし５ｃは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法でシリコン融液の酸素の分布を比較例とともに示した図である。図５ｂと図５ｃにおいて拡散境界層がインゴットの端部で維持されてシリコン融液の速度変化が抑制されて酸素濃度が深さ方向に２２００ミリメートルまで均一であるが、図５ａの比較例の場合、シリコン融液の流れが一定せず酸素濃度が深さ方向に２０００ミリメートルで不均一であり得る。

図６ａは、実施例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法において酸素濃度の均一度を示した図面であり、図６ｂは、比較例によるシリコン単結晶インゴットの成長方法において酸素濃度の均一度を示した図である。

図６ａにおいて、シリコンウェハーは、直径がそれぞれ１８００ミリメートルと２２００ミリメートルであり、比抵抗がそれぞれ０．０９と０．１１であり、一つのインゴットから製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が半径方向でほとんど均一である。図６ｂにおいてシリコンウェハーは、直径が１１００ミリメートルと１８００ミリメートルであり、比抵抗がそれぞれ０．１６と０．１９であり、一つのインゴットから製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が半径方向で大きい散布を示している。

したがって、前述した実施例による工程でシリコン単結晶インゴットを成長させる時、シリコン融液の流れが一定して、拡散境界層がインゴットの端部に分布して、製造されたシリコンウェハーの酸素濃度が一定し、比抵抗が改善されることがわかる。

以上、実施例を中心に説明したがこれは単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有した者であれば本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上で例示されていない様々な変形と応用が可能であることが理解できるだろう。例えば、実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものである。そして、このような変形と応用に係る差異点は添付された請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

［産業上利用可能性］
実施例は、シリコン単結晶インゴットの成長装置および方法は、シリコン単結晶インゴットで直径方向と半径方向の酸素濃度の均一性を向上させることができる。

Claims (11)

1. チャンバ；
   前記チャンバの内部に具備され、シリコン融液が収容されるるつぼ；
   前記るつぼの下部に配置されるるつぼ支持台と回転軸；
   前記チャンバの内部に具備され、前記シリコン融液を加熱するヒーター；
   前記シリコン融液から成長するインゴットを回転しながら引き上げる引き上げ手段；および
   前記るつぼに水平磁場を印加する磁場発生ユニットを含み、
   前記回転軸が前記るつぼを回転させる第1方向と前記引き上げ手段が前記インゴットを回転させる第2方向は互いに同一なシリコン単結晶インゴットの成長装置。
2. 前記ヒーターは、最大発熱位置がＭＧＰ(ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ)より下部に形成されるように前記るつぼの周辺を加熱する、請求項１に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
3. 前記ヒーターは、最大発熱位置が前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼの周辺を加熱する、請求項１に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
4. 前記ーターと引き上げ手段は、前記シリコン融液の半径方向の端部に均一に拡散境界層が分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げる、請求項１に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
5. 前記ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン融液の表面から１２ミリメートル下部に形成されるように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げる、請求項４に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
6. 前記ヒーターと引き上げ手段は、前記拡散境界層が前記シリコン融液の端部から３００ミリメートル以上の直径に分布するように前記るつぼを加熱して前記インゴットを引き上げる、請求項５に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
7. シリコン単結晶インゴットの成長方法において、
   インゴットとるつぼを同一の方向に回転させ、最大発熱位置をＭＧＰ(ｍａｘｉｍｕｍ ｇａｕｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ)より下部に位置させるシリコン単結晶インゴットの成長方法。
8. 拡散境界層がシリコン融液の半径方向の端部に均一に分布する、請求項７に記載のシリコン単結晶インゴットの成長方法。
9. 前記拡散境界層は、前記シリコン融液の表面から１２ミリメートル下部で３００ミリメートル以上の直径に分布する、請求項８に記載のシリコン単結晶インゴットの成長方法。
10. シリコン融液内で深さ方向に前記シリコン融液の流れが一定である、請求項７に記載のシリコン単結晶インゴットの成長方法。
11. 前記最大発熱位置を前記ＭＧＰより１００ないし２００ミリメートル下部に位置させる、請求項７に記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
    

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