KR100314955B1 - 반도체결정 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

Abstract

반도체융해액으로부터 반도체결정을 성장시키는 장치에 있어서, 도가니는 반도체융해액을 유지한다. 전극은 반도체용액과 접촉하고 이 반도체융해액에 전류를 인가한다. 이 전극은 반도체결정과 동일한 재료로 형성된다.

Description

반도체결정 성장장치 및 그 성장방법{Apparatus for growing a semiconductor crystal and method of growing the same}

본 발명은 반도체결정 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 서로 직교하는 자계와 전류를 반도체융해액(semiconductor melt)에 인가함으로써 반도체융해액을 회전시키는 결정성장기술에 관한 것이다.

일반적으로, 초고집적 전자장치의 기판으로 사용되는 반도체결정 웨이퍼는 잘 알려진 Czochralski방법(이하, CZ법으로 기재)을 사용하여 성장된다.

이 CZ법에 있어서, 반도체결정 웨이퍼는, 반도체단결정이 반도체융해액의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 조건에서, 회전하는 반도체융해액으로부터 반도체단결정을 인상(pulling-up)시킴으로써 성장된다.

이러한 구조로, 도가니에 담겨진 반도체융해액은 이 도가니의 주위에 배치된 원통형 히터에 의해 가열된다. 이 상태에서, 반도체융해액내의 온도분포가 반도체 결정의 인상축에 대하여 완전한 대칭상태로 하기 위하여 도가니를 회전시킨다.

이 때에, 반도체융해액내의 온도분포를 그 축에 대하여 대칭상대가 되도록 하기 위하여 도가니의 회전중심과 히터배치의 대칭축을 반도체결정의 인상축에 일치시킬 필요가 있다.

일반적으로, 도가니를 지지하기 위한 축은 종래의 경우에서와 같이 기계적으로 회전된다.

그러나, 결정직경의 대형화에 수반하여 도가니를 회전시키는 데에는 대형 장치가 요구된다. 결과적으로, 대형 반도체결정을 성장시키는 것은 점차로 곤란해진다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 일본 특개평 제9-343261호에는 반도체결정성장장치 및 그 성장방법이 개시되었다.

이 반도체결정 성장장치는 반도체결정을 성장시키는 동안 자계를 반도체융해액에 인가하는 장치와 이 자계에 수직한 전류를 반도체융해액에 인가하는 다른 장치를 구비한다.

더욱이, 상기 반도체결정 성장장치에서는 반도체융해액내에 잠겨진 전극과 인상되는 결정에 전류를 공급하는 전극이 사용된다.

이 반도체결정 성장장치에서는, 30㎝이상의 대형 직경을 갖는 반도체결정이 성장되는 경우에도, 장치의 크기가 최소로 제한되고, 이는 회전수를 정확하게 제어하는 것을 가능하게 한다.

그러나, 전극재료가 반도체융해액에 용해되어 이 전극재료가 반도체융해액 및 성장결정 이외의 재료를 포함하는 경우에, 반도체융해액 및 성장결정의 순도가 저하된다. 이는 다른 불순물농도분포에 역효과를 가져오게 된다.

더욱이, 전극이 반도체융해액내에 잠겨지기 때문에, 이 전극에 의해 반도체융해액의 회전이 부분적으로 차단된다. 그 결과, 회전의 대칭특성이 저하된다.

도 1은 본 발명에 따른 CZ법을 사용하여 반도체단결정을 성장시킬 경우의 전극의 삽입위치를 설명하는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 CZ법을 사용하여 반도체단결정을 성장시킬 경우의 전극과 반도체융해액사이의 접촉위치를 설명하는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CZ법을 사용하여 반도체단결정을 성장시킬 경우의 전극의 삽입위치를 설명하는 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CZ법을 사용하여 반도체단결정을 성장시킬 경우의 전극의 삽입위치를 설명하는 단면도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 도가니 2 : 반도체융해액

3 : 반도체결정 4 : 인상축

5 : 씨드결정 6 : 전극

따라서, 본 발명의 목적은 오염된 불순물이 전극으로부터 반도체융해액에 혼합되지 않는 반도체결정 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 반도체융해액의 회전대칭특성이 악화되지 않는 반도체결정 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 도가니에는 반도체융해액이 담겨져 있다. 또한, 전극은 반도체융해액과 접촉하고 있고 적어도 반도체융해액에 전류를 인가한다. 이러한 구조에서, 전극은 반도체결정과 동일한 재료로 형성된다.

이 경우에, 전류와 함께 자계가 반도체융해액으로 인가된다. 이 자계는 전류와 실질적으로 수직하다. 여기에서, 전류는 반도체융해액과 반도체결정사이로 인가된다.

또한, 반도체융해액으로부터 소정의 불순물이 반도체결정으로 도핑된다. 이러한 조건 하에서는, 반도체결정은 도핑된 불순물이외의 다른 불순물을 포함하지 않는다.

여기에서, 반도체결정은 실리콘단결정인 것도 가능하다. 이러한 조건에서, 전극은 실리콘단결정으로 형성된다. 이러한 상황 하에서, 반도체융해액으로부터 소정의 불순물과 산소가 실리콘단결정으로 도핑된다. 이 경우에, 실리콘단결정은 도핑된 불순물과 산소 이외의 다른 불순물을 포함하지 않는다.

한편, 반도체결정은 GaAs단결정인 것도 가능하다. 이 경우에, 전극은 GaAs단결정으로 형성된다.

또한, 반도체결정은 InP단결정인 것도 가능하다. 이 경우에, 전극은 InP단결정으로 형성된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 자계내에서 반도체결정과 담겨진 반도체융해액사이에 전류를 인가하거나 공급하는 방법에 관하여 설명한다.

여기에서, 자계인가장치와 히터등의 주변장치는 주요소자부를 강조하기 위하여 생략하였다.

반도체단결정(3)이 도가니(1)에 담겨진 반도체융해액(2)로부터 씨드결정(5)을 통해 인상된다. 여기에서, 씨드결정(5)는 전도성을 갖는 물질로 형성된 인상축(4)의 끝부분에 설치된다.

씨드결정(5)이 일반적인 CZ법의 결정성장의 경우에서와 같이 인상축(4)와 결합되지만, 씨드결정(5)과 인상축(4)사이의 접촉면적을 크게하여 전도성을 우수하게 유지한다.

이 구조에서, 성장되는 반도체단결정(3)과 도가니(1)내의 반도체융해액(2)사이에 전류를 공급하는 전극(6)은 성장되는 반도체단결정(3)과 동일한 재료로 형성된다.

이 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극(6)은 반도체융해액(2)의 주요표면(7)보다 높은 위치에서 반도체융해액(2)과 접촉한다. 여기에서, 도 2에서의 참조번호 8은 전극(6)과 반도체융해액(2)사이의 접촉면을 나타낸다.

실시예

이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

제 1 내지 제 4 실시예로서, 7.5㎝의 직경을 갖는 석영도가니에서 0.3kg의 실리콘융해액이 제조된다. 이 조건에서, 전극막대가 실리콘융해액의 표면에 접촉된다. 이러한 상태 하에서, 3cm의 직경을 갖는 실리콘단결정이 성장된다.

이 경우에, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극의 삽입위치는 도가니의 내벽으로부터 내측으로 1㎝의 거리를 두도록 설정된다. 이 때, 보론이 반도체융해액에 첨가되어 성장된 실리콘단결정이 P형이 되고 각각 10Ω㎝, 1Ω㎝, 0.1Ω㎝, 0.001Ω㎝의 저항율을 갖는다.

성장된 결정의 불순물원소를 질량분석기를 사용하여 분석함으로써, 본 발명의 효과를 명백하게 하기 위하여 불순물이 혼합되었는 지의 여부를 확인한다.

또한, 확장저항법(spreading resistance method : SR법)을 사용하여 반도체결정내의 도펀트불순물의 농도분포를 반경방향으로 구한다.

또한, 주사형적외선흡수분광(scanning infrared absorption spectrometry : FT-IR법)을 사용하여 반도체결정내의 산소의 농도분포를 반경방향으로 구한다.

결정을 성장시키는 동안, 실리콘으로 형성된 전극과 실리콘융해액사이의 접촉위치는 X선투시법을 사용하여 노의 측부에서 계속해서 관찰된다.

따라서, 실리콘융해액의 표면과 실리콘전극사이의 상대적 위치는 항상 일정하게 유지된다.

제 1 내지 제 4 실시예에서, 전극과 융해액의 접촉위치는 융해액의 주요표면으로부터 3㎜ 높은 위치에서 설정된다.

표 1은 인가된 자계의 값, 전류값, 그 밖에 결정성장의 조건과 성장된 결정의 결과를 전체적으로 나타낸다.

여기에서, 도펀트와 산소의 반경방향으로의 농도분포는 아래의 식으로 구해진다.

[(결정중심에서의 농도 - 결정단부에서의 농도)/결정중심에서의 농도] ×100

[표 1]

제 5 내지 제 8 실시예로서, 70㎝의 직경을 갖는 석영도가니에서 300㎏의 실리콘융해액이 제조된다. 이 조건에서, 10Ω㎝, 1Ω㎝, 0.1Ω㎝, 0.001Ω㎝의 저항율과 30㎝의 직경을 갖는 실리콘단결정이 실리콘융해액으로부터 성장된다.

이 때, 성장되는 실리콘단결정과 동일한 조성을 갖고 0.4㎝직경을 갖는 실리콘단결정전극이 실리콘융해액의 표면과 접촉한다.

이 실시예들에서, 전극과 융해액사이의 접촉위치는 융해액의 주요표면에서 3㎜높이로 유지된다. 전극들의 위치는 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

표 2는 인가된 자계의 값, 전류값, 그 밖에 결정성장의 조건과 성장된 결정의 결과를 전체적으로 나타낸다.

[표 2]

제 9 내지 제 12 실시예에 있어서, 100㎝의 직경을 갖는 석영도가니를 사용하여 10Ω㎝, 1Ω㎝, 0.1Ω㎝, 0.001Ω㎝의 저항율과 40㎝의 직경을 갖는 실리콘단 결정이 성장된다.

이 때, 결정성장은, 각각 0.4㎜의 직경을 갖는 세개의 실리콘전극이 도 3에 도시된 실시예와 동일한 방식으로 실리콘융해액의 표면에 접촉되는 조건상에서 수행된다.

이 실시예들에 있어서, 전극과 융해액사이의 접촉위치는 융해액의 주요표면에서 3㎜높이로 유지된다.

표 3은 인가된 자계의 값, 전류값, 그 밖에 결정성장의 조건과 성장된 결정의 결과를 전체적으로 나타낸다.

[표 3]

상술한 실시예들로부터, 도펀트불순물 및 산소를 제외한 불순물을 포함하지 않는 실리콘단결정이 본 발명에 따른 방법으로 성장될 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 성장된 실리콘단결정에서는 산소농도분포와 불순물농도분포의 반경방향으로의 불균일성은 1%이하이다. 그 결과, 융해액내의 온도분포가 반도체결정의 인상축에 완전히 일치하는 조건으로 융해액이 회전하는 것을 알 수 있다.

또한, 0.001Ω㎝의 저항율과 3.0㎝, 30㎝ 그리고 40㎝의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 제 1 내지 제 12 실시예와 비교하여 실리콘전극을 사용하지 않고 성장시켰다.

표 4는 전극으로 사용된 재료와, 성장된 결정내의 불순물 분석결과와, 도펀트 불순물의 농도분포와, 그리고 산소의 농도분포를 나타낸다.

여기에서, 표 4에 설명되지 않은 결정성장의 조건은 전극의 배치를 포함하는 제 1 내지 제 12 실시예와 유사하다.

이 경우에, 전극의 재료는 비교예에서 성장되는 반도체단결정과 다른 조성을 갖는다. 즉, 전극은 다른 재료로 형성된다.

결과적으로, 접촉위치를 융해액의 주요표면보다 높은 위치에서 유지하는 것은 곤란하다. 따라서, 전극은 융해액의 주요표면부다 3㎜∼5㎜ 깊은 위치에서 반도체융해액과 접촉한다.

[표 4]

이 비교예들의 결과로부터, 전극재료로서 성장되는 반도체단결정과 동일한 조성의 재료를 사용하지 않은 경우에는, 성장된 실리콘단결정으로 도펀트 불순물과 산소이외의 불순물이 혼합되는 것을 알 수 있다. 또한, 전극이 융해액의 주요표면보다 깊은 위치에 있기 때문에, 융해액의 회전이 이 위치에서 변형된다. 또한, 온도분포의 축의 대칭특성도 악화된다.

그 결과, 결정내의 반경방향의 산소농도분포와 도펀트불순물농도분포의 불균일성이 1%이상이 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 산소와 도펀트불순물농도분포를 균일하게 하는 것이 곤란하다.

이어서, 본 발명이 실리콘을 제외한 반도체결정성장에 적용될 수 있다는 것을 확인되었다. 상세하게는, 제 13 실시예로서, 15㎝의 직경을 갖는 GaAs단결정이 제 5 실시예에서와 동일한 전극배치로 30㎝의 직경을 갖는 p-BN(Pyrolytic-Boron Nitride)도가니로부터 성장된다.

여기에서, 성장되는 GaAs단결정과 동일한 조성을 갖는 GaAs단결정이 전극으로서 사용된다. 이 때에, 저항율이 10Ω㎝가 되도록 도펀트로서 바람직한 양의 실리콘이 첨가된다.

또한, 제 14 실시예에서, 성장되는 InP단결정과 동일한 조성을 갖는 InP단결정을 전극재료로서 사용하여, 20㎝의 직경을 갖는 p-BN도가니로부터 10㎝의 직경을 갖는 InP단결정이 성장되었다.

이 때, 저항율이 10Ω㎝가 되도록 도펀트로서 바람직한 양의 안티몬이 첨가된다.

표 5는 제 13 및 제 15 실시예의 결정성장조건과 성장된 결정의 결과를 나타낸다.

[표 5]

이 결과로부터, 실리콘을 제외한 반도체결정이 성장될 경우에, 본 발명에 따라 도펀트 불순물 이외의 불순물을 포함하지 않은 반도체단결정이 성장될 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 반경방향으로의 1%이하의 도펀트 농도분포를 갖는 균일한 반도체결정이 성장될 수 있다는 것이 확인된다.

한편, 본 발명은 전극의 배치와 구조에 관하여 상술한 실시예들로 한정되는 것이 아니다. 본 발명은 성장되는 반도체결정과 동일한 조성을 갖는 재료가 전극으로서 사용되는 모든 장치와 모든 방법에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 원리적고찰로부터 반도체 이외의 결정재료성장에 있어서도 효과적이라는 것은 명백하다

상술한 바와 같이, 성장시키는 동안 전류가 반도체융해액과 반도체결정사이로 공급되거나 인가되는 겅우에, 성장되는 반도체결정과 동일한 재료가 전극으로서 사용된다.

결과적으로, 전극으로부터 반도체융해액으로 불순물이 혼합되지 않고, 더욱이, 불필요한 불순물이 성장된 반도체결정에 혼합되지 않는다.

또한, 전극이 습윤성(wettability)에 의해 반도체융해액의 주요표면보다 높은 위치에서 반도체융해액과 접촉한다. 이 결과, 반도체융해액의 회전이 전극에 의해 차단되지 않는다. 그 결과, 반도체융해액의 회전상태가 악화되지 않는다.

따라서, 온도분포의 축에 대한 대칭특성이 강화되고, 반도체결정내에 함유되거나 도핑된 도펀트불순물의 농도분포가 반경방향으로 균일해진다.

또한, 실리콘단결정의 경우에, 산소의 농도분포가 반경방향으로 더욱 균일해진다.

Claims (28)

1. 반도체융해액으로부터 반도체결정을 성장시키는 장치에 있어서:

   상기 반도체융해액을 유지하는 도가니와; 그리고

   상기 반도체융해액과 접촉하고 상기 반도체융해액에 적어도 전류를 인가하는 전극을 구비하고,

   상기 전극은 상기 반도체결정과 동일한 재료로 형성되는 반도체결정 성장장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체융해액으로 상기 전류에 추가하여 자계가 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 자계는 상기 전류와 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전류는 상기 반도체융해액과 상기 반도체결정사이로 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체융해액으로부터 상기 반도체결정으로 소정의 불순물이 도핑되며, 그리고

   상기 반도체결정은 상기 도핑된 불순물 이외의 불순물을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 반도체결정은 실리콘단결정이고,

   상기 전극은 상기 실리콘단결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 반도체융해액으로부터 상기 실리콘단결정으로 소정의 불순물과 산소가 도핑되며, 그리고

   상기 실리콘단결정은 상기 도핑된 불순물과 산소 이외의 불순물을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 산소는 상기 실리콘단결정의 반경방향으로 농도분포를 가지며, 그리고

   상기 농도분포는 상기 반경방향을 따라 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체결정은 GaAs단결정이며, 그리고

   상기 전극은 GaAs단결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 반도체결정은 InP단결정이며, 그리고

    상기 전극은 InP단결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
11. 주요표면을 갖는 반도체융해액으로부터 반도체결정을 성장시키는 장치에 있어서:

    상기 반도체융해액을 유지하는 도가니와;

    상기 반도체융해액에 적어도 전류를 인가하는 전극과; 그리고

    상기 주요표면에 접촉하는 일부분의 전극부를 구비하고,

    상기 일부분의 전극부는 상기 반도체결정과 동일한 재료로 형성되는 반도체결정 성장장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 반도체융해액으로 상기 전류에 추가하여 자계가 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 자계는 상기 전류와 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 전류는 상기 반도체융해액과 상기 반도체결정사이로 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
15. 주요표면을 갖는 반도체융해액으로부터 반도체결정을 성장시키는 장치에 있어서:

    상기 반도체융해액을 유지하는 도가니와; 그리고

    상기 반도체융해액에 적어도 전류를 인가하는 전극을 구비하고,

    상기 전극은 상기 주요표면보다 높은 위치에서 상기 반도체융해액과 접촉하는 반도체결정 성장장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 전극은 상기 반도체결정과 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 전극과 상기 높은 위치는 상대적인 위치관계내에서 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 전극은 일부분의 전극부를 포함하며, 그리고

    상기 일부분의 전극부는 상기 높은 위치에서 상기 반도체융해액과 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 일부분의 전극부는 상기 반도체결정과 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
20. 제 15 항에 있어서, 상기 반도체융해액으로 상기 전류에 추가하여 자계가 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
21. 제 18 항에 있어서, 상기 자계는 상기 전류와 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
22. 제 15 항에 있어서, 상기 전류는 상기 반도체융해액과 상기 반도체결정사이로 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장장치.
23. 주요표면을 갖는 반도체융해액으로부터 반도체결정을 성장시키는 방법에 있어서:

    상기 반도체융해액을 도가니에 유지하는 단계와;

    전극을 상기 주요표면보다 높은 위치에서 상기 반도체융해액과 접촉시키는 단계와;

    상기 전극을 통해서 상기 반도체융해액에 적어도 전류를 인가하는 단계와; 그리고

    상기 반도체융해액으로 전류가 인가되고 상기 반도체융해액이 회전하는 조건에서 씨드결정을 통해 상기 반도체융해액으로부터 상기 반도체결정을 인상하는 단계를 구비하고,

    상기 전극은 상기 반도체결정과 동일한 재료로 형성되는 반도체결정 성장방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 반도체융해액으로 상기 전류에 추가하여 자계가 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장방법.
25. 제 23 항에 있어서, 상기 자계는 상기 전류와 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장방법.
26. 제 23 항에 있어서, 상기 전류는 상기 반도체융해액과 상기 반도체결정사이로 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장방법.
27. 제 23 항에 있어서,

    상기 전극과 상기 높은 위치를 상대적인 위치관계내에서 일정하게 유지하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장방법.
28. 제 23 항에 있어서, 상기 인상단계는 상기 반도체융해액 전극에 의해서 차단되지 않도록 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체결정 성장방법.