KR100264459B1 - 표면상에 이상와류를 갖는 융액으로 부터 실리콘 단결정의 육성 - Google Patents
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Abstract
Si 단결정(8)을 도가니(2)에 수용된 융액(6)으로부터 인상할 때, 융액(6)에 발생된 와류의 상태를 융액표면의 온도분포로부터 판단한다. 판단의 결과에 따라서, 융액(6)의 밀도에 이상변동을 초래하는 가스, 즉 N2, Xe 또는 Kr을 분위기 가스에 첨가하여, 와류를 불안정화된 조건하에 유지한다. 상기 가스의 효과는 밀도의 이상 변동을 억제하는 효과를 갖는 Ga,Sb,Al,As 또는 In과 같은 첨가불순물이 첨가된 융액으로부터 결정을 육성하는 경우에 전형적이다. 단결정을 표면이 온도-제어된 조건에서 유지된 융액으로부터 인상하기 때문에, 불순물 분포 및 산소분포는 결정의 성장방향을 따라 균일화된다. 이 방법으로 얻어진 단결정은 고도로 안정화된 품질을 가진다.
Description
제1도는 융액으로 부터 Si 단결정을 인상(pulling up)하는 초크랄스키(Czochralski) 방법을 설명하기 위한 계략도이다.
제2도는 와류패턴이 규칙적으로 발생되는 융액의 표면상에서의 일정한 온도 지도를 도시한 도면이다.
제3도는 와류패턴이 불규칙한 융액의 표면상에서의 일정한 온도지도를 도시한 도면이다.
제4도는 이상 밀도가 없는 융액에서 발생되는 와류의 상태를 도시한 에너지 스펙트로그램이다.
제5도는 이상 밀도를 갖는 융액에서 발생되는 와류의 상태를 도시한 에너지 스펙트로그램이다.
제6도는 본 발명에 따라 표면에서의 융액의 흐름조건을 제어하기 위해 챔버내로의 N2- 첨가된 가스의 도입을 설명하기 위한 계략도이다.
[발명의 배경]
본 발명은 반도체 재료로서 유용한 고도로 안정화된 품질의 Si 단결정을 육성하는 방법에 관한 것이다.
초크랄스키방법은 융액으로 부터 Si 단결정을 육성하기 위한 대표적 방법이다.
초크랄스키방법은 제1도에 보여지는 바와같이 밀폐 챔버(1) 내에 제공된 도가니(2)를 사용한다. 도가니(2)는 회전 및/ 또는 승강운동이 가능하도록 지지체(3)에 의해 지지된다. 히터(4) 및 보온재(5)는 도가니(2) 외주에 동심원상으로 배치되어, 융액(6)을 Si 단결정의 성장에 적합한 온도로 유지한다.
종결정(seed crystal)(7)은 융액(6)과 접촉위치되어, 종결정(7)의 결정방향을 모방한 결정방향을 갖는 Si 단결정(8)을 성장시킨다. 종결정(7)은 와이어(9)를 통해 회전식 와인더(10) 또는 강성 인상봉으로부터 매달리고, 결정의 성장정도에 따라 점차적으로 인상된다. 도가니(2)도 또한 지지체(3)의 적당한 회전운동에 의해 하강된다. 지지체(3)의 하강 및 회전속도뿐만 아니라 종결정(7)의 상승 및 회전속도 또한 융액(6)으로부터 인상되는 또 단결정(8)의 성장속도에 따라 제어된다.
융액(6)으로부터 인상되는 결정(8)의 단결정화율은 융액(6)의 동적운동에 의해 상당히 영향을 받는다. 특히 단결정(8) 외주의 융액(6)내에 발생하는 와류(eddy flow)는 단결정화율에 가장 큰 영향을 준다.
한편, Si 융액의 밀도는 1430℃ 이하의 온도범위에서 비선형으로 변화하나, 1430℃ 초과에서의 밀도변동은 융액의 온도에 대해 선형이다. 따라서 융액의 와류는 제2도에 보여진 융액의 안정한 와류상태로 부터 제3도에 보여진 불안정한 와류상태로 변화한다. 와류가 약간 불규칙한 상태(제3도에 도시)는 융액의 표면에서의 온도 분포를 균일하게 만드는 효과를 가진다.
그러나, 1430℃ 이하에서의 밀도의 비선형성을 억제하고 밀도변동을 온도에 대해 선형으로 만드는 첨가불순물을 융액에 첨가할 때, 융액의 순환상태에 큰 변화는 보이지 않으나 와류의 상태는 제2도에 보여진 바와같이 안정화된다. 안정화된 상태는 성장중인 결정의 품질에 대해 해로운 영향을 주는 저온대(cold Zone)의 존재를 허용한다. 예를들어 와류의 변동이 커져서 결정내 첨가불순물의 불규칙한 내포 또는 전위의 도입을 촉진한다.
안정화된 상태는 또한 융액의 표면에서의 온도분포를 변동시킨다. 융액으로부터 인상된 단결정은 융액의 고온대 및 저온대와 교대로 접촉되어 성장된 결정내로 온도변동에 의해 초래된 결정학적 결함을 유도한다.
결과적으로 단결정화는 저해되고, 얻어진 단결정은 열등한 결정학적 성질을 가진다.
[발명의 개요]
본 발명은 상기 결점을 극복하기 위해 성취된다.
본 발명의 한가지 목적은 융액으로 부터 인상된 단결정의 품질을 식별하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 표면에 와류를 발생시켜 융액의 온도분포를 단결정의 주변에서 균일화하는 조건하에 유지된 융액으로 부터 안정화된 품질의 단결정을 육성하는 것이다.
본 발명에 따라 Si 단결정을 도가니에 수용된 융액으로 부터 인상할 때, 융액내의 와류상태를 표면에서의 온도분포에 의해 검출한다. 불안정한 와류상태는 단결정이 결정의 성장계면에 균일한 온도분포로 성장된다는 것을 의미하는 반면, 안정한 와류상태는 단결정화가 변동되는 열영향에 의해 저해된다는 것을 의미하기 때문에, 융액의 안정한 또는 불안정한 와류상태를 나타내는 검출결과를 얻어진 단결정의 품질을 식별하기 위해 사용한다.
검출결과는 또한 결정의 성장계면에서 융액의 온도조건을 제어하기 위해 유용하다.
안정한 와류상태가 검출될 때, 융액의 밀도에 이상변동을 발생시키는 효과를 갖는 가스를 분위기가스에 첨가시켜, 융액의 불안정한 와류상태를 유지한다.
밀도에 이상변동을 발생시킬 수 있는 가스는 N2, Kr 또는 Xe일 수 있다. 이들 가스의 효과는 Si 단결정을 Ga,Sb,Al,As 또는 In이 첨가된 융액으로 부터 육성할 경우에 전형적으로 나타난다.
[바람직한 구체예의 상세한 설명]
융액(6)의 표면상에 나타나는 와류의 상태는 도가니의 회전에 의해 억제되는 열수송의 회복으로 부터 유래된다. 와류가 제2도에 도시된 바와같이 안정화된 상태에 있는 조건하에, 단결정(8)의 저면은 융액(6)의 고온부분 및 저온부분과 교대로 접촉한다. 결과적으로 단결정(8)의 결정구조는 파괴되기 쉽다.
한편, 융액(6)의 표면이 와류가 제3도에 도시된 바와같이 약간 불규칙적인 상태에 있을 때, 융액(6)의 온도분포는 표면에서 균일화된다. 이러한 상태에서 융액(6)으로 부터 인상된 단결정(8)은 단결정률이 양호하다. 그러므로 이 상태가 검출될 때, 얻어진 단결정은 고품질의 제품으로서 식별할 수 있다.
특히 Ga 또는 Sb(11)가 첨가된 융액에서, 융액의 온도는 그것의 온도에 대해 선형으로 변화한다. 즉 1430℃ 부근에서 와류의 급격한 변화는 없고, 와류의 상태는 안정화되기 쉽다. 이 경우 결정성장을 위한 분위기로서 N2, Kr 또는 Xe와 혼합된 Ar가스를 사용하면, 융액의 밀도는 1430℃ 부근에서 급격히 변화한다. 결과적으로 와류의 상태는 1430℃ 이하의 온도에서 발생되는 심한 진동와류에 의해 약간 붕괴되고, 불규칙적이 되어, 단결정의 균질한 성장을 위한 유효한 밀도에 이상변동을 발생시킨다.
[실시예]
직경 3인치의 Sb-첨가된 Si 단결정을 0.1 원자% 양의 Sb가 첨가불순물로서 첨가된 Si 융액으로 부터 mm/hr의 속도로 인상했다. 제2도에 도시된 바와같은 와류의 정상상태를 융액표면의 관찰에 의해 검출했다. 제4도는 융액표면의 온도를 측정하고, 온도변동을 푸우리에(Fourier) 변환함으로써 얻어진 에너지 스펙트럼을 보여준다.
제2도에 도시된 바와같이, 도가니의 회전중심에서 그리고 주파수의 배수에 해당하는 거리만큼 회전중심으로 부터 떨어진 위치에서 예리한 피크가 검출됐다. 후자의 예리한 피크는 제4도에 도시된 바와같은 저온대의 정상적(Stationary) 존재를 의미한다.
한편, 단결정(8)을, 제6도에 도시된 바와같이 Ar-N2가스를 챔버(1)에 공급하면서, 7부피% 양의 N2와 혼합된 Ar 분위기에 유지시킨 것을 제외하고는 동일한 융액(6)으로부터 인상했다. 이 경우 제3도에 도시된 바와같이 와류가 약간 붕괴된 상태가 융액(6)의 표면상에서 검출됐다. 제5도에서와 같은 위치에서 측정된 온도로부터 계산된 에너지 스펙트럼은 어떤 예리한 피크도 가지지 않았으나, 상기와 동일한 위치에서 폭이 넓은 피크를 가졌다. 이 에너지 스펙트럼은 와류의 상태가 붕괴되고 회전방향을 따라 확장되었다는 것을 의미한다. 결과적으로, 융액내 온도변동이 표면에서 감소되었다는 것으로 이해된다.
제3도 및 제5도를 제2도 및 제4도와 비교할 때, 와류의 상태가 분위기에로의 N2의 첨가에 의해 붕괴되어 결정의 성장계면 근방의 온도분포가 균일화된다는 것을 알 수 있다.
이 방법으로 발생된 이상 밀도분포는 용액의 표면을 부드러운 난류상태로 효과적으로 개선한다. 결과적으로, 단결정화율이 향상된다.
예를들어, 통상의 분위기내에 유지된 Sb-첨가된 Si 융액을 사용하여 인상조작을 10회 반복했을 때, 단지 5회의 단결정화가 양호한 단결정이 얻어졌다. 한편, N2와 혼합된 Ar분위기를 사용함으로써 단결정화는 최고 9회까지 실행되었다.
상기 본 발명에 따르면, 챔버내로 공급될 분위기 가스의 조성을 융액 표면상에 발생되는 와류의 상태에 따라 제어하여, 온도분포를 결정의 성장계면 근방에서 균일하게 만든다.
결과적으로, 불순물의 농도를 일정한 값으로 유지하는 조건하에 단결정을 육성한다.
이 방법으로 얻어진 단결정은 결정의 성장방향을 따라 균일화된 불순물 분포 및 산소 분포를 가지며, 안정화된 성질을 갖는 반도체 재료로서 사용된다.
Claims (3)
- 단결정을 도가니에 수용된 융액으로 부터 인상할 때 상기 융액의 표면에서의 온도분포로부터 상기 융액의 표면상에 발생되는 와류의 상태를 검출하는 단계와, 상기 융액의 밀도에 이상 변동을 초래하는 가스를 분위기 가스내로 도입하여 상기 융액을 와류가 불안정한 조건하에 유지시키는 단계로 이루어지는 융액의 온도변동을 억제하는 조건하에 Si 단결정을 육성하는 방법.
- 제1항에 있어서, 융액은 Ga,Sb,Al,As 및 In 중 한가지 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 융액의 밀도에 이상 변동을 초래하는 가스는 N2, Kr 및 Xe의 군으로 부터 선택된 한가지 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
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