KR100669299B1 - 높은 성장 속도를 이용한 저 결함 밀도 실리콘 제조 방법 - Google Patents
높은 성장 속도를 이용한 저 결함 밀도 실리콘 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 축 대칭 영역을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 (i) 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함이 되는 일정 직경 부분 내에 영역을 형성하는 단계, (ii) 상기 영역내의 베이컨시의 농도를 감소시키는 가열된 표면으로부터 상기 영역으로의 실리콘 셀프 인터스티셜 원자들의 열적 유도 내부 유입을 일으키도록 상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열하는 단계, 및 (iii) 상기 영역의 형성과 상기 영역내의 베이컨시의 농도의 감소 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생하는 온도 TA를 초과하여 상기 영역의 온도를 유지하는 단계를 포함한다.
고유 점 결함, 베이컨시, 셀프-인터스티셜, 저 결함 밀도 실리콘, 응집 결함
Description
본 발명은 일반적으로 전자 부품의 제조에 사용되는 반도체급 실리콘 단결정의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 베이컨시형 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 그로부터 얻어지는 웨이퍼에 관한 것으로, 여기에서 잉곳은 내부에 베이컨시형 응집 고유 점 결함이 발생되지 않는 속도로 성장된다.
반도체 전자 부품의 제조를 위한 대부분의 공정에 있어서 출발 재료인 단결정 실리콘은 일반적으로 소위 초크랄스키('CZ')법에 의해 제조된다. 이 방법에서는, 다결정 실리콘('폴리실리콘')이 도가니에 충전되어 용융되고, 시드 결정(seed crystal)을 용융된 실리콘과 접촉시켜 저속 인상(extraction)시킴으로써, 단결정이 성장된다. 네크(neck)의 형성이 완료된 후, 결정의 직경은 원하는 또는 목표 직경에 도달할 때까지 인상 속도(pulling rate) 및/또는 용융 온도를 감소시킴으로써 확대되며, 이로써 시드-콘이 형성된다. 그 후, 대략적으로 일정한 직경을 갖는 결정의 원통형 본체는 감소하는 용융 레벨을 보상하면서 인상 속도 및 용융 온도를 제어함으로써 성장된다. 성장 과정이 완료될 즈음, 그러나 도가니 내의 용융 실리콘이 소진되기 전에, 엔드-콘(end-cone)을 형성하기 위해 결정 직경은 차차 감소되 어야 한다. 전형적으로, 엔드-콘은 결정 인상 속도와 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 직경이 충분히 작아졌을 때, 결정은 용융체(melt)로부터 분리된다.
최근에, 단결정 실리콘 내의 다수의 결함은 결정이 응고 후 냉각됨에 따라 결정 성장 챔버 내에서 형성되는 것으로 인식되어 왔다. 이러한 결함은 부분적으로는, 베이컨시 및 셀프-인터스티셜(self-interstitial)로 알려진 고유 점 결함의 과도한 존재(즉, 용해도 한계를 넘는 농도)로 인해 발생한다. 용융체로부터 성장된 실리콘 결정은 일반적으로 결정 격자 베이컨시('V') 또는 실리콘 셀프-인터스티셜('I') 중 하나 또는 다른 형태의 고유 점 결함이 과도하도록 성장된다. 실리콘 내의 이들 점 결함의 종류 및 초기 농도는 응고시에 결정되며, 이들 농도가 시스템에서 임계 과포화 수준에 도달하고 점 결함의 이동도가 충분히 높으면, 반응 또는 응집 현상이 발생하게 되는 것으로 제안되었다. 실리콘 내의 응집 고유 점 결함은 복잡한 고집적 회로의 제조에서 재료의 수율 능력(yield potential)에 심각한 영향을 줄 수 있다.
베이컨시형의 결함은 D-결함, 플로우 패턴 결함(FPD: Flow Pattern Defect), 게이트 산화막 인테그리티(GOI: Gate Oxide Integrity) 결함, 결정 유발성 입자(COP: Crystal Originated Particle) 결함 및 결정 유발성 라이트 점 결함(LPD: Light Point Defect) 등의 관찰 가능한 결정 결함과; 스캐닝 적외선 현미경(Scanning Infrared Microscopy) 및 레이저 스캐닝 토모그래피(Laser Scanning Tomography) 등의 적외선 스캐터링 기술에 의해 관찰되는 특정 종류의 벌크 결함(bulk defect)의 원인인 것으로 인식된다. 또한, 베이컨시가 과도하게 존재하는 영역에는 링 산화 유도 적층 결함(OISF: Oxidation Induced Stacking Fault)의 핵으로서 기능하는 결함들이 존재한다. 이 특정 결함은 과도한 베이컨시의 존재에 의해 촉진되는, 고온에서 핵생성된 산소 응집체(high temperature nucleated oxygen agglomerate)인 것으로 판단된다.
셀프-인터스티셜과 관련된 결함은 별로 연구되지 못했다. 이들은 일반적으로 저밀도의 인터스티셜 형태의 전위 루프 또는 네트워크인 것으로 간주된다. 이러한 결함은 중요한 웨이퍼 성능 기준인 게이트 산화막 인테그리티 불량을 일으키지는 않지만, 대개 전류 누설 문제와 관련된 다른 형태의 소자 불량의 원인인 것으로 널리 인정된다.
초크랄스키 실리콘에서 이러한 베이컨시 및 셀프-인터스티셜 응집 결함의 밀도는 역사적으로 약 1×103/㎤ 내지 약 1×107/㎤의 범위 내에 있다. 이들 값은 비교적 낮지만, 응집 고유 점 결함은 소자 제조업자에게 점점 중요해지고 있으며 사실상 이제는 소자 제조 공정에서 수율 제한 인자로서 간주된다.
응집 결함의 형성을 제어하기 위해 제안된 하나의 접근 방식은 용융 실리콘으로부터의 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도 v - 빠른 인상 속도는 베이컨시 풍부 물질을, 느린 인상 속도는 인터스티셜 풍부 물질을 만드는 경향이 있음 - 와 성장하는 결정의 고체-액체 계면 근방의 축방향 온도 구배 G를 제어함으로써 단결정 실리콘이 용융 실리콘으로부터 응고되어 형성될 때의 점 결함의 초기 농도를 제어하 는 것이다. 특히, 축방향 온도 구배의 반경방향 편차는 5℃/㎝ 이하여야 한다고 제안되었다(예컨대, 이이다(Iida) 등의 유럽 특허 제0890662호를 참조). 그러나, 이러한 접근 방식은 결정 인상 장치의 핫 존의 정밀한 설계 및 제어를 필요로 한다.
응집 결함의 형성을 제어하기 위해 제안된 다른 접근 방식은, 단결정 실리콘이 실리콘 용융체로부터 응고되어 형성될 때의 베이컨시 또는 인터스티셜 점 결함의 초기 농도를 제어하고, 그 후에 응고 온도로부터 약 1,050℃의 온도까지 결정의 냉각 속도를 제어함으로써 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들 또는 베이컨시의 확산이 가능하도록 하고, 이로써 응집 반응이 발생하는 수치 미만인 수치로 베이컨시 시스템 또는 인터스티셜 시스템의 과포화를 유지하는 것이다(예컨대, 폴스터(Falster) 등의 미국 특허 제5,919,302호 및 폴스터 등의 국제 특허 공개 WO98/45509호를 참조). 하지만, 베이컨시 확산은 실리콘 셀프-인터스티셜보다 속도가 훨씬 느린 것으로 일반적으로 인정된다. 따라서, 이들 접근 방식은 응집 베이컨시 또는 인터스티셜 결함이 거의 없는 단결정 실리콘을 제조하는 데는 성공적으로 사용될 수도 있지만, 베이컨시 및 인터스티셜의 충분한 확산을 가능케 하는 데 필요한 시간으로 인하여, 그 증가된 성장 속도의 이점은 감소되고, 한편 인터스티셜이 지배적인 잉곳을 형성하는데 필요한 그 감소된 성장 속도로 인하여 인터스티셜의 확산을 가능케 하는데 필요한 그 감소된 냉각 시간의 이점은 감소된다. 이는 결정 인상 장치의 처리 용량(throughput)을 감소시키는 결과를 가져올 수도 있다.
발명의 개요
본 발명의 여러 가지 목적 및 특징들 중에서, 응집 결함이 거의 없는 영역을 가진 단결정 실리콘 잉곳 및 그로부터 얻어지는 웨이퍼를 제조하는 방법; 베이컨시가 초기에 상기 영역에서 지배적인 고유 점 결함이 되는 방법; 응고 후에 상기 영역에서의 베이컨시 농도가 잉곳의 일정 직경 부분에서의 측면으로부터 주입되는 실리콘 셀프-인터스티셜과의 재결합을 통해 감소되는 방법; 잉곳의 성장 동안 인터스티셜의 유입(flux)을 열적으로 유도함으로써 인터스티셜의 주입이 이루어지는 방법; 잉곳이 용융체로부터 분리된 후에, 인터스티셜의 열적으로 유도되는 유입이 성취되는 공정; 베이컨시 지배 영역이 인터스티셜 지배 영역으로 전환되는 방법; 결정 인상 장치의 처리 용량을 실질적으로 저하시키지 않는 방법; 결함이 없는 실리콘 잉곳의 제조시 결정 인상 장치의 인상 속도 한계를 실질적으로 감소시키는 방법; 및 결정 인상 장치의 평균 축방향 온도 구배 G0 한계를 실질적으로 감소시키는 방법의 제공을 주목할 필요가 있다.
따라서, 간략하게 말하면, 본 발명은 중심축과, 시드-콘과, 엔드-콘과, 이 시드-콘과 엔드-콘 사이의 일정 직경 부분을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 방법, 및 잉곳의 일정 직경 부분의 일부를 포함하며 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 영역을 제공하고자 한다. 이 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 용융체로부터 성장되며, 이 방법은 (i) 일정 직경 부분 내에 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함인 영역을 형성하는 단계, (ii)상기 영역에서의 베이컨시의 농도를 감소시키는 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들을 가열된 표면으로부터 상기 영역으로 내부 유입시키기 위하여 상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열하는 단계, 및 (iii) 상기 영역의 형성과 상기 영역에서의 베이컨시의 농도의 감소 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생하는 온도 TA를 초과하는 온도로 상기 영역의 온도를 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명은 중심축과, 시드-콘과, 엔드-콘과, 이 시드-콘과 엔드-콘 사이의 일정 직경 부분을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 방법, 및 잉곳의 일정 직경 부분의 일부를 포함하며 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 영역을 또한 제공하고자 한다. 이 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 용융체로부터 성장되고, 이 방법은 (i) 일정 직경 부분 내에 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함인 영역을 형성하는 단계, (ii) 상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열함으로써 그 가열된 표면으로부터 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들을 상기 영역으로 내부 유입시켜 상기 영역을 베이컨시 지배 영역으로부터 인터스티셜 지배 영역으로 변환하는 단계, 및 (iii) 상기 영역의 형성과 상기 영역에서의 베이컨시의 농도의 감소 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생하는 온도 TA를 초과하는 온도로 상기 영역의 온도를 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명은 중심축과, 시드-콘과, 엔드-콘과, 이 시드-콘과 엔드-콘 사이의 일정 직경 부분을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 방법, 및 잉곳의 일정 직경 부분의 일부를 포함하며 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 영역을 또한 제공하고자 한다. 이 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 용융체로부터 성장되 고, 이 방법은 (i) 일정 직경 부분 내에 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함인 영역을 형성하는 단계, (ii) 상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열함으로써 그 가열된 표면으로부터 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들을 상기 영역으로 내부 유입시켜 상기 영역을 베이컨시 지배 영역으로부터 인터스티셜 지배 영역으로 변환하는 단계 - 여기서, 인터스티셜의 농도는 잉곳의 종래 냉각 방식에서 인터스티셜의 응집을 발생시키는데 필요한 포화 농도 정도 또는 그 이상임 - , 및 (iii) 상기 영역의 형성과 상기 영역에서의 베이컨시의 농도의 감소 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생하는 온도 TA를 초과하는 온도로 상기 영역의 온도를 유지하는 단계, 및 (iv) 잉곳 냉각시 응집 인터스티셜이 형성되지 않도록, 상기 영역 내의 인터스티셜의 농도를 억제하기 위하여 응집 인터스티셜이 핵생성될 수 있는 온도 범위에 걸쳐 상기 영역의 냉각을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 중심축과, 시드-콘과, 엔드-콘과, 이 시드-콘과 엔드-콘 사이의 일정 직경 부분을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 방법, 및 잉곳의 일정 직경 부분의 일부를 포함하며 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 영역을 또한 제공하고자 한다. 이 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 용융체로부터 성장되고, 이 방법은 (i) 일정 직경 부분 내에 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함인 영역을 형성하는 단계, (ii) 상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열함으로써 그 가열된 표면으로부터 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들을 상기 영역으로 내부 유입시켜 상기 영역을 베이컨시 지배 영역으로부터 인터스티셜 지배 영역으로 변환하는 단계 - 인터스티셜의 농도는 종래 잉곳의 냉각시 인터스티셜의 응집을 발생시키는데 요구되는 적어도 대략 포화 농도 또는 그 이상임 -, (iii) 상기 영역의 형성과 상기 영역에서의 베이컨시의 농도의 감소 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생하는 온도 TA를 초과한 온도로 상기 영역의 온도를 유지하는 단계, 및 (iv) 응집된 인터스티셜의 형성을 방지하기 위하여 응집된 인터스티셜이 핵생성될 수 있는 온도 범위에 걸쳐 상기 영역을 급냉하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하에서 부분적으로 명백해지고 부분적으로 밝혀질 것이다.
도 1은 성장 속도가 v이고 평균 축방향 온도 구배가 G0일때 비율 v/G0의 값이 증가함에 따라 셀프-인터스티셜[I] 및 베이컨시[V]의 초기 농도가 어떻게 변화하는 지의 예를 도시한 그래프.
도 2는 주어진 셀프-인터스티셜의 초기 농도[I]에 대해 온도 T가 감소함에 따라 응집 고유 결함의 형성에 필요한 자유 에너지의 변화(ΔGI)가 어떻게 증가하는 지의 예를 도시한 그래프.
도 3은 응집 고유 점 결함이 핵생성되는 온도 범위에 걸쳐 잉곳을 급냉시킴으로써 제조되는 잉곳의 단면도.
도 4는 B-결함 소멸 열처리를 행하기 전의 B-결함을 가진 웨이퍼와 B-결함 소멸 열처리를 행한 후의 B-결함을 가진 웨이퍼를 비교한 도면.
바람직한 실시예의 상세한 설명
현재까지의 실험적 증거에 기초하여, 고유 점 결함의 종류 및 초기 농도는 잉곳이 응고 온도(즉, 약 1410℃)로부터 1300℃를 초과하는 온도(즉, 적어도 약 1325℃, 적어도 약 1350℃ 또는 심지어 적어도 약 1375℃)까지 냉각됨에 따라 초기에 결정되는 것으로 보인다. 즉, 이들 결함의 종류 및 초기 농도는 비율 v/G0(여기에서, v는 성장 속도이고, G0은 평균 축방향 온도 구배)에 의해 제어되는 것으로 믿어진다.
베이컨시가 지배적인 재료와 인터스티셜이 지배적인 재료 사이의 전이는, 현재 이용 가능한 정보에 기초하면, 약 2.1×10-5 ㎠/sK인 것으로 보이는 v/G0(여기에서, G0은 축방향 온도 구배가 앞에서 정의된 온도 범위 내에서 일정하다는 조건 하에서 결정됨)의 임계값에서 발생한다. 이러한 임계값에서, 이들 고유 점 결함의 결과적인 농도들은 동일하다. v/G0의 값이 임계값을 초과하면, 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함이 되고, v/G0의 값의 증가에 따라 베이컨시의 농도는 증가한다. v/G0의 값이 임계값 미만이면, 실리콘 셀프-인터스티셜이 지배적인 고유 점 결함이 되고, v/G0의 값의 감소에 따라 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도는 증가한다. 따라 서, 주어진 G0에 대하여, 인상 속도의 감소는 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도를 증가시키는 경향이 있고 인상 속도의 증가는 베이컨시의 농도를 증가시키는 경향이 있다.
한번 고유 점 결함의 초기 농도가 설정되면, 응집 결함의 형성은 시스템의 자유 에너지에 의존하는 것으로 생각된다. 고유 점 결함의 주어진 농도에 대하여, 온도의 하강은 고유 점 결함들로부터 응집 결함을 형성하는 반응에 대한 자유 에너지의 변화를 증가시킨다. 따라서, 베이컨시 또는 인터스티셜의 농도를 포함하는 영역이 응고 온도로부터 응집 결함이 핵생성되는 온도에 걸쳐 냉각됨에 따라, 응집 베이컨시 결함 또는 인터스티셜 결함 형성의 에너지 장벽에 도달한다. 냉각이 지속됨에 따라, 결국 이 에너지 장벽을 넘을 수 있게 되며, 이 시점에서 응집 반응이 발생한다.(예컨대, 폴스터 등의 미국 특허 번호 제5,919,302호 및 폴스터 등의 국제 특허 공개 번호 W0 98/45509 참조).
놀랍게도, 단결정 실리콘 잉곳은, 초기에 비교적 고농도의 베이컨시를 제조하는 높은 성장 속도로 인상될 수 있고, 이들 농도는 응집 반응이 발생하기 전에 잉곳의 측면으로부터 인터스티셜을 주입함으로써 억제될 수도 있다는 것이 발견되었다. 일반적으로, 잉곳의 측면을 잉곳의 내부의 온도를 초과하는 온도로 가열하여 표면으로부터 내부로의 열적 구배를 발생시킴으로써, 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들을 주입할 수 있다. 일 실시예에서는, 베이컨시의 농도가 이러한 주입에 의해서 단순히 감소되기만 한다. 다른 실시예에서는, 주입된 실리콘 셀프-인터스티 셜 원자들의 수가 베이컨시 지배 실리콘으로부터 실리콘 셀프-인터스티셜 지배 실리콘으로 변환시키기에 충분하다.
따라서, 본 발명의 방법에서, 공칭 직경이 적어도 약 125mm, 바람직하게는 적어도 약 150mm, 및 전형적으로는 적어도 약 200mm 또는 심지어 적어도 약 300mm인 일정 직경 부분을 가진 잉곳은, 베이컨시가 지배적인 적어도 하나의 영역을 초기에 제조하기 위한 인상 속도로 성장된다(즉, 잉곳의 축과 반경을 따라 일부 점에서 v/G0의 값이 v/G0의 입계값보다 큰 조건 하에서 성장됨). 베이컨시 지배 영역은 반경 방향과 축 방향으로 변화할 수 있다.
전형적인 초크랄스키 결정 성장 조건 하에서, 결정 성장 속도 v는 결정축으로부터의 반경방향 거리의 함수로서 실질적으로 일정하지만, G0는 일반적으로 결정축에서는 최대값이고, 점차 감소하여 잉곳의 측면에서는 최소값이 된다. 결과적으로, 결정 격자 베이컨시의 농도는 통상적으로 잉곳축으로부터의 반경방향 거리가 증가함에 따라서 감소하고, 실리콘의 베이컨시 지배 영역은, 일단 존재하면, 잉곳의 축으로부터 측정된 일부 반경방향 거리 Rv와 잉곳의 축 사이의 축대칭 영역을 점유한다. 바람직하게는, Rv는 잉곳의 일정 직경 부분의 반경의 적어도 약 1%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 5%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 10%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 25%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 75%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 약 90%의 값을 갖는다.
v/G0는 축방향 위치의 함수로서, v, G0, 또는 v 및 G0 양자의 변화에 의해 변할 수 있고, 베이컨시 지배 실리콘의 축대칭 영역의 폭은 축방향 위치의 함수로서 변할 수 있다. 달리 표현하면, 베이컨시 지배의 축대칭 영역의 반경방향 폭은 축방향 위치의 함수로서 증가할 수도 감소할 수도 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 잉곳의 일정 직경 부분의 성장 동안 v/G0의 변동으로, 잉곳의 일정 직경 부분의 축방향 길이와 동일하거나 또는 그보다 작은 축방향 길이를 갖는 단일의 베이컨시 지배 영역이 초기에 제조될 수도 있다. 즉, 베이컨시 지배의 축대칭 영역은, 잉곳의 일정 직경 부분의 축방향 길이의 적어도 약 1%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 5%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 10%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 25%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 75%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 90%의 축방향 길이를 갖는다. 통상적으로, 본 실시예는 최대 성장 속도 v로결정의 일정 직경 부분을 성장시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 다른 실시예에서, 비록 현재는 덜 바람직하더라도, 인터스티셜 지배 영역(들)에 의해서 분리되는 복수의(예를 들면, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 심지어 10) 불연속 베이컨시 지배 영역을 초기에 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 잉곳의 일정 직경 부분 내에 하나 또는 복수의 베이컨시 지배 영역이 초기에 있는 지의 여부에 관계 없이, 통상적으로, 잉곳의 일정 직경 부분에서의 초기 베이컨시 지배의 축대칭 영역(들)의 총 체적은, 잉곳의 일정 직경 영역 부분의 체적의 적어도 약 1%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 5%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 10%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 25%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 75%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 90%를 점유하는 것이 바람직하다.
잉곳이 성장됨에 따라, 잉곳에서 이미 응고된 부분이 일반적으로 냉각된다. 그러나, 본 발명의 방법에서, 잉곳의 측면을 가열하여 실리콘 셀프-인터스티셜이 이 영역으로 주입될 때까지, 베이컨시 지배 영역은 응집 베이컨시 결함이 형성되는 온도를 초과하는 온도로 유지된다. 통상적으로, 고유 점 결함의 농도가 증가함에 따라 핵생성 온도가 증가한다. 또한, 응집 베이컨시형 결함에 대한 핵생성 온도의 범위는 응집 인터스티셜형 결함에 대한 핵생성 온도의 범위보다 약간 크다. 달리 표현하면, 초크랄스키 성장 단결정 실리콘에서 통상적으로 생성되는 베이컨시 농도의 범위에 있어서, 응집 베이컨시 결함에 대한 핵생성 온도는 통상적으로 약 1,000℃와 약 1,200℃ 사이이고 전형적으로는 1,000℃와 1,100℃ 사이이며, 한편 초크랄스키 성장 단결정 실리콘에 전형적으로 생성되는 실리콘 셀프-인터스티셜 농도의 범위에 있어서, 응집 인터스티셜 결함에 대한 핵생성 온도는 통상적으로 약 850℃와 약 1,100℃ 사이이고, 전형적으로는 약 870℃와 약 970℃ 사이이다.
베이컨시가 핵생성될 수 있는 온도보다 높은 온도로 베이컨시 지배 영역을 냉각시킨 후, 잉곳의 측면 또는 그 일부가 재가열된다. 즉, 초기에 냉각된 후에, 측면이 가열되어 잉곳의 측면과 내부 사이에 열적 구배가 생성된다. 전형적으로, 적어도 약 10℃/㎝의 온도 구배(베이컨시 지배 영역을 향하여 잉곳의 표면으로부터 측정된 경우), 바람직하게는 적어도 약 20℃/㎝, 30℃/㎝, 40℃/㎝, 50℃/㎝ 또는 그 이상의 온도 구배를 형성하기에 충분한 온도로 상기 측면이 가열된다. 따라서, 측면은 적어도 1200℃, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1250℃, 가장 바람직하게는 적어도 약 1300℃이고, 실리콘의 대략 응고 온도(즉, 약 1400℃)보다는 낮은 온도로 가열된다. 그러나, 실질적인 문제로서, 실리콘의 응고 온도에 가까운 온도로 측면을 가열하면서 동시에 소망하는 열적 구배를 유도하는 것이 곤란하다는 것이다. 따라서, 비록 측면이 약 1200℃ 내지 약 1400℃의 온도 범위로 가열될 수 있더라도, 측면은 더욱 바람직하게는 약 1300℃ 내지 약 1375℃의 온도 범위로 가열되고, 가장 바람직하게는 약 1325℃ 내지 약 1350℃의 온도로 가열된다.
측면을 가열하기 전의 잉곳의 온도는 측면으로부터 잉곳의 축을 향하여 잉곳의 반경을 따라 대체로 증가하므로 잉곳의 내부보다 측면에서의 온도가 낮기 때문에, 측면 가열시, 잉곳의 반경보다 짧은 거리의 영역과 측면 사이에서만 열적 구배가 형성될 수 있고, 실제로 측면으로부터 베이컨시 지배 영역의 외부 경계까지의 거리보다 짧은 거리까지의 영역과 측면 사이에서만 존재할 수 있다. 결과적으로, 인터스티셜의 열적 유도 내부 유입이 반경의 약 20%, 40%, 60%, 80% 또는 그 이상에 대해서만 이루어질 수 있다. 비록 온도 구배가 측면으로부터 베이컨시 지배 영역까지 연장되지 않더라도, 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도 구배는 인터스티셜의 열적 유도 유입이 온도 구배를 넘어서기에 충분한 구동력을 제공함으로써 인터스티셜이 베이컨시 지배 영역을 향하여 온도 구배를 넘어 계속해서 확산하게 하는 것으로 알려져 있다. 달리 표현하면, 한번 인터스티셜이 열적 구배에 의해서 생성되면, 이들은 보다 농도가 낮은 영역으로 계속해서 확산할 것이고 결국 베이컨시 영역까지 확산한다.
상술한 조건에 따라 잉곳의 측면을 가열하면 측면에서의 인터스티셜의 농도 Cis가 증가한다. 그후, 인터스티셜은 잉곳의 내부를 향하여 확산한다. 인터스티셜이 베이컨시 지배 영역으로 확산함에 따라서, 인터스티셜의 일부는 베이컨시와 결합하고, 이에 의해서 베이컨시의 농도 Cv가 감소하고 인터스티셜의 농도 Ci가 증가한다. 측면을 계속해서 가열하고 그 안의 온도 구배를 유지함으로써 인터스티셜의 유입이 계속되어, 결국 내부의 농도 Ci가 내부 확산(in-diffusion)에 의해서 표면에서의 평형 농도와 동일한 값 Cis에 도달한다. 따라서, 내부의 평형 농도 Cie가 표면 값 Cis보다 작기 때문에 잉곳의 내부의 인터스티셜은 S=Cis/Cie배만큼 과포화된다.
이를 달성하는 과정에 있어서, 베이컨시 지배 영역에서의 베이컨시가 소멸되고, 따라서 베이컨시 지배 영역에서 베이컨시의 농도 Cv가 감소된다. 따라서, 동일한 비율 S만큼 베이컨시 불포화(under-saturation)가 발생한다. 베이컨시 지배 영역으로 인터스티셜이 충분히 유입되면 베이컨시 지배 영역은 Ci > Cv인 인터스티셜 지배 영역으로 바뀔 수 있다.
특정 이론에 구애됨이 없이, 인터스티셜 주입 공정 중의 어느 시점에서는, 초기 베이컨시가 아직 소멸되지 않은 반경 r0를 갖는 베이컨시 지배 영역이 잔류하며, 초기에 존재했던 베이컨시가 이미 소멸해버린 환상 영역(r > r0인 최소 반경을 가지며 잔류 베이컨시 지배 영역과 축이 동일함)이 잔류 베이컨시 지배 영역의 주 위에 위치하도록 하는, 잉곳의 축으로부터 거리 r0에 베이컨시 소멸 전선이 존재한다. 소멸 전선(r=r0)에서의 인터스티셜 농도 Ci는 결정면에서보다 매우 작다(여기서 평형값은 Cis임). 따라서, 인터스티셜의 반경방향 내부 유입(in-flux)이 있고, 농도 필드는 준 정상 상태(quasi-steady-state)로서 취급될 수 있으며 따라서 원통 좌표계에 대한 전통적인 수식으로 다음과 같이 기술된다:
Ci = Cisln(r/r0)/ln(R/r0) (1)
여기서 R은 잉곳의 반경이다.
베이컨시 지배 영역에 대한 인터스티셜의 총 내부 유입(in-flux) Q는 다음과 같이 정의된다.
Q = 2πDiCis/ln(R/r0) (2)
베이컨시 지배 영역의 직경은 다음의 식 (3)에 따른 인터스티셜의 내부 유입 Q에 기인하여 감소된다.
d(πr0
2Cv)/dt= -Q (3)
또한, 식 (2)를 식 (3)으로 치환하고 그 결과식을 정리함으로써, 베이컨시 지배 영역의 반경에서의 동력학적인 감소(kinetic reduction)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
r0ln(R/r0)dr0/dt = -DiDis/Cv (4)
이를 더욱 단순화하면 다음과 같다.
(r0/R)2ln[(r0/R)2/e] = -1 + (4DiCis/R
2Cv)t (5)
따라서, 베이컨시 지배 영역을 완전히 소멸하는데 필요한 시간 주기(이하, 소멸 시간 ta라 함)는, 베이컨시 지배 영역의 반경이 영으로 감소될 때 발생하므로, 식 (5)에서 r0 = 0으로 하면 다음 식이 얻어진다.
ta = R2Cv/4DiCis (6)
따라서, 소멸 시간은 온도에 크게 의존하는 자기 확산 곱(self-diffusion product)(DiCie), 잉곳의 직경 R 및 베이컨시의 농도 Cv에 의존한다. 따라서, 자기 확산 곱을 증가시키고 소멸 시간을 감소시키기 위하여 온도는 가능한 한 높아야 한다. 예컨대, 베이컨시 지배 영역을 완전히 소멸시키기 위해서는, 전형적인 베이컨시 농도를 갖는 150mm 잉곳에 대한 베이컨시 소멸 시간은 약 1200℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 160 시간, 약 1250℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 45 시간, 약 1300℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 14 시간이다. 또한, 보다 큰 직경의 잉곳은 보다 작은 직경의 잉곳에 비해 주어진 온도에서 보다 긴 시간 주기 동안 측면을 가열할 필요가 있다. 예를 들면, 200mm 잉곳에 대한 베이컨시 소멸 시간은, 약 1200℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 284 시간, 약 1250℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 80 시간, 약 1300℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 25 시간이 된다. 300mm 잉곳에 대한 베이컨시 소멸 시간은, 약 1200℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 640 시간, 약 1250℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 180 시간, 약 1300℃의 온도로 측면을 가열하는 경우 적어도 약 56 시간이 된다. 따라서, 측면을, 적어도 약 10 시간, 적어도 약 25 시간, 적어도 약 30 시간, 적어도 약 100 시간의 시간 주기 동안 가열하는 것이 바람직하고, 심지어 적어도 약 500 시간 또는 그 이상의 시간 주기 동안 가열할 수도 있다.
소멸 시간은 잉곳을 "반-완전(semi-perfect)" 형으로 변환함으로써 크게 감소될 수 있다. 즉, 이 잉곳은 베이컨시 지배 영역의 일부만이 인터스티셜 지배 영역으로 변형된 것이다. 반-완전 결정으로 변환하기 위해 필요한 어닐링 시간에 대한 식은 결정 반경 R을 R - Rv/I로 치환함으로써 얻어지고, 여기서 Rv/I는 v/I 경계 위치의 반경이다. 여기서 필요한 시간은 이들 두 수의 비의 제곱에 비례하여 감소한다. 이와 관련하여, 가열 기간 및 그에 따른 인터스티셜 주입은 상술한 것 이외의 것이 될 수도 있음을 인식하여야 한다. 그러나, 바람직하게는, 전체적인 베이컨시 지배 영역이 소멸되어 결과적인 영역은 인터스티셜 지배 영역으로 변환된다.
만일 그 영역이 인터스티셜이 지배적으로 되는 경우, 열을 계속해서 인가하면, 인터스티셜의 농도가 잉곳 냉각시 응집 인터스티셜 결함의 핵생성에 필요한 농도보다 더 높은 레벨로 증가될 수도 있다는 것 또한 인식하여야 한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 응집 인터스티셜 결함의 핵생성은 방지되거나 또는 대안으로서 B-형 결함만이 형성되도록 억제된다. 따라서, 여기에 언급된 것을 초과하는 시간 주기 동안 측면을 가열하는 것은 단지, 후술하는 바와 같이 후에 억제될 수 있는 인 터스티셜의 농도가 실질적으로 증가하는 결과를 가져온다.
본 발명의 방법에 따르면, 적어도 10℃/㎝의 온도 구배가 후술하는 바와 같이 충분한 시간 주기 동안 유지될 수 있다면, 1200℃를 초과하는 온도로 실리콘을 가열하기 위한 종래에 알려진 어떠한 수단을 사용하여 측면이 가열될 수 있다. 따라서, 현실적인 문제로, 잉곳의 전체 외부 측면을 동시에 가열하는 것은 바람직하지 않다. 필요한 온도 구배를 성취하고 유지하기 위해서, 잉곳의 중앙에서의 열이 축방향으로 빠져나갈 수 있도록 해야만 하는 것으로 믿어진다. 전체 잉곳을 동시에 가열하면 잉곳의 중앙에 대한 이와 같은 냉각 통로가 차단되므로 결국 잉곳이 일정한 온도로 가열되고 따라서 온도 구배가 없어진다. 따라서, 링 히터(ring hiter)를 측면을 가열하는데 사용하는 것이 바람직하고, 여기서 상술한 조건에 따라 전체 측면이 결국 가열될 수 있도록, 링 히터와 측면은 서로 상대적으로 이동한다. 잉곳이 용융체로부터 인상될 때 잉곳의 측면이 링 히터를 통과할 수 있도록 링 히터는 성장 챔버 내의 고정된 위치에 잉곳과 동일한 중심을 갖도록 잉곳 둘레에 위치한다. 또는, 잉곳의 축방향으로 상승 또는 하강할 수 있도록 링 히터는 성장 챔버 내의 잉곳 둘레에 잉곳과 동일한 중심을 갖도록 위치한다. 부가적으로, 본 발명에서 요구하는 바와 같이, 측면이 가열되도록 인상 챔버 내에서 인상됨에 따라 측면이 링 히터를 통과할 수 있게 링 히터가 잉곳의 축과 중심이 같게 인상 챔버 내에서 고정된 위치에 있게 할 수도 있고, 또는 잉곳이 인상 챔버 내로 상승된 후에 링 히터가 잉곳의 축을 따라 지나가도록 링 히터가 잉곳의 축을 따라 이동가능하게 할 수도 있다.
링 히터의 길이 또는 보다 자세하게 링 히터의 핫 존(hot zone)에 의해서 가열되는 측면의 부분의 길이 L과 잉곳에 대한 링 히터의 상대 속도 V가 주어지면, 측면에서의 지속(dwell) 시간은 L/V로서 계산될 수도 있다. 달리 말하면, 링 히터에 의해서 가열된 측면의 부분의 길이, 잉곳에 대한 링 히터의 속도, 및 측면을 가열하는 지속 시간 사이에는 지속 시간이 L/V가 되는 관계가 존재한다. 따라서, 한번 가열 온도와 기간이 결정되면, 당해 기술 분야의 전문가라면 링 히터와 측면이 이동해야 하는 상대 속도를 결정할 수 있을 것이다. 실제적으로 말하면, 상술한 바와 같이 요구되는 온도 구배를 유지하기 위해 뜨거운 표면으로부터 냉각기 내로의 열의 반경방향 내부 유입이 축방향의 잉곳의 중앙으로부터 제거되어야 하기 때문에, 길이 L은 잉곳 직경 길이보다 훨씬 클 수는 없다.
예컨대, L이 약 150mm인 최대 길이 링 히터를 사용하고, 상술한 바와 같이 14시간 주기 동안 1300℃의 온도로 측면을 가열하는 150mm 잉곳의 경우에, 측면에 대한 링 히터의 상대적인 속도는 약 0.17mm/min이하가 되어야 한다. 잉곳의 일정 직경 부분의 길이가 1000mm인 잉곳에 대하여, 잉곳의 일정 직경 부분의 전체 길이만큼 연장된 측면을 가열하기 위한 총 어닐링 시간은 약 100 시간이다. 비록, 이러한 접근 방법은 잉곳이 완전히 성장된 후에 측면을 가열하는 방법에 대한 현실적인 대안에 불과하지만, 요구되는 속도가 베이컨시 지배 영역을 생성하는데 바람직한 인상 속도보다 매우 작기 때문에 결정 인상 장치의 처리 용량을 극대화시킬 수 있다. 따라서, 단일 링 히터는, 측면에 대한 히터의 속도가 전술한 바와 같은 요구되는 지속 시간을 보장할 수 있게 잉곳이 성장하는 동안 축방향에서 이동해야 할 것이다. 그러나, 이러한 조건 하에서, 잉곳은 어닐링 공정이 완료될 때까지 잉곳의 성장이 완료된 후에도 결정 인상 장치 내에 남아있어야 할 것이다. 예컨대, 상술한 예에서, 어닐링 공정은 100시간 걸리는 데 반해, 잉곳의 일정 직경 부분이 1.0mm/min의 전형적인 인상 속도로 17 시간 미만에서 완료될 수 있다. 따라서, 결정 인상 장치의 처리량이 상당히 감소하게 될 것이다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 잉곳의 일정 직경 부분의 전체 축을 따라 측면을 어닐링하는데 필요한 총 시간을 크게 줄이기 위해서 수개의 링 히터가 사용될 수 있다. 또한, 요구되는 가열 조건을 충족하도록 잉곳의 성장 동안 잉곳의 축을 따라 히터가 이동하도록 제어될 수 있다. 따라서, 링 히터들이 동일하다고 가정하면, 상기 계산 시간은 링 히터의 개수와 동일한 수의 배수만큼 감소될 수 있다. 현실적으로는, 이들 히터 요소들은 요구되는 열적 구배가 유지될 수 있도록 잉곳의 중앙에서 축방향 냉각을 제공하기 위해 결정 직경보다 조금 큰 거리만큼 서로 이격되어야만 할 수도 있다. 따라서, 결정 직경과 동일한 길이를 갖는 링 히터의 최대수는 잉곳의 일정 직경 부분의 길이를 히터 길이의 2배로 나눈 값과 동일하다. 예컨대, 길이가 1000mm인 일정 직경 부분을 갖는 150mm 잉곳에 대하여, 약 150mm의 길이를 갖는 링 히터의 최대수는 대략 6이 된다. 6개의 링 히터를 사용하면 전체 측면을 가열하는데 필요한 총시간이 약 17 시간으로 효과적으로 줄어들게 된다. 각종 링 히터의 정확한 길이와 링 히터 사이의 이격 거리는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
응집 고유 점 결함이 핵생성되는 온도 이상으로 베이컨시 지배 영역이 유지 되면, 잉곳의 성장 동안 또는 잉곳의 성장 직후 측면이 가열될 수도 있고 또는 잉곳의 성장 후에 상당히 긴 시간 주기 동안 가열되지 않을 수도 있음을 주목할 필요가 있다. 따라서, 측면이 가열되어 베이컨시 지배 영역을 향하여 실리콘 셀프-인터스티셜의 주입이 이루어질 때까지 베이컨시 지배 영역은 핵생성 온도 이상으로 유지될 수 있다. 이러한 방식으로, 잉곳은 결정 인상 장치로부터 다른 위치로 옮겨져 결정 인상 장치가 후속 잉곳의 성장이 가능하도록 냉각될 수 있게 되고, 따라서 결정 성장 공정으로부터 인터스티셜 주입 공정이 분리될 수도 있다. 이러한 방식으로, 단일의 링 히터 또는 복수의 링 히터가 결정 인상 장치의 처리량에 영향을 주지 않고 상술한 바와 같이 소정의 시간 주기 동안 측면을 가열하기 위해 사용될 수 있다.
일단 영역의 베이컨시의 농도가 감소되면, 바람직하게는 냉각시 응집 베이컨시가 핵생성하게 되는 농도 이하가 되면, 또는 대안적으로는 일단 베이컨시 지배 영역이 인터스티셜 지배 영역으로 변환되면 - 여기서 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도는 바람직하게는 냉각시 응집 인터스티셜이 핵생성되게 할 수 있는 농도 미만임 -, 어떤 응집 고유 점 결함도 실질적으로 없게 이 영역은 냉각될 수도 있다.
잉곳 내의 베이컨시와 셀프-인터스티셜 원자들의 결과적인 농도와 분포에 따라, 고유 점 결함의 확산을 제어 및/또는 잉곳을 급냉함으로써 응집 고유 점 결함의 형성을 피할 수 있다. 따라서, 결과적인 베이컨시 또는 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도가 냉각시 베이컨시 또는 실리콘 셀프-인터스티셜이 응집될 수 있는 농도 미만이 되도록 실리콘 셀프-인터스티셜의 유입을 유지하면, 영역은 표준 초크랄스 키법에 의해서 냉각될 수 있다. 그러나, 영역 또는 그 일부가 인터스티셜 지배 영역으로 변환되고 인터스티셜의 농도가 냉각시 인터스티셜이 응집할 수 있는 농도보다 크다면, 또는 영역의 일부 또는 전체가 냉각시 베이컨시가 응집할 수 있는 농도보다 큰 베이컨시의 농도를 가진다면, 영역의 냉각 속도를 제어하여 인터스티셜이 베이컨시 지배 영역의 베이컨시를 향하여 확산하여 재결합하고 그리고/또는 인터스티셜이 잉곳의 표면으로 확산하도록 하여 냉각 중에 베이컨시 및/또는 인터스티셜의 농도를 억제함으로써, 결과적인 잉곳에 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없게 할 수 있다(예컨대, 여기에 참조로 포함된 미국 출원 번호 제09/344,036호 및 제09/344,709호를 참조). 부가적으로, 여기에 참조로 포함되고 현재 계속중인 미국 임시 출원 번호 제60/155,725호에 개시된 바와 같이, 베이컨시 또는 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도가 냉각시 베이컨시 또는 실리콘 셀프-인터스티셜이 응집될 수 있는 농도보다 큰 경우, 응집하기에 충분한 시간을 허용하지 않으면서 베이컨시 또는 실리콘 셀프-인터스티셜이 효과적으로 제 위치에서 동결되도록 그 영역을 급냉함으로써, 결과적인 잉곳에 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없게 할 수 있다.
또는, 인터스티셜의 주입 후의 영역 내의 인터스티셜의 농도는, 냉각시 영역이 약간의 응집 인터스티셜형 결함을 포함하도록 될 수도 있는데, 그 응집 인터스티셜형 결함은 B형 결함만이거나 또는 B형 결함과 A형 결함이다. 결과적인 잉곳이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 베이컨시 지배 영역으로의 실리콘 인터스티셜의 유입을 열적으로 유도하지 않고 잉곳이 제조된다면 발생할 수 있었을 양에 비해 감소된 응집 베이컨시형 고유 점 결함의 양을 가지도록, 영역이 냉각될 수도 있는 것을 유의하여야 한다. 그러나, 현실적으로는, 결과적인 잉곳은 응집 베이컨시형 결함이 실질적으로 없는 것이 바람직하고, 더 나아가 응집 베이컨시와 인터스티셜형 결함 둘다 실질적으로 없는, 즉, 응집 고유 점 결함이 실질적으로 없는 잉곳이 더욱 바람직하다.
일반적으로, 평균 축방향 온도 구배 G0의 제어는 결정 인상 장치의 '핫 존(hot zone)' - 즉, 히터를 구성하는 그라파이트(또는 다른 재료), 단열재, 그리고 열 및 복사 차폐체 -의 설계를 통해 이루어질 수 있다. 설계 세부 사항은 결정 인상 장치의 제조자 및 모델에 따라 변할 수 있지만, 일반적으로 G0은 반사체, 복사 차폐체, 퍼지 튜브, 광 파이프 및 히터를 포함하는, 용융체/고체 계면에서의 열전달을 제어하는 당해 기술 분야에서 현재 공지된 수단들 중 어느 하나를 사용하여 제어될 수 있다. 일반적으로, G0의 반경방향 변동은 이러한 장치를 용융체/고체 계면 위쪽에 약 1 결정 직경 거리 내에 위치시킴으로써 최소화된다. G0은 용융체 및 결정에 대하여 장치의 위치를 조절함으로써 더욱 제어될 수 있다. 이는 핫 존에서 장치의 위치를 조절하거나 핫 존에서 용융체 표면의 위치를 조절함으로써 성취된다. 부수적으로, 히터가 채용되는 경우에는, G0은 히터에 공급되는 전력을 조절함으로써 또한 제어될 수 있다. 이들 방법 중 아무 것 또는 모두가 용융체가 공정 동안 소진되는 배치(batch) 초크랄스키 공정 동안 사용될 수 있다.
인상 속도는 결정 직경 및 결정 인상 장치의 설계 양자에 의존한다. 종래 결정 인상 공정에 대한 인상 속도는 200mm 직경 결정에 대하여 전형적으로 0.5mm/min 내지 1.0mm/min이고, 300mm 직경 결정에 대하여 전형적으로 0.3mm/min 내지 0.7mm/min이다. 그러나 본 발명은 약 0.8mm/min, 약 1mm/min, 약 1.5mm/min, 약 2mm/min, 심지어 약 3mm/min만큼 또는 그 이상으로 빠른 인상 속도를 허용한다. 약 3mm/min이상의 인상 속도는 전형적으로 현재 결정 인상 장치 설계의 실제적인 한계에 가깝다는 점에 유의할 필요가 있다. 그러나, 결정 인상 장치는 상기 속도를 초과하는 인상 속도가 가능하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 단결정 실리콘 잉곳을 형성할 수 있는 한, 가능한 한 빠른 인상 속도가 가능하도록 결정 인상 장치를 설계하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 바람직하게 베이컨시 지배 영역을 고려하면서 높은 성장 속도를 이용하고, 응고 후에 잉곳을 냉각하기 전에 베이컨시 농도를 억제하는 수단을 제공할 수 있기 때문에, 그 성장 공정은 처리량이 보다 향상될 뿐만 아니라 더욱 확고해지고, 종래 공정에 비하여 다양한 공정 변화가 가능하다. 예컨대, 잉곳의 성장 동안 일부가 코팅되어 G0가 변할 수 있고, 부정확한 인상 속도 교정(calibration)과 직경 변동은 인상에서의 변동을 가져오며, 이 모든 것은 잉곳의 함수로서 v/G0의 변동을 가져올 수 있다. 마찬가지로, 동일한 성장 조건이 의도되었지만, 인상 장치 부품의 노화는 동일한 결정 인상 장치에서의 결정 성장 동안에 결정들 사이에서도 변동(crystal to crytal variation)을 가져올 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따라 실시된 공정은, 비록 초기에 지배적인 고유 점 결함으로서 베이컨시를 가지는 단결 정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 임의의 v/G0값에 걸쳐 v/G0가 결정 길이의 함수로서, 또는 결정들 사이에서 변동하는 경우에도 응집 결함이 실질적으로 없는 실리콘 잉곳을 꾸준히 제조할 수 있다.
정의
본 출원에서 사용된 다음의 어구들은 이하에 주어진 의미를 갖는다는 점을 유의할 필요가 있다. '응집 고유 점 결함'은 (i) 베이컨시가 응집되는 반응에 의해 또는 (ii) 셀프-인터스티셜이 응집되는 반응에 의해 발생된 결함을 의미한다. '응집 베이컨시 결함'은 결정 격자 베이컨시가 응집되는 반응에 의해 발생된 응집 베이컨시 점 결함을 의미하고, 그 예로서 D-결함, 플로우 패턴 결함, 게이트 산화막 인테그리티 결함, 결정 유발성 입자 결함 및 결정 유발성 LPD(Light Point Defect)가 있다. '응집 인터스티셜 결함'은 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들이 응집하여 A-결함(전위 루프 및 네트워크를 포함) 및 B-결함을 형성하는 반응에 의해 발생되는 응집 고유 점 결함이다. 'B-결함'은 A-결함보다 작고 본원에서 상세히 설명한 바와 같이 열처리를 받는다면 용해될 수 있는 인터스티셜 응집 결함을 의미한다. '반경'은 웨이퍼와 같은 단결정 실리콘 샘플이나 잉곳 슬러그 또는 슬래브의 중심축으로부터 원주 에지까지 측정된 거리를 의미한다. '응집 고유 점 결함이 실질적으로 없다'라는 것은 이들 결함의 검출 한계(즉, 현재 약 104 결함/㎤)보다 작은 응집 결함의 농도를 의미한다. '베이컨시 지배'와 '셀프-인터스티셜 지배'의 의미는 지배적인 고유 점 결함들이 베이컨시 또는 셀프-인터스티셜임을 각각 나타 낸다. '응집 고유 점 결함의 시각적 검출'과 그 변형은, 광학 또는 적외선 현미경, X-선 회절 또는 레이저 스캐터링 기술과 같이 결함 검출을 보조하거나 결함 확대를 할 수 있는 임의의 계측 수단을 이용하지 않고서도, 일반적인 백열등 또는 형광등 광원 하에서 또는 광학적으로 콜리메이팅된(collimated) 광원이나 다른 개선된 광원 하에서 육안으로 이러한 결함들을 검출하는 것을 의미한다.
응집 결함의 검출
응집 결함은 다수의 상이한 기술에 의해 검출될 수 있다. 예컨대, 플로우 패턴 결함 또는 D-결함은 일반적으로 약 30분 동안 세코 에칭액(Secco etch solution)에서 단결정 실리콘 샘플을 선택적으로 에칭한 다음에 현미경으로 이 샘플을 검사함으로써 검출된다(예컨대, 에이치. 야마기시 등, 반도체 과학 기술 제7호, A135, 1992년 참조). 이 방법은 베이컨시 응집 결함의 검출을 위한 표준이지만, A-결함을 검출하는 데도 사용될 수 있다. 이 기술이 사용되면, 이러한 결함은, 존재한다면, 샘플의 표면 상에 큰 피트(pit)로서 나타난다.
부가적으로, 응집 고유 점 결함은 열의 인가시 단결정 실리콘 매트릭스 내로 확산 가능한 금속으로 이들 결함을 데코레이션(decoration)함으로써 시각적으로 검출될 수 있다. 구체적으로, 웨이퍼, 슬러그 또는 슬랩 등의 단결정 실리콘 샘플은 이들 결함을 데코레이션할 수 있는 금속을 포함한 화합물- 질화 구리(copper nitrate)의 농축액 등 -로 샘플의 표면을 우선 코팅함으로써 이러한 결함의 존재에 대해 시각적으로 검사될 수 있다. 다음으로, 코팅된 샘플은 금속을 샘플 내로 확산시키기 위해 약 5분 내지 약 15분 동안 약 900℃ 내지 약 1000℃의 온도까지 가 열된다. 다음으로, 열처리된 샘플은 실온까지 냉각되고, 이로써 결함이 존재하는 샘플 매트릭스 내의 소정 지점들에서 금속이 임계적으로 과포화되어 침전된다.
냉각 후, 표면 잔류물 및 침전물을 제거하기 위해, 약 8분 내지 약 12분 동안 묽은(bright) 에칭액으로 샘플을 처리함으로써 우선 비결함 현출 에칭(non-defect delineating etch)이 이루어진다. 대표적으로 묽은 에칭액은 약 55% 질산(70 중량% 용액), 약 20% 불산(49 중량% 용액) 및 약 25% 염산(농축액)을 포함한다.
다음으로, 이 샘플은 탈이온수(deionized water)로 세척되고, 약 35분 내지 약 55분 동안 세코 또는 라이트(Wright) 에칭액에 침지시켜 처리함으로써 제2 에칭 단계가 이루어진다. 일반적으로, 샘플은 약 1:2 비율의 0.15 M 중크롬산칼륨 및 불산(49 중량% 용액)을 포함하는 세코 에칭액을 사용하여 에칭된다. 이 에칭 단계는 존재할 수도 있는 응집 결함을 드러나게 하거나 현출하는 역할을 한다.
이 '결함 데코레이션' 방법의 다른 실시예에서, 단결정 샘플은 금속을 포함한 화합물의 인가 전에 열처리가 된다. 일반적으로, 샘플은 약 3 시간 내지 약 5 시간 동안 약 850℃ 내지 약 950℃ 범위에 있는 온도까지 가열된다. 이 실시예는 B-형태의 실리콘 셀프-인터스티셜 응집 결함을 검출하는 데 특히 바람직하다. 특정한 이론에 구애됨이 없이, 이 열처리는 보다 용이하게 데코레이션되어 검출될 수 있도록 B-결함을 안정화시켜 성장시키는 역할을 하는 것으로 일반적으로 믿어진다.
또한, 베이컨시 응집 결함은 일반적으로 다른 에칭 기술보다 낮은 결함 밀도 검출 한계를 갖는 레이저 스캐터링 토모그래피 등의 레이저 스캐터링 기술을 사용 하여 검출될 수도 있다.
일반적으로, 상기 구리 데코레이션 기술에 의해 응집 결함이 없는 인터스티셜 및 베이컨시가 지배적인 재료의 영역들은 서로 그리고 응집 결함을 포함한 재료와 구별될 수 있다. 결함이 없는 인터스티셜이 지배적인 재료의 영역들은 에칭에 의해 드러나는 데코레이션된 특징부를 포함하지 않지만, (상기한 바와 같이 고온 산소 핵 용해 처리 전의) 결함이 없는 베이컨시가 지배적인 재료의 영역들은 산소 핵의 구리 데코레이션으로 인해 작은 에칭 피트를 포함한다.
이상에서, 본 발명의 일부 목적들이 달성된다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 다양한 변경이 전술한 공정에서 행해질 수 있기 때문에, 상기 설명이 포함된 모든 내용들은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 해석되어야 한다. 또한, 본 발명의 또는 그 양호한 실시예에 의한 구성요소들을 소개할 때, '하나'(a 또는 an), '그'(the) 또는 '상기'(said)라는 관사들은 구성요소의 하나 또는 그 이상이 있다는 것을 의미한다. '포함하는'(comprising), '구비하는'(including) 및 '갖는'(having)은 포괄적인 의미로 고려되어야 하고 서술된 구성요소들 외의 다른 구성요소가 있을 수 있는 것을 의미한다.
Claims (43)
- 중심축과, 시드-콘과, 엔드-콘과, 측면을 가진 엔드-콘과 시드-콘 사이의 일정 직경 부분과, 상기 중심축으로부터 상기 측면으로 연장하는 반경을 포함하는 잉곳을 형성하기 위해, 초크랄스키법에 따라 용융 실리콘을 결정으로 응고시키는 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서,일정 직경 부분 내에 베이컨시가 지배적인 고유 점 결함인 영역을 형성하는 단계,상기 영역의 온도를 초과한 온도로 잉곳의 측면을 가열함으로써, 가열된 표면으로부터 상기 영역으로의 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입(inward flux)을 일으켜 상기 영역에서의 베이컨시의 농도를 감소시키는 단계, 및상기 영역의 형성과, 상기 측면으로부터의 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입(influx) 사이의 시간 동안 응집 결함으로의 베이컨시 점 결함의 응집이 발생되는 온도 TA를 초과한 온도로 상기 영역의 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법
- 제1항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 10%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 50%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 측면이 가열되어 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입을 일으키기 전에 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 적어도 20%가 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 10%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 축방향으로 측정한 상기 측면 - 그 측면은 동시에 상기 영역의 온도를 초과하는 온도로 가열되어 상기 가열된 표면으로부터 상기 영역으로의 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입을 일으킴 - 의 길이는 상기 잉곳의 상기 일정 직경 부분의 축방향 길이의 25%이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제14항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 50%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제15항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경 반향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제15항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 축방향으로 측정한 상기 측면 - 그 측면은 동시에 상기 영역의 온도를 초과하는 온도로 가열되어 상기 가열된 표면으로부터 상기 영역으로의 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입을 일으킴 - 의 길이는 상기 잉곳의 상기 일정 직경 부분의 축방향 길이의 50%이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,히터가 상기 측면을 가열하는데 이용되고, 상기 히터는 상기 잉곳을 둘러싸고 있고, 상기 잉곳이 상기 초크랄스키법에 의해서 성장되는 중에, 상기 히터와 상기 잉곳이 상기 잉곳의 축을 따라 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,히터가 상기 측면을 가열하는데 이용되고, 상기 히터는 상기 잉곳을 둘러싸고 있고, 상기 잉곳이 상기 초크랄스키법에 의해서 성장되어 상기 용융체로부터 분리된 후에, 상기 히터와 상기 잉곳은 상기 잉곳의 축을 따라 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 표면은 1200℃를 초과하는 온도이지만 상기 실리콘의 용융점미만인 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 표면은 1300℃ 내지 1375℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역의 온도는, 상기 영역의 형성과 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입 사이의 시간 동안, 1100℃이상의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역의 온도는, 상기 영역의 형성과 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입 사이의 시간 동안, 1150℃이상의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 가열 단계에서 상기 영역의 온도로부터 1000℃이하의 온도까지의 상기 영역의 냉각 속도와 무관하게, 상기 가열 단계 후의 상기 영역에서의 베이컨시의 농도는 상기 영역에 응집 베이컨시 결함을 형성하기에 불충분한 것을 특징으로 하 는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 영역 내에 응집 고유 점 결함이 형성되는 것을 방지하는데 충분한 시간 동안 고유 점 결함의 응집이 발생하는 온도 미만으로 상기 영역을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 고유 점 결함의 응집이 발생하는 온도 범위에 걸쳐, 적어도 10℃/min의 속도로 상기 영역을 급냉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들의 내부 유입은, 실리콘 셀프-인터스티셜 원자들이 상기 영역에서 지배적인 고유 점 결함이 되기에 충분한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 가열 단계에서 상기 영역의 온도로부터 850℃이하의 온도까지의 상기 영역의 냉각 속도와 무관하게, 상기 가열 단계 후의 상기 영역에서의 베이컨시의 농도는 상기 영역에 응집 베이컨시 결함을 형성하기에 불충분한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 가열 단계에서 상기 영역의 온도로부터 850℃이하의 온도까지의 상기 영역의 냉각 속도와 무관하게, 상기 가열 단계 후의 상기 영역에서의 실리콘 셀프-인터스티셜의 농도는 상기 영역에 B-형 결함이 아닌 응집 인터스티셜형 결함을 형성하기에 불충분한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 영역 내에 응집 고유 점 결함이 형성되는 것을 방지하는데 충분한 시간 동안 고유 점 결함의 응집이 발생하는 온도 미만으로 상기 영역을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 고유 점 결함의 응집이 발생하는 온도 범위에 걸쳐, 적어도 10℃/min의 속도로 상기 영역을 급냉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 10%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제35항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 10%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제35항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 잉곳의 일정 직경 부분의 길이의 적어도 50%인 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
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- 제38항에 있어서,상기 영역은 상기 잉곳의 일정 직경 부분의 축을 중심으로 대칭이고 반경의 적어도 50%인 반경방향 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
- 제28항에 있어서,히터가 상기 측면을 가열하는데 이용되고, 상기 히터는 상기 잉곳을 둘러싸고 있고, 상기 잉곳이 상기 초크랄스키법에 의해서 성장되어 상기 용융체로부터 분리된 후에 상기 히터와 상기 잉곳은 상기 잉곳의 축을 따라 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
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