KR100606997B1 - 실리콘 웨이퍼 및 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 웨이퍼 및 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 이로부터 제조된 실리콘 웨이퍼는 매우 균일한 면내 품질을 가질 수 있으며, 따라서 반도체 디바이스 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조방법은, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 실리콘 융액의 대류를 중심 셀과 외주 셀로 구분할 때, 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 실리콘 융액의 표면 반지름에 대해 30 내지 60% 인 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다. 또한, 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이가 실리콘 융액의 최대 깊이에 대해 50% 보다 크거나 같은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 바람직하다.
실리콘 단결정 잉곳, 실리콘 융액, 대류

Description

실리콘 웨이퍼 및 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 {Silicon wafer and method for producing silicon single crystal}
도 1은 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이고,
도 2는 종래 방법에 따른 실리콘 융액(SM)의 대류 분포를 도시한 개략도이며,
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 융액(SM)의 대류 분포를 도시한 개략도이고,
도 4a는 실험예 1에서 실리콘 융액의 대류 분포를 도시한 개략도이며,
도 4b는 실험예 2에서 실리콘 융액의 대류 분포를 도시한 개략도이고,
도 4c는 실험예 3에서 실리콘 융액의 대류 분포를 도시한 개략도이며,
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 웨이퍼에서 반경방향으로의 거리에 대한 초기 산소 농도 [Oi]의 분포를 측정한 결과를 도시한 그래프이고,
도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 웨이퍼에서 열처리 전과 열처리 후의 산소 농도 차이인 델타(delta) [Oi]를 웨이퍼 반경방향으로의 거리에 대해 측정한 결과를 도시한 그래프이며,
도 5c는 본 발명의 실시예 1에 따른 웨이퍼에 대한 MCLT 스캐닝 결과를 도시한 이미지이고,
도 6a는 비교예 1에 따른 실리콘 웨이퍼에서 반경방향으로의 거리에 대한 초기 산소 농도 [Oi]의 분포를 측정한 결과를 도시한 그래프이고,
도 6b는 비교예 1에 따른 실리콘 웨이퍼에서 열처리 전과 열처리 후의 산소 농도 차이인 델타(delta) [Oi]를 웨이퍼 반경방향으로의 거리에 대해 측정한 결과를 도시한 그래프이며,
도 6c는 비교예 1에 따른 웨이퍼에 대한 MCLT 스캐닝 결과를 도시한 이미지이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
10 : 석영 도가니 30 : 히터
40 : 열실드 Ar : 아르곤 가스
IG : 실리콘 단결정 잉곳 SM : 실리콘 융액
A, A1, A2, A3, A1', A2', A3', Ao : 중심 셀
B, B1, B2, B3, B1', B2', B3', Bo : 외주 셀
Wmax : 중심 셀의 최대 수평 방향 폭
Hmax : 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이
Th : 고온 영역 Tl : 저온 영역
Trans : 열교환 영역
본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 특히, 면내 품질이 균일한 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키 법에 따른 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은 도 1에 도시된 바와 같은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 이용한다. 도 1은 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 석영 도가니(10)의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터(30)로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액(SM)으로 만든 다음, 실리콘 융액(SM)의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킬 때에는 도가니(10)를 지지하는 축(20)을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(10)의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(10)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다.
또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.
이러한 종래 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에서는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 온도 구배를 조절하기 위해 열실드(40) 및 수냉관(미도시) 등을 설치하였다. 열실드 등을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳의 온도 구배를 조절하는 종래기술로는 대한민국 특허 등록번호 제374703호, 대한민국 특허 출원번호 제2000-0071000 호, 미국 특허등록번호 6,527,859 등이 있다.
그러나, 이러한 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 온도 구배 조절만으로는 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳 및 실리콘 웨이퍼를 생산하는 데 한계가 있다. 따라서, 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳 및 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
특히, 종래 방법에 따라 제조된, 반경 방향으로의 품질이 불균일한 실리콘 웨이퍼를 사용하여 반도체 디바이스를 제조하면, 디바이스 제조 공정 중에 수차례의 열처리를 거치면서 웨이퍼 내에 포함된 품질의 불균일성은 더욱 악화되어 결과적으로 디바이스 수율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 제조하여 면내 품질이 균일한 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 임계(critical) 공정 변수를 찾아내는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 최적의 공정 조건을 알아내는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 면내 품질이 균일한 실리콘 웨이퍼를 제조하여 디바이스 수율을 향상시키는 것이다.
이에 따라, 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법에 있어서, 석영 도가니 내부의 실리콘 융액의 대류 분포를 효과적으로 제어하여, 결정 성장 계면 근처에서의 산소의 분포 및 열의 분포를 균일하게 만듦으로써, 실리콘 단결정 잉곳 및 실리콘 웨이퍼에 내재하는 산소 및 점 결함 분포 등 품질 특성을 균일하게 제어할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 실리콘 융액의 대류를 중심 셀과 외주 셀로 구분할 때, 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 실리콘 융액의 표면 반지름에 대해 30 내지 60% 인 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.
이 때, 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이가 실리콘 융액의 최대 깊이에 대해 50% 보다 크거나 같은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 바람직하다.
특히, 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이가 실리콘 융액 최대 깊이의 80 내지 95% 인 상태이면 더욱 바람직하다.
중심 셀의 폭 또는 깊이는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부로 유입하는 아르곤 가스(Ar)의 유입량, 또는 실리콘 융액을 담고 있는 도가니의 회전 속도, 또는 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 제어될 수 있다.
구체적으로는 아르곤 유입량을 증가시키거나, 또는 석영 도가니의 회전 속도를 감소시키거나, 또는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 증가시키면, 중심 셀의 폭 또는 깊이를 증가시킬 수 있다.
상술한 방법에 의해 본 발명에서는 면내 산소 농도의 표준편차의 분포가 0.1 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
삭제
또한, 본 발명에서는, 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후의 산소 농도와, 상기 1차 열처리 전의 산소 농도의 차이인 델타(delta) 산소 농도의 면내 변화량이 0.5 ppma (parts per million atoms) (또는 0.25×1017 개/cm3) 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 웨이퍼는, 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 소수캐리어 수명(minority carrier life time : MCLT, 이하 MCLT라 칭함) 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대 최소간 차이가 10 보다 작거나 같다.
특히, 상술한 1차 및 2차 열처리 후 MCLT 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대 최소간 차이가 5 보다 작거나 같으며, 바람직하게는 3 보다 작거나 같을 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 반경방향으로의 산소 농도 분포의 표준편차가 0.1 보다 작거나 같은 실리콘 단결정 잉곳을 제공한다.
삭제
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은, 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장함에 있어서 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 온도 구배 조절 및 고-액 계면의 모양 조절만으로 달성되는 것이 아니라는 점을 인식한 데에서 출발하여, 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위해서는 실리콘 융액의 대류 분포를 제어해야 한다는 사실에 착안한 것이다.
도 2는 종래 방법에 따른 실리콘 융액(SM)의 대류 분포를 도시한 개략도이다. 종래 방법에 따라 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시키면, 도 2에 도시된 바와 같은 실리콘 융액(SM)의 대류 분포(A, B)를 가지게 된다.
즉, 실리콘 융액(SM)의 대류 분포는 크게, 석영 도가니(10)의 바닥부와 측벽부를 따라 실리콘 융액(SM)의 표면으로 상승하다가 실리콘 융액(SM)의 표면을 따라 실리콘 단결정 잉곳(IG) 쪽으로 순환하는 외주 셀(B)과, 외주 셀(B)의 내부 경사면을 따라 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 하부 근접 부분에서 순환하는 중심 셀(A)로 구분된다.
이 때 중심 셀(A)의 폭은 잉곳의 가장자리를 벗어나지 못하고 깊이는 실리콘 융액 최대 깊이의 절반에도 미치지 못하기 때문에, 중심 셀(A)의 크기는 외주 셀(B)에 비해 상대적으로 매우 작은 상태이며, 종래에는 이러한 중심 셀(A)의 크기를 제어하기 위한 별도의 노력이 없이 중심 셀(A)의 크기가 매우 작은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨다.
이에 따라, 가와니시 등이 저술한 "쵸크랄스키법에 의한 실리콘 성장과정에서 산소 수송의 직접 관찰을 위한 융액 켄칭 기술 (Melt quenching technique for direct observation of oxygen transport in the Czochralski-grown Si process)"(결정성장저널(Journal of Crystal Growth), Vo.152, 1995, pp 266-273)에 기술된 바와 같이, 외주 셀(B)에 함유된 산소량이 지속적으로 간섭하므로 결정 성장 계면 부근의 산소 농도 분포가 불균일해지게 된다.
또한 결정 성장 계면으로 충분한 열의 공급이 어렵기 때문에 열 분포가 불균일해지며, 결정 성장 계면의 모양이 가장 자리 부분에서는 잉곳 방향으로 휘어진 볼록한 형상(a)을, 중심 부분에서는 융액 방향으로 휘어진 오목한 형상(b)을 나타내게 된다. 따라서, 결정 성장 계면이 전체적으로 볼록(a)-오목(b)-볼록(a)한 형상인 불균일한 고액 계면 모양을 가진 상태에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장하였던 것이다.
상술한 바와 같은 종래 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로부터 슬라이싱(slicing)되고 경면가공(polishing)된 실리콘 웨이퍼는 반경 방향으로 불균일한 품질 특성을 나타내게 된다.
도 3은 본 발명에서 실리콘 융액(SM)의 대류 분포를 도시한 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 석영 도가니 내부에 있는 실리콘 융액의 대류를 중심 셀(Ao)과 외주 셀(Bo)로 구분하였을 때, 중심 셀(Ao)의 최대 수평 방향 폭(Wmax)이 실리콘 융액의 표면 반지름을 기준으로 30 내지 60%의 크기를 유지하도록 실리콘 융액의 대류 분포를 제어한다.
또는, 상술한 중심 셀의 최대 폭 제어에 더하여, 실리콘 융액 대류 분포의 중심 셀(Ao)의 최대 수직 방향 깊이(Hmax)가 실리콘 융액 최대 깊이의 50% 보다 크거나 같은 크기를 유지하도록, 실리콘 융액의 대류 분포를 제어할 수 있다.
이 때, 중심 셀(Ao)의 최대 수직 방향 깊이(Hmax)는 실리콘 융액 최대 깊이의 80 내지 95%의 크기를 유지하도록 실리콘 융액의 대류 분포를 제어하면 더욱 바람직하다.
상술한 바와 같이 석영 도가니 내부의 실리콘 융액의 대류, 특히 중심 셀(Ao)의 최대 수평 방향 폭(Wmax)과 최대 수직 방향 깊이(Hmax)가 적정 크기를 가지도록 제어하면, 결정 성장 계면의 형상이 잉곳 방향으로 휘어진 볼록(a)-볼록(a)-볼록(a)한, 즉 단일 볼록(single convex)이 되도록 만들 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 중심 셀(Ao)과 외주 셀(Bo)의 크기를 적정하게 제어함으로써, 석영 도가니 바닥부의 저온 영역(Tl)에 존재하는 실리콘 융액은 외주 셀(Bo)을 따라서 석영 도가니의 측벽 하단부의 고온 영역(Th)으로 이동하게 되고, 고온 영역(Th)에서 열을 충분히 공급받은 뒤에 실리콘 융액의 표면을 따라 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 이동하게 된다. 즉, 저온 영역(Tl)의 차가운 실리콘 융액이 곧바로 중심 셀(Ao)을 따라서 상승하여 결정 성장 계면에 영향을 주는 것을 방지 할 수 있는 것이다.
또, 중심 셀(Ao)과 외주 셀(Bo)이 접하는 영역이 넓게 형성됨으로써, 외주 셀(Bo)로부터의 고온의 열이 중심 셀(Ao)로 전달되는 열교환 영역(Trans)이 넓게 형성된다. 따라서, 중심 셀(Ao)과 외주 셀(Bo)의 활발한 열교환과 함께 안정적인 대류가 이루어지며, 중심 셀(Ao)로 열이 안정적으로 공급되는 것이다.
상술한 바와 같이 실리콘 융액 대류 분포를 제어한 결과, 본 발명에서는 면내 초기 산소 농도 [Oi]의 표준편차가 0.1 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
여기서, 면내 초기 산소 농도 [Oi]의 표준편차가 작을수록 산소 농도 값이 균일하게 분포하고 있음을 의미하고, 표준편차가 0인 것은 면내 산소 농도가 동일함을 의미하므로 가장 이상적인 경우이다. 따라서 표준편차의 하한치를 정하는 것은 무의미하고, 표준편차가 작을수록 바람직하다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 웨이퍼를 산소석출을 야기시키는 열처리 조건인, 95% 질소 및 5% 산소 분위기 하에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 동일 분위기 하에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 산소 농도를 측정하면, 열처리 전과 열처리 후의 산소 농도 차이인 델타(delta) [Oi] 가 웨이퍼 면 내에서 0.5ppma 보다 작거나 같은 정도의 변화량을 가진다.
여기서 1차 열처리와 후행된 2차 열처리는 산소 농도 및 점 결함 분포에 의존적인 실리콘 웨이퍼의 산소석출 특성을 확인하기 위한 열처리 사이클의 한 예이며, 본 발명은 이 열처리 사이클에 한정되지 않는다.
델타 [Oi]가 작을수록 열처리 전과 열처리 후의 산소 농도 차이가 작음을 의미하므로 바람직하며, 델타 [Oi]가 0이라면 이상적인 경우이다. 따라서 표준편차의 하한치를 정하는 것은 무의미하다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기 하에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 동일 분위기 하에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 소수캐리어수명(MCLT : minority carrier life time, 이하 MCLT라 칭함) 스캐닝을 수행하였을 때, 그 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대-최소간 차이가 10 보다 작거나 같다.
MCLT 스캐닝에 대한 설명은 대한민국 특허등록번호 제 10-0246816에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
특히, MCLT 스캐닝 결과 스케일바의 최대-최소간 차이를 5 보다 작거나 같도록 제어할 수도 있고, 보다 바람직하게는 3 보다 작거나 같도록 제어할 수도 있다.
여기서, MCLT 스캐닝 결과 스케일바의 최대-최소간 차이가 작을수록 웨이퍼 내 MCLT 값이 균일하게 분포하고 있음을 의미하고, 최대-최소간 차이가 0인 것은 면내 MCLT가 동일함을 의미하므로 가장 이상적인 경우이다. 따라서 최대-최소간 차이의 하한치를 정하는 것은 무의미하고, 최대-최소간 차이가 작을수록 바람직하다.
이와 같이, 면내 품질이 균일한 실리콘 웨이퍼를 제공하기 위해 실리콘 융액 대류의 중심 셀의 최대 수평 방향 폭 또는 최대 수직 방향 깊이의 크기를 제어하는 것은, 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부로 유입하는 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 조절하거나, 또는 석영 도가니의 회전 속도를 조절하거나, 또는 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 조절하는 것에 달성될 수 있다.
이 때 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 최적의 공정 변수로는 상술한 아르곤 가스의 유입량, 석영 도가니의 회전속도, 또는 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도만으로 한정되는 것은 아니고, 성장하고자 하는 잉곳의 직경, 도가니의 용량, 목적하는 웨이퍼의 품질 등에 따라서 적절한 다른 공정 변수를 채택할 수 있다.
그러나, 상술한 아르곤 가스의 유입량, 석영 도가니의 회전속도 및 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도가 실리콘 단결정 잉곳의 반경 방향으로의 품질에 미치는 영향을 다음의 실험예를 통해 알 수 있다.
실험예 1
먼저, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킴에 있어서, 석영 도가니의 회전 속도를 약 1.5rpm(rotation per min), 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 18rpm으로 한 상태에서, 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 50lpm(liter per min)으로 유입한 경우(Ar1)와, 100lpm으로 유입한 경우(Ar2)로 나누어 실리콘 융액의 대류 분포를 살펴보았다.
도 4a는 상술한 실험예 1에서의 실리콘 융액의 대류 분포를 도시한 개략도이다. 실험예 1의 결과, 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 50lpm으로 하였을 경우(Ar1)에는 도 4a에서 잉곳 중심축을 기준으로 하여 좌측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A1)의 최대 수평 방향 폭(W1max)이 실리콘 단결정 성장이 이루어지는 고-액 계면의 가 장 자리 부분을 넘지 못하였고, 또한, 중심 셀(A1)의 최대 수직 방향 폭(H1max)이 실리콘 융액 최대 깊이의 50% 보다 작은 상태였다.
한편, 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 100lpm으로 하였을 경우(Ar2)에는 도 4a에서 잉곳 중심축을 기준으로 하여 우측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A1')의 최대 수평 방향 폭(W1'max)이 고-액 계면보다 더 커지고 실리콘 융액 표면 반지름의 약 50% 정도를 차지하였고, 최대 수직 방향 깊이(H1'max)이 실리콘 융액 최대 깊이의 약 80%를 차지하였다.
따라서, 우측의 외주 셀(B1')의 크기는 좌측의 외주 셀(B1)에 비해 상대적으로 작아진 상태임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같은 실험예 1를 통해, 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부로 유입하는 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 증가시킴으로서, 실리콘 융액의 대류 분포 중 중심 셀의 크기를 확대시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
실험예 2
다음으로, 아르곤 가스의 유입량을 70 lpm으로 하고, 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 18 rpm으로 한 상태에서, 석영 도가니의 회전 속도를 4 rpm으로 한 경우와 0.5 rpm으로 한 경우로 나누어 실리콘 융액의 대류 분포를 살펴보았으며, 그 결과를 도 4b에 도시하였다.
석영 도가니의 회전 속도를 4rpm으로 하였을 경우에는 도 4b의 좌측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A2)의 크기는 그 최대 수평 방향 폭(W2max)이 실리콘 단결 정 성장 계면의 가장 자리 부분을 넘지 못하고, 최대 수직 방향 깊이(H2max)가 실리콘 융액 최대 깊이의 50% 보다 작은 상태였다.
그러나, 석영 도가니의 회전 속도를 0.5rpm으로 하였을 경우에는 도 4b의 우측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A2')의 크기는 그 최대 수평 방향 폭(W2'max)이 실리콘 융액 표면 반지름의 약 50% 정도를 차지하고, 그 최대 수직 방향 깊이(H2'max)가 실리콘 융액 최대 깊이의 약 90%를 차지하였다.
따라서, 우측의 외주 셀(B2')의 크기는 좌측의 외주 셀(B2)에 비해 상대적으로 작아진 상태임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같은 실험예 2를 통해, 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치된 석영 도가니의 회전 속도를 줄임으로써 실리콘 융액의 대류 분포 중 중심 셀의 크기를 확대시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
실험예 3
다음으로, 아르곤 가스의 유입량을 70 lpm으로 하고, 석영 도가니의 회전 속도를 0.1 rpm으로 한 상태에서, 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 20 rpm으로 한 경우와 12 rpm으로 한 경우로 나누어 실리콘 융액의 대류 분포를 살펴보았으며, 그 결과를 도 4c에 도시하였다.
실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 20rpm으로 하였을 경우에는 도 4c의 좌측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A3)의 최대 수평 방향 폭(W3max)이 실리콘 융액 표면 반지름의 약 50% 보다 크거나 같은 크기를 차지하고, 최대 수직 방향 깊이(H3max)가 실리콘 융액 최대 깊이의 거의 100%를 차지한 상태에서, 석영 도가니의 바닥부의 중심부분 일부와 접하면서 순환하였다.
그러나, 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 12rpm으로 하였을 경우에는 도 4c의 우측에 도시된 바와 같이, 중심 셀(A3')의 크기는 그 최대 수평 방향 폭(W3'max)이 실리콘 융액 표면 반지름의 약 50% 크기의 영역을 차지하고, 그 최대 수직 방향 깊이(H3'max)가 실리콘 융액 최대 깊이의 약 90%를 차지하였다.
따라서, 우측의 외주 셀(B3')의 크기는 좌측의 외주 셀(B3)에 비해 상대적으로 커진 상태임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같은 실험예 3를 통해, 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 증가시킴으로써 실리콘 융액의 대류 분포 중 중심 셀의 크기를 확대시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
상술한 바와 같은 실험예 1 내지 3의 결과로부터, 아르곤 유입량을 증가시키거나, 또는 석영 도가니의 회전 속도를 감소시키거나, 또는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 증가시키면, 실리콘 융액의 대류 분포 중에서 중심 셀의 크기를 확대시킬 수 있음을 알 수 있다.
이와 반대로 아르곤 가스의 유입량을 감소시키거나, 또는 석영 도가니의 회전 속도를 증가시키거나, 또는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 감소시키면 실리콘 융액의 대류 분포 중에서 중심 셀의 크기를 축소시킬 수 있다.
이는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 실리콘 융액의 대류 분포 즉, 중심 셀과 외주 셀의 상대적인 크기 분포는 공정 변수의 조절을 통해 적절히 제어 가능하며, 특히 아르곤 가스의 유입량, 또는 석영 도가니의 회전 속도, 또는 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도의 조절에 의해 제어 가능하다는 것을 의미한다.
그러나 실리콘 융액의 대류 분포에서 중심 셀과 외주 셀의 상대적인 크기 분포를 제어하는 공정 변수로서 제시된, 아르곤 가스의 유입량, 석영 도가니의 회전 속도, 또는 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도는 한 예에 불과하고 공정 변수가 이들 만으로 한정되는 것은 아니며, 이들 외에도 다른 공정 변수가 채택될 수도 있다.
실시예 1
실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예 1에서는 중심 셀의 최대 수평 방향 폭(Wmax)이 실리콘 융액의 표면 반지름을 기준으로 약 45%의 크기가 되도록 제어하고, 중심 셀(Ao)의 최대 수직 방향 깊이(Hmax)가 실리콘 융액 최대 깊이의 약 80%의 크기를 유지하도록 실리콘 융액의 대류 분포를 제어한 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 제조하였다.
제조한 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 및 경면가공하여 제작한 실리콘 웨이퍼의 반경방향으로의 거리에 대한 초기 산소 농도 [Oi]의 분포를 측정하였고, 그 결과를 도 5a에 도시하였다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같은 종래 방법에 따라 실리콘 잉곳을 제조하는 비교예 1을 수행하였으며, 비교예 1에서 제조된 실리콘 잉곳으로부터 제작된 실리콘 웨이퍼에 대해서도 동일한 방법으로 초기 산소 농도 [Oi]를 측정하였고, 그 결 과를 도 6a에 도시하였다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼는 초기 산소 농도의 반경 방향 분포가 거의 균일한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이와는 대조적으로 도 6a에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼는 반경 방향으로의 초기 산소 농도가 중심에서 가장자리로 갈수록 감소됨을 확인할 수 있었다.
다음, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼 10장에 대해서, 각 웨이퍼에서는 20 포인트에서 초기 산소 농도를 측정하고 표준편차를 구한 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
비교예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼에 대해서도 동일한 방법으로 초기 산소 농도를 측정하고 표준편차를 구한 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
웨이퍼 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 평균
실시예 0.033 0.031 0.027 0.041 0.039 0.028 0.039 0.025 0.023 0.032 0.032
비교예 0.161 0.173 0.159 0.181 0.175 0.163 0.167 0.180 0.188 0.176 0.172
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에서는 웨이퍼의 면내 초기 산소 농도 분포의 표준편차가 모두 0.041 보다 작거나 같은 값을 나타내었다.
반면에, 비교예 1에서는 면내 초기 산소 농도 분포의 표준편차가 모두 0.16을 초과하는 큰 값을 나타내었다.
다음, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분 위기 하에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 동일 분위기 하에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 산소 농도를 측정하였으며, 이러한 열처리 전과 열처리 후의 산소 농도 차이인 델타(delta) [Oi]를 웨이퍼 반경방향으로의 거리에 대해 측정한 결과를 도 5b에 도시하였다.
비교예 1에 대해서도 동일한 열처리를 수행하였으며 그 결과 웨이퍼 반경방향으로의 거리에 대한 델타 [Oi]를 도 6b에 도시하였다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 웨이퍼에서는 열처리 전과 열처리 후 간의 델타 [Oi]가 반경방향으로 매우 균일하며 반경방향으로의 변화량이 0.5 ppma 보다 작거나 같음을 확인할 수 있었다.
반면에, 비교예 1에서는 도6b에 도시된 바와 같이, Delta [Oi] 값이 반경방향으로 매우 불균일하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 종래 방법에서는 실리콘 단결정 잉곳의 결정성장 중에, 결정 성장 계면 부근의 액상에서 중심부와 외주부, 그리고 그 사이의 중간 영역이 모두 다른 열 분포를 갖기 때문이다. 따라서 그 액상으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 가공하여 얻은 실리콘 웨이퍼 역시 불균일한 품질을 가지게 된다.
한편, 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 웨이퍼를 상술한 바와 같은 조건으로 열처리한 후 MCLT 스캐닝을 수행하였으며, 그 결과 얻어진 이미지를 도 5c에 도시하였다.
비교예 1에 대해서도 동일한 방법으로 MCLT 스캐닝을 수행하였으며 그 결과를 도 6c에 도시하였다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 웨이퍼에 대한 MCLT 스캐닝 결과에서는 스케일바의 최대-최소간 차이가 1.173 정도를 나타내었으며, 이 결과로부터 웨이퍼의 품질이 매우 균일함을 알 수 있었다.
반면에, 비교예 1에 따라 제조된 웨이퍼에서는 도 6c에 도시된 바와 같이 스케일바의 최대-최소간 차이가 약 18이며, 이 수치는 본 발명의 실시예 1의 경우에 비해 매우 크며 이로써 비교예 1에 따른 웨이퍼의 품질이 본 발명의 실시예 1에 비해 매우 불균일함을 알 수 있었다.
실시예 2
앞에서 언급한 실험예 2의 조건으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장하였으며, 실험예 2의 두 조건을 각각 실시예 2 및 비교예 2로 정의하기로 한다.
즉, 실시예 2에서는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 내부로 유입하는 아르곤 가스의 유입량을 70 lpm으로 하고, 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 18 rpm으로 하며, 석영 도가니의 회전 속도를 0.5 rpm으로 하여 실리콘 융액의 대류 분포를 제어하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하였다.
이러한 실시예 2에 따르면 실리콘 융액의 대류 분포 중 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 실리콘 융액 표면 반지름의 약 50%를 차지하고, 최대 수직 방향 깊이가 실리콘 융액 최대 깊이의 약 90%를 차지하였다.
비교예 2에서는 석영 도가니의 회전 속도를 4 rpm으로 한 것을 제외하면 나머지 아르곤 가스의 유입량 및 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도는 실시예 2와 동일 한 조건으로 실리콘 단결정 잉곳을 제조하였다.
이러한 비교예 2에 따르면 실리콘 융액의 대류 분포 중 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 실리콘 단결정 성장 계면의 가장자리 부분을 넘지 못하였고, 최대 수직 방향 깊이가 실리콘 융액 최대 깊이의 50% 보다 작았다.
상술한 실시예 2 및 비교예 2에 있어서, 각각의 수율(%)을 비교하여 다음의 표 2에 정리하였다. 여기서 수율은 단결정화율을 기준으로 비교하였으며, 단결정화율이란, 실제 투입된 실리콘의 양에 대한 단결정화된 양의 비율을 말한다. 또, 이러한 수율 비교는 실리콘 단결정 잉곳을 10회 성장시키면서 각각 측정한 후, 이들의 평균을 구하여 표 2에 함께 나타내었다.
로트번호 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 평균
실시예 2 80 80 62 80 80 80 80 80 80 80 78
비교예 2 61 59 80 80 64 60 80 55 53 80 67
표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2의 경우 실리콘 단결정 잉곳의 단결정화율이 대부분 80%에 달했으며, 평균값은 약 78%에 이르렀다. 반면에, 비교예 2의 경우 실리콘 단결정 잉곳의 단결정화율이 평균 67% 정도로 상대적으로 낮았다.
따라서, 표 2로부터 본 발명의 실시예 2에 따르면 종래 방법에 비해 평균 약 11%를 더 많이 단결정화시켜, 수율이 증대되었다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법에 있어서, 석영 도가니 내부의 실리콘 융액의 대류 분포를 제어하여, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳에 혼입되는 산소 농도 및 점 결함의 분포를 균일하게 제어함으로써 반경 방향 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳 및 면내 품질이 균일한 실리콘 웨이퍼 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위해서는 실리콘 융액의 대류 분포를 제어해야 함을 밝혀내고, 이러한 대류 분포를 아르곤 가스의 유입량, 석영 도가니의 회전 속도, 또는 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도 등의 조절에 의해 제어하기 때문에, 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 임계 공정 변수를 찾아낸 효과가 있다.
그리고 반경 방향으로의 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 최적의 공정 조건을 알 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 종래보다 반도체 디바이스 수율을 중대시키고, 이로 인해 실리콘 웨이퍼의 제조비용을 절감시키는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서,
    실리콘 융액의 대류를 중심 셀과 외주 셀로 구분할 때, 상기 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 상기 실리콘 융액의 표면 반지름에 대해 30 내지 60% 인 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이가 상기 실리콘 융액의 최대 깊이에 대해 50% 보다 크거나 같은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중심 셀의 최대 수직 방향 깊이는 상기 실리콘 융액 최대 깊이의 80 내지 95% 인 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 셀의 폭 또는 깊이는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부로 유입하는 아르곤 가스(Ar)의 유입량을 조절하는 것에 의해 제어되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아르곤 가스의 유입량을 증가시키면 상기 중심 셀의 폭 또는 깊이가 증가하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 셀의 폭 또는 깊이는 상기 실리콘 융액을 담고 있는 도가니의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 제어되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 도가니의 회전 속도를 감소시키면 상기 중심 셀의 폭 또는 깊이가 증가하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 셀의 폭 또는 깊이는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 제어되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘 단결정 잉곳의 회전 속도를 증가시키면 상기 중심 셀의 폭 또는 깊이가 증가하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  10. 쵸크랄스키 법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 제작되는 실리콘 웨이퍼에 있어서,
    상기 실리콘 단결정 잉곳은, 실리콘 융액의 대류를 중심 셀과 외주 셀로 구분할 때, 상기 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 상기 실리콘 융액의 표면 반지름에 대해 30 내지 60% 인 상태에서 성장된 것이며,
    상기 성장된 실리콘 단결정 잉곳에 따라 면내 산소 농도 분포의 표준편차가 0.1 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후의 산소 농도와, 상기 1차 열처리 전의 산소 농도의 차이인 델타(delta) 산소 농도의 면내 변화량이 0.5ppma 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 소수캐리어 수명(minority carrier life time) 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대 최소간 차이가 10 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 소수캐리어 수명(minority carrier life time) 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대 최소간 차이가 5 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 800℃ 온도로 4시간 동안 1차 열처리하고, 95% 질소 및 5% 산소 분위기에서 1000℃ 온도로 16시간 동안 2차 열처리한 후 소수캐리어 수명(minority carrier life time) 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지에서 스케일바의 최대 최소간 차이가 3 보다 작거나 같은 실리콘 웨이퍼.
  16. 쵸크랄스키 법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳에 있어서,
    상기 실리콘 단결정 잉곳은, 실리콘 융액의 대류를 중심 셀과 외주 셀로 구분할 때, 상기 중심 셀의 최대 수평 방향 폭이 상기 실리콘 융액의 표면 반지름에 대해 30 내지 60% 인 상태에서 성장된 것이며,
    반경방향으로의 산소 농도 분포의 표준편차가 0.1 보다 작거나 같은 실리콘 단결정 잉곳.
  17. 삭제
  18. 실리콘 웨이퍼 제조방법에 있어서,
    청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing)하는 단계와, 경면가공하는 단계를 포함하여 된 실리콘 웨이퍼 제조방법.
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