본 발명의 기초가 된 기본 원리ㆍ 현상
도 1은 CZ법에 있어서의 실리콘 단결정의 성장 속도를 일정하게 한 경우에 얻어진 실리콘 단결정 잉곳에 생기는 결함의 분포 패턴을 도시한 개념도이다. (또한, 본 명세서에 있어서 '성장 결함'은 OSF 링, 공공형 결함, 전위 클러스터등의 일반적인 CZ법에 있어서의 실리콘 단결정의 성장시에 통상적으로 발생하는 결정중의 결함을 의미함)
도 1에 나타낸 것과 같이, 실리콘 단결정의 성장 속도를 일정하게 한 경우에는 실리콘 단결정 잉곳 인상의 초기의 단계에서 전위 클러스터가 생긴 후, OSF 링 및 공공형 결함이 생긴다. 이 경우에 있어서, 전위 클러스터와 OSF 링의 사이에 위치하는 우발적으로 조건이 정리된 부분이 무결함 영역을 형성하게 된다. 따라서, 원리적으로는 무결함 영역을 형성하는 알맞은 조건을 밝혀내어, 그 조건하에 실리콘 단결정 잉곳의 인상을 행하는 경우, 무결함 영역을 확장시킬 수 있게 된다.
본 발명과 종래 기술의 대비
여기에서, 이 '무결함 영역을 형성하는 알맞은 조건'으로서 호우라이 등(특개평 8-330316호 공보)은 '실리콘 융점으로부터 1300℃까지의 온도 범위에 있어서, 결정 벌크 외주로부터 30cm보다 내측인 V/G값이 0.20mm2/℃ㆍmin ∼ 0.22 mm2/℃ㆍmin, 이보다도 외측에서는 V/G값이 0.20mm2/℃ㆍmin ∼ 0.22mm2/℃ㆍmin 또는 그 이상(단지, 결정 벌크 외주를 향해 점차 증가시킨다)'이라고 하는 조건을 제시하고 있다.
이에 대하여, 본 발명에서는 앞서의 '과제를 해결하기 위한 수단'의 (1)에 나타낸 조건을 제시하고 있지만, 호우라이 등의 발명(종래 기술)과 본 발명과의 관계를 설명하면 다음과 같이 된다.
먼저, 도 2는 실리콘 융액의 액면에서의 거리와 실리콘 단결정 잉곳의 결정내 온도의 관계를 나타낸 모식도이다. 도면 중, 도면 부호 h는 실리콘 융액의 액면에서의 거리(mm)를 나타내고, 도면 부호 T는 실리콘 단결정 잉곳의 결정내 온도(℃)를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳의 인상을 행하고 있는 경우, 실리콘 단결정 잉곳의 결정내 온도는 실리콘 융액의 액면으로부터 멀어짐에 따라서 내려간다. 그리고 도 2에 있어서 실리콘 융액의 액면으로부터 h1만큼 떨어진 개소의 결정내 온도가 1350℃이며, 이 실리콘 융액의 액면으로부터 h1의 높이에 이르기까지의 결정내 온도 경사를 감시함으로써 본 발명은 완전 결정을 얻고자 한다.
이에 대하여, 이 부분 h1보다도 위쪽에 위치하므로 h1 부분보다도 온도가 낮아져 1300℃로 된 h2의 높이에 이르기까지의 결정내 온도 경사를 감시함으로써 완전 결정을 얻고자 하는 것이 호우라이의 발명이다.
즉, 본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 제조 공정에 있어서, 호우라이 등에 의하여 제시된 최적 조건의 범위 안에서 보다 알맞은 것을 제시한 측면을 가진다. 이것은 G외부/G중심와 결정내 온도(℃)의 관계를 도시한 도면 3으로부터도 명확하고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위(도면 중의 좌측 아래로 향한 사선 부분) 가 있는 부분은 호우라이 등에 의하여 나타낸 범위(도면 중의 우측 아래로 향한 사선 부분)의 일부분과 중복되고 있다. 이로부터 앞서의 부분에 관해서 본 발명은 선행 발명의 범위 중에서 보다 알맞은 조건을 골라낸 유익한 선택 발명이라는 위치를 부여할 수 있다.
그러나 한편으로 동일하게 도 3에 나타낸 바와 같이, 좌측 아래를 향한 사선 부분의 전부가 우측 아래를 향한 사선 부분에 포함되어 있는 것이 아니라, 본 발명은 호우라이 등에 의하여 나타낸 범위 이외에[바꿔 말하면, 호우라이 등이 나타내지 않은 범위에 있어서] 실리콘의 완전 결정을 얻는 측면도 가진다. 이로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명은 선행하는 호우라이 등의 발명에 전부 포함되는 것이 아니고, 완전한 선택 발명 또는 이용 발명인 것도 아니다.
이것은 V/G값(mm2/℃ㆍmin)과 결정내 온도(℃)로 호우라이 등의 발명과의 관계를 도시한 도 4[도 4에서 A부분은 본 발명의 범위이고, B부분은 호우라이 등의 발명의 범위] 및 G외부/G중심와 V/G값(mm2/℃ㆍmin)으로 호우라이 등의 발명과의 관계를 도시한 도 5 [도 5에서 A부분은 본 발명의 범위이고, B부분은 호우라이 등의 발명의 범위]보다 이들 파라미터에 의하여 나타낸 영역으로 대비한 경우에는 양 발명의 범위가 완전히 바뀌게 된다는 것으로부터도 명확하다.
실리콘 단결정 잉곳 제조 장치
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 주요부를 나타내는 블록도이다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 통상의 CZ법 실리콘 단결정 제조 장치와 같은 형태로, 밀폐 용기인 공정실(11)내에 실리콘 융액(12)의 제조ㆍ저장을 위한 도가니(13)[이 도가니(13)는 통상의 CZ법 실리콘 단결정 제조 장치와 같은 형태로 흑연 도가니(13a)의 내측에 석영 도가니(13b)가 배치되어 이루어진다], 도가니(13)를 가열하기 위한 히터(14), 히터(14)에 전력을 공급하는 전극(15), 도가니(13)를 지지하는 도가니받이(16) 및 도가니(13)를 회전시키는 받침대(17)를 구비한다. 공정실(11)내에는 적당하게 단열재(21), 융액 받이(23) 및 내통(24)을 구비한다. 또한 이 장치에는 히터(14)로부터 실리콘 벌크(27)로의 열복사를 차폐하기 위한 열차폐체(25)가 구비되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 특별히 도시하고 있지는 않지만, 이러한 종류의 CZ법실리콘 단결정 제조 장치에 통상적으로 구비하는 불활성 가스의 도입ㆍ배기 시스템을 구비하고 있다. 그리고, 이러한 시스템에 있어서 열차폐체(25)는 불활성 가스의 유통로를 조정하는 기능도 겸비하고 있다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서 특징적인 것은 열차폐체(25)를 움직여 열차폐체(25)의 선단부와 실리콘 융액(12)의 액면으로부터의 거리 h를 조정함으로써, 본 발명 실시의 요지가 되는 V/G값(mm2/℃ㆍmin)이나 G외부/G중심를 조정하는 것이다. 실제로, 거리 h를 조정함으로써 히터(14)나 실리콘 융액 (12)의 액면에서 실리콘 벌크(27)로의 열차폐량이 변화하는 것과 동시에, 실리콘 벌크(27) 표면을 흐르는 불활성 가스의 양이나 속도가 약간 변하기 때문에, 이에 따라 본 발명에서는 실리콘 벌크(27) 표면에 있는 결정 인상 축방향의 결정내 온도 경사, 나아가 그 중심 부분에 있어서의 결정 인상 축방향의 결정내 온도 경사와의 비를 조정할 수 있는 것으로 생각된다.
또한, 본 실시예에 있어서 이러한 열차폐체(25)의 선단부와 실리콘 융액(12)의 액면으로부터의 거리 h의 조정은 열차폐체(25)의 높이를 조정하는 상승기 (lifter, 리프터)(25a)와 열차폐체(25)의 경사를 조정하는 앵귤러(angular)(25b)의 연동에 따라 행하는 것으로 하고 있다. 그러나 거리 h의 조정은 이 기구에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명이 CZ법 실리콘 단결정 제조 장치에 구비되어 있는 열차폐체를 이용하여 V/G값(mm2/℃ㆍmin)이나 G외부/G중심를 조정하는 최초의 것인 이상, 거리 h의 조정을 행할 수 있는 것이면 어떠한 실시예도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석할 수 있다.
또한, 본 발명에서 거리 h의 조정은 예를 들면, 종합 전열 해석과 같은 시뮬레이션 해석에 의한 계산 결과에 따라 행해지도록 할 수 있고, 실측치에 기초한 피드백(feedback) 제어등에 따라 행하여도 좋다.
실리콘 단결정 웨이퍼
본 발명에 따른 방법 또는 장치에 의하여 제조된 실리콘 단결정 잉곳은 선행하는 호우라이 등의 발명에 의하여 얻어진 실리콘 단결정 잉곳보다도 성장 결함을 포함하지 않는 영역이 얻어질 확실성이 높고, 더군다나 그 양적인 비율도 많다. 따라서 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳으로부터는 성장 결함을 포함하지 않는 실리콘 완전 단결정 웨이퍼가 종래보다도 대량이거나 확실하게 얻을 수 있어 최종 적으로는 IC 생산성의 비약적인 향상에 기여하게 된다.
그러나, 본 발명에 따른 방법 또는 장치에 의하여 제조된 실리콘 단결정 잉곳은 그 모든 부분에 있어서 성장 결함이 없다고 하는 것은 아니고, 결정 결함이 포함되어 있는 부분도 존재한다. 그러나 적어도 그 전체에 있어서 성장 결함의 존재가 상당한 정도로 저감되어 있기 때문에, 성장 결함이 존재하는 부분으로부터 잘라낸 웨이퍼도 고품질인 것에 변함이 없고, 그 이상으로 이러한 부분은 그 의미로서는 새로운 웨이퍼라는 것이라고 할 수 있기 때문에, 특허 청구에 따른 본 발명의 일부를 구성하게 된다.
또한, 이들 고품질 웨이퍼는 통상적인 웨이퍼의 제작과 같이, 실리콘 단결정 잉곳으로부터 소정의 두께로 잘라내어 필요한 가공을 실시함으로써 제작할 수 있다.
완전 결정의 열처리와 그 조건
본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들이 열처리 조건의 명세에 관하여 면밀히 검토한 결과, 점결함 분포 차이가 면내에 발생하고 있는 완전 결정에 대하여, 비교적 저비용으로 충분한 DZ 층을 확보하면서 균일화가 가능한 조건을 뽑아내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉 본 발명은 완전 결정에 있어서, 점결함의 농도 분포에 의하지 않고, 면내에 균일한 산소 석출물 밀도의 실리콘 웨이퍼를 얻는 열처리 방법을 제공하는 것으로서, 이하와 같은 열처리 방법 및 실리콘 웨이퍼를 그 내용으로 한다.
(B1) CZ법으로 제작된 완전 결정에 따른 실리콘 단결정 웨이퍼에 대한 열처 리 방법으로서, 열처리의 대상이 된 실리콘 단결정 웨이퍼의 초기 투입 열처리온도를 500℃이하로 하고, 이러한 초기 투입 열처리 온도로부터 '700℃ ∼ 900℃'의 사이에서 설정한 도달 온도까지의 온도 범위에 있는 온도 상승 속도를 1℃/min 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 열처리 방법.
(B2) CZ법으로 제작된 완전 결정에 의한 실리콘 단결정 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 있어서, 열처리 대상이 되는 실리콘 단결정 웨이퍼의 초기 투입 열처리 온도를 500℃ 이하로 하고, 또한 이러한 초기 투입 열처리 온도로부터 '700℃ ∼ 900℃'의 사이에서 설정한 도달 온도까지의 온도 범위에 있어서의 온도 상승속도를 1℃/min 이하로 설정함으로써, 열처리 후의 실리콘 단결정 웨이퍼의 산소 석출물 밀도의 분포를 균일하게 하는 방법.
(B3) CZ법으로 제작된 완전 결정에 의한 실리콘 단결정 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 있어서, 열처리 대상이 된 실리콘 단결정 웨이퍼의 초기 투입 열처리 온도 및 이러한 초기 투입 열처리 온도로부터 '700℃ ∼ 900℃'의 사이에 설정된 도달 온도까지의 온도 범위에 있어서의 온도 상승 속도를 조정함으로써, 열처리 후의 실리콘 단결정 웨이퍼의 산소 석출물 밀도 분포를 조정하는 방법.
(B4) 완전 결정의 산소 농도가 13 ×1017 atoms/cm3 이하인 것을 특징으로 하는 (B1)에 기재한 방법.
(B5) (B4)에 기재한 방법에 의하여 제작된 실리콘 단결정 웨이퍼. 산소 농도가 13×1017 atoms/cm3이하인 완전 결정에 관해서는 공공 우세 영역과 격자간 실 리콘 우세 영역 사이에서 산소 석출물이 균일화되는 것과 동시에 산소 석출물이 웨이퍼 표면까지 나타나 버리는 일이 없고, 양호한 DZ 층이 형성되기 때문에 실리콘 웨이퍼로서 우수하다.
완전 결정의 제조 효율을 높이기 위한 단결정 잉곳 제조 장치
본 발명의 제3 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들이 면밀히 연구를 행한 결과, 단결정 잉곳 제조 장치에 구비되어 있는 쿨러를 단결정 잉곳의 제조 공정에 따라 적절한 개소에 적당히 이동시킴으로써 소비 전력량을 저감시키고 제조 시간의 단축을 도모하면 좋고, 특히 이것은 통상적으로 제조시 시간이 많이 걸리는 완전 결정의 제조에 있어서 유효한다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이하와 같은 장치 및 방법을 제공한다.
(C1) 원료 융액으로부터 인상 중의 단결정 잉곳(이하, 단결정 인상 잉곳)의 소정 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비한 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치를 제어하는 방법으로서, 단결정 인상 잉곳의 꼬리부를 형성하는 경우, 단결정 잉곳과 원료 융액과의 고체ㆍ액체 계면로부터 쿨러를 이격시킴으로써 단결정 잉곳 제조 장치의 전력 소비량을 감소시키는 방법.
이와 같이 함으로써, 꼬리부 형성시에 쿨러 냉각에 견디는 도가니 가열을 행할 필요가 없어지기 때문에, 전력 소비의 감소를 실현할 수 있게 된다.
단결정 잉곳의 꼬리부에 대하여
그러나 CZ법에 의한 단결정 잉곳의 제조에서, 단결정을 원하는 길이로 성장시킨 후, 일반적으로 꼬리부라고 불리는 역원추형의 압축 부분을 형성시킬 필요가 있다. 이는 단결정 인상 잉곳을 성장시키면서 융액로부터 인상되어 버리고, 슬립 전이라고 불리는 결정 전이가 잉곳내에 발생하여(슬립백), 그 부분은 제품으로서 사용할 수 없게 되어 버리기 때문이다.
여기서, 슬립백은 융액면으로부터 끊어진 곳의 직경만큼 잉곳내로 되돌아가 발생하기 때문에, 제품으로서 적절한 웨이퍼를 잉곳으로부터 가능한한 대부분 많이 얻기 위해서는 웨이퍼에 가공된 부분(이하, 몸통 부분이라 한다)에 슬립백을 발생시키지 않도록 인상의 종료에 이르는 과정에 있어서, 잉곳의 직경을 조심스럽게 좁혀 꼬리부를 형성해야 할 필요가 있다.
꼬리부의 형성에 관하여, 꼬리부는 몸통부의 직경 정도의 길이로 형성하는 것이 보통이다. 그 이유는 지나치게 짧은 경우 산소의 이상 석출 부분이 몸통부에 걸려 그 부분이 제품화할 수 없게 되어 버리는 때문인 한편, 꼬리부는 웨이퍼로서 제품화할 수 없는 부분이기 때문에, 지나치게 길면 경제적이지 않기 때문이다.
이 꼬리부를 형성하기 위해서는 단결정 잉곳의 축방향의 온도 경사를 낮게 하여 단결정 잉곳을 인상하면 좋다는 것이 당업자에는 잘 알려져 있다. 이 때문에, 종래에는 일반적으로 꼬리부를 형성할 때에 도가니를 여분으로 가열하여 융액 온도를 높임으로써 단결정 인상 잉곳의 온도 경사를 내리고 있었다.
그러나 특히 쿨러를 사용하여 단결정 인상 잉곳의 온도 경사를 의도적으로 높게 설정하고 있는 것 같은 경우에는, 보다 높은 온도를 융액에 부여하지 않으면 안된다. 그리고 이 가열을 행하기 위해서 전력 소비량이 증대되므로 경제적이지 못한 것은 물론이지만, 이 가열에 의하여 석영 도가니가 이상적으로 가열되어 도가 니 중에 존재하는 거품이 커져서 터지므로, 그 파편이 결정에 부착되어 전이를 발생시키고, 다결정화시키거나 하는 문제점이 생기는 경우가 있다.
또한, 쿨러의 냉각에 견디는 도가니 가열을 행하기 위해서는 실제로 막대한 전력을 투입하지 않으면 안되기 때문에, 전원 장치가 대형화하여 버리는 문제점이나 지나친 열에 바래는 가열로내 부품이 조기에 나빠져 버리는 문제점도 있었던 것이다.
그러나 본 발명에 의한 단결정 잉곳 제조 장치에 의하면 이러한 문제점이 모두 해소된다.
(C2) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 단결정 잉곳의 인상을 행하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 인상 중인 단결정 잉곳의 소정의 개소에 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치를 제어하는 방법으로서, 이러한 단결정 잉곳을 원료 융액으로부터 인상한 후, 이러한 쿨러와 가열을 종료한 도가니를 가까이 함으로써 단결정 잉곳의 제조 시간을 단축하는 방법.
여기서, '쿨러와 가열이 종료된 도가니를 가까이 한다.'라고 하는 것은 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치의 열원인 히터에 근접하여 냉각을 행한다는 것을 의미한다. 또한, '쿨러와 가열이 종료된 도가니를 가까이 한다'라고 하는 것은 도가니를 쿨러쪽으로 상승시키거나, 쿨러를 도가니쪽으로 하강시키거나 이들 동작을 조합함으로써 실시할 수 있다.
(C3) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 인상 중의 단결정 잉곳(이하, 단결정 인상 잉곳이라 한다.)의 소정의 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치로서, 상기 단결정인상 잉곳의 꼬리부를 형성하는 경우, 앞서의 단결정 잉곳과 앞서의 원료 융액의 고체ㆍ액체 계면으로부터 쿨러를 멀리하기 위하여 쿨러가 상승하는 것을 특징으로 하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치.
(C4) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 인상 중의 단결정 잉곳의 소정 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 단결정 잉곳을 원료 융액으로부터 인상한 후, 가열이 종료한 도가니를 냉각하기 위해서 쿨러가 하강하는 것을 특징으로 하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치.
(C5) 도가니 내까지 쿨러가 하강하는 것을 특징으로 하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치.
(C6) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 인상중의 단결정 잉곳의 소정의 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 단결정 잉곳을 원료 융액으로부터 인상한 후, 쿨러와 가열이 종료한 도가니를 근접시킴으로써 도가니의 냉각을 행하도록 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치.
(C7) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 인상 중의 단결정 잉곳(이하, 단결정 인상 잉곳이라 한다.)의 소정 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 단 결정 인상 잉곳의 꼬리부를 형성하는 경우, 단결정 잉곳과 원료 융액과의 고체ㆍ액체 계면으로부터 쿨러를 이격시키기 위해서 쿨러가 상승하는 동시에 단결정 잉곳을 원료 융액으로부터 인상한 후, 가열이 종료한 도가니를 냉각하기 위하여 쿨러가 하강하는 것을 특징으로 하는 CZ법 단결정 잉곳 제조 장치.
(C8) 가열된 도가니 내의 원료 융액으로부터 인상 중의 단결정 잉곳(이하, 단결정인상 잉곳)의 소정 개소의 냉각을 행하는 쿨러를 가열로내에 구비하는 초크랄스키법(이하, CZ법이라 한다.) 단결정 잉곳 제조 장치를 이용하여 단결정 잉곳을 제조하는 방법에 있어서, 단결정 잉곳과 원료 융액과의 고체ㆍ액체 계면으로부터 쿨러간의 거리를 변화시킴으로써 단결정 인상 잉곳의 직경 크기를 조정하는 방법.
즉, 쿨러는 단결정 인상 잉곳의 소정 개소의 인상 방향에 있어서 온도 경사를 조정하는 데 크게 공헌할 뿐만 아니라, 고체ㆍ액체 계면에 있어서 단결정 인상 잉곳의 상태에 큰 영향을 준다. 이러한 방법에 있어서 쿨러와 고체ㆍ액체 계면과의 간격을 작게하는 경우, 고체ㆍ액체 계면에 있어서의 상태가 고화쪽으로 할당되어 인상된 잉곳의 직경이 커진다. 한편, 쿨러와 고체ㆍ액체 계면와의 간격을 크게 하는 경우, 고체ㆍ액체 계면에 있어서의 상태가 액화쪽으로 할당되어, 인상된 잉곳의 직경이 작아진다.
완전 결정에의 적용
앞서의 (C1) 내지 (C8)에 의한 장치 및 방법은 완전 결정을 제조하는 데 바람직하다. 완전 결정을 제조하기 위해서는 단결정 잉곳의 인상 속도를 느리게 해야할 뿐만 아니라 온도 감시도 엄밀히 행해야 하기 때문에, 단결정 잉곳의 인상 시 간이 길어지고, 이에 따라 제조 공정이 길어지는 경향이 있다. 그러나 본 발명에 따른 장치 및 방법[(C1) 내지 (C8)에 의한 장치 및 방법]에 의하면, 단결정 잉곳의 인상 공정 이외의 부분으로 시간 단축을 도모할 수 있기 때문에, 제조 공정 전체로 보면 제조 시간의 장기화를 방지할 수 있게 되고, 완전 결정 제조의 효율화를 도모할 수 있게 된다.
단결정 잉곳 제조 장치의 동작
본 발명에 의한 단결정 잉곳 제조 장치에서, 그 한 형태로 단결정 인상 잉곳의 꼬리부를 형성할 때, 단결정 인상 잉곳의 직경이 원하는 비율로 감소하고 있는 지 여부를 감시하여, 쿨러와 원료 융액의 표면과의 거리를 변화시킴으로써, 단결정인상 잉곳 직경을 점차 감소시키도록 동작한다.
이를 위하여, 제어는 이른바 피드백 제어에 의하여 행하는 것이 일반적이다. 보다 구체적으로는 실제 직경의 크기를 측정하여, 가정한 직경의 크기와 측정치를 비교하여, 혹시 상이한 경우, 인상 조건을 변화시켜 원하는 가정의 직경이 얻어지 도록 유도(자동 제어)하여 구축할 수 있다. 따라서 꼬리부를 형성할 때라도 조작을 피드백계를 채용하여 행함으로써, 원하는 길이와 각도를 가지는 꼬리부를 형성할 수 있게 된다.
상승한 쿨러는 단결정 인상 잉곳의 인상 종료후에는 소정 위치 또는 보다 아래쪽으로 다시 하강하여 고온 영역을 냉각하도록 자동 제어되며, 이와 같이 꼬리부작성중에 상승시킨 쿨러를 인상 종료 후 가열로의 하부로 하강시킴으로써 고온 영역을 강제로 냉각할 수 있게 된다.
용어의 정의 등
본 명세서에 있어서, '완전 결정'이라고 하는 것은 성장시 도입 결함(OSF링, 공공형 결함, 전위 클러스터 등의 일반적인 CZ법에 있어서의 실리콘 단결정 성장시에 통상적으로 발생하는 결정중의 결함. Grown-in 결함)을 포함하지 않는 단결정 잉곳을 의미한다.
본 명세서에서 '잉곳'은 실리콘 융액으로부터 성장한 단결정을 의미하며, '벌크'는 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼 내부 부분을 의미하고, 소자를 형성하는 표면층과 구별하기 위한 개념이다. 즉, '벌크'는 일반적으로 표면에서 수 10㎛ 이상의 내부를 말하는 적이 많지만, 이 명세서에서는 DZ 층등의 표면층 이외의 내부 부분을 의미한다.
'DZ 층'이라고 하는 것은 CZ법으로 제작된 실리콘 웨이퍼를 적당한 열처리(예를 들면, 질소 분위기하, 1050℃로 수 10시간)를 실시함으로써 웨이퍼 표면 근방에 형성된 저산소로 산소 석출 등이 전혀 없는 영역을 말한다. 'DZ 층'은 무결함 영역이라고도 불리기도 하지만, 완전 결정에 의한 실리콘 잉곳의 무결함영역과 혼동되기 때문에, 이 명세서에서는 원칙으로 '무결함 영역'이라고 하는 단어를 DZ 층에 관해서는 사용하지 않는다. DZ 층은 수소 어닐링 처리(특개소 61-193456호 공보)에 의해서도 얻어진다.
완전 결정에 있어서, '공공 우세 영역'은 일반적으로 웨이퍼의 내경측 범위에 나타나고, '격자간 실리콘 우세 영역'은 일반적으로는 웨이퍼의 외경측 범위에 나타난다.
본 발명에 의한 방법 및 장치[상기(C1) 내지 (C8)에 의한 장치 및 방법]는 인상된 단결정 잉곳의 종류에 영향을 주는 요인이 없고, CZ법에 일반적으로 적용할 수 있는 방법으로 생각되기 때문에, 인상된 단결정 잉곳이 실리콘 단결정 잉곳인 경우에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, '온도 경사'는 도가니로부터 인상 중의 단결정 잉곳의 종축에 있어서의 온도 변화 정도를 의미한다. 여기서, 온도 경사가 높은 (또는 큰) 것은 온도 변화가 급한 것을 의미하여, 온도 경사가 낮은 (또는 작은) 것은 온도 경사가 완만한 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 있어서 '고온 영역'은 단결정 잉곳 제조 장치의 가열로내에 있어서 히터에 의하여 가열된 부분(주로 열차폐체 보다 아래의 구획)을 의미한다.
[실시예]
완전 결정의 제조 조건의 검토
실시예 A1
여러가지 성장 조건에 의하여 무결함 결정이 얻어지는 성장 조건을 조사했다. 그 결과를 표 A1에 나타낸다. 실험은 직경 200mm의 결정을 이용하여 행했다. 결정 결함의 분포는 일반적으로 결정을 에칭액에 담근 후, 그 표면을 관찰함으로써 조사할 수 있지만, 본 실시예에서는 공공 및 전위 클러스터에 관하여 무교반 Secco 에칭을 함으로써, OSF에 관해서는 780℃로 3시간 및 여기에 이어서 1000℃로 16시간 산화성 열처리를 한 후 가볍게 에칭함으로써 결함의 분포를 조사했다. 반경 방 향의 각 위치에서의 인상 축방향의 결정내 온도 경사는 현재 확립되어 있는 성장 장치내의 종합 전열 해석에 의하여 구했다.
표 A1는 각 성장 조건마다의 무결함 결정이 얻어진 성장 속도의 범위를 나타낸다. 여기에서, 성장 속도의 범위가 나타내지 않은 조건은 결정면내의 일부밖에 무결함부가 발생하지 않던 조건이다.
[표 A1]
이러한 표 A1에 의하여 실리콘 융점으로부터 1350℃까지의 온도 범위에 있어서의 인상 축방향의 결정내 온도 경사의 평균치(G)의 결정의 외측면과 결정 중심의 값의 비(G외부/G중심)를 1.10 이하로 했을 경우에만 무결함 결정이 얻어지는 것을 알았다. 또한, G외부/G중심가 1.10이하인 조건에 있어서, 인상 속도를 V(mm/min)로 한 경우, V/G가 0.16mm2/℃ㆍmin∼0.18 mm2/℃ㆍmin의 범위로 된 인상 속도일 때 무결 함 결정이 얻어지는 것을 알았다.
실시예 A2
표 A1으로 요구된 성장 조건에 있어서, 인상 속도를 일정하게 하여 결정을 성장시킨 경우, 성장 중의 결정내 온도 경사의 변화 때문에 알맞은 성장 조건에서 서서히 벗어나 버리는 경우가 있다. 그리고, 이를 그대로 방치한 경우, 도 1의 개념도로 나타낸 바와 같이 무결함 성장 안건으로부터 벗어난 것으로 만들어져 버리기 때문에, 조건을 적절히 변화시켜서 최적 조건으로 유도할 필요가 있다.
이러한 경우에 있어서 본 실시예 A2로서는, 최적 조건으로 유도하기 위하여 인상 속도를 변화시키는 것으로 하였다. 그리고 표 A2에 도시한 바와 같이, 인상 속도 V를 결정 길이의 변화에 따라 변화시킴으로써 무결함 결정을 얻을 수 있었다.
[표 A2]
실시예 A3
본 실시예는 실시예 A2처럼 성장 중에 있어서의 결정내 온도 경사의 변화 때문에 서서히 알맞은 성장 조건으로부터 벗어나 버리는 경우, 실리콘 융액과 열차폐체간의 거리에 변화를 줌으로써 무결함 결정을 얻을 수 있다는 것을 나타내기 위한 것이다. (표 A3)
[표 A3]
표 A3에 도시한 바와 같이, 인상 속도가 일정한 조건하에 실리콘 융액과 열차폐체 사이의 거리를 결정 길이의 변화에 따라 변화시킴으로써, 무결함 결정을 얻을 수 있었다. 여기서, 본 실시예 A3에 따라 실리콘 융액과 열차폐체 사이의 거리를 변화시키는 경우, 인상 속도를 변화시킨 경우(실시예 A2)와 같은 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이로부터 무결함 결정을 얻는다고 하는 관점에서 보면, 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서 실리콘 융액과 열차폐체 사이의 거리를 변화시키는 것은 인상 속도를 변화시키는 것과 같은 효과가 얻어진다는 것이 밝혀졌다.
완전 결정 실리콘 웨이퍼의 열처리
공공 우세 영역 및 격자간 실리콘 우세 영역이 면내에 혼재하는 완전 결정으로부터 잘라낸 실리콘 웨이퍼에 여러 가지의 열처리를 실시하여, 웨이퍼면 내의 산소 석출물 밀도 분포를 조사했다. 실험은 산소 농도가 11×1017atoms/cm3 ∼ 14 ×1017atoms/cm3('79 ASTM)의 직경 200 mm의 B(보론) 도핑 P형 결정을 이용하여, 질소 및 산소의 혼합 가스 분위기속에서 전열처리를 한 후, 산화성 분위기속에서 2 단계의 소자 시뮬레이션 열처리(780℃에서 3시간 + 1000℃에서 16시간)를 실시하여, 가벼운 에칭법으로 산소 석출물의 밀도를 조사했다. 결과를 도 7 및 표 B1에 나타낸다.
또한, 도 7에는 산소 농도가 14 ×1017 atoms/cm3 인 공공 우세 영역 및 격자간 실리콘 우세 영역이 면내에 혼재하는 완전 결정으로부터 잘라낸 실리콘 웨이퍼에 시뮬레이션 열처리만을 행한 기준 시료의 산소 석출물 밀도의 면내 분포를 나타낸다. 표 B1에는 각각의 전열 처리 조건, 산소 석출물 밀도의 웨이퍼면내 균일성의 유무 및 DZ 층의 유무를 나타낸다.
[표 B1]
표 B1에 의하여 결정의 산소 농도가 13×1017 atoms/cm3 이하인 경우, 초기 투입 열처리 온도를 적어도 약 500℃ 이하로 하여, 적어도 700℃로부터 900℃의 온 도 범위까지 1℃/min 이하의 속도로 온도 상승시킴으로써, 그 후의 시뮬레이션 열처리 뒤의 산소 석출물 밀도의 면내 분포가 DZ층을 잃게 되는 일없이 균일화할 수있다는 것을 알았다. 또한, 이들 조건의 범위에 있어서 결정의 산소 농도, 초기 투입 온도, 온도 상승 속도, 도달 온도 및 도달 온도에서의 유지 시간을 적당히 조정함으로써 소자 공정에 적합한 산소 석출물을 도입할 수 있다.
실시예 B1
도 8에서 투입 온도를 450℃∼600℃까지 변화시키고, 750℃까지 0.5℃/min의 속도로 승온시켜, 750℃로 4시간동안 등온 처리를 행한 후, 시뮬레이션 열처리를 행했을 때의 산소 석출물 밀도의 면내 분포를 나타낸다. 도 8에 의하여 투입 온도가 500℃ 이하인 경우에 석출물 밀도가 균일화한다는 것을 알 수 있다.
실시예 B2
도 9에 500℃의 투입 온도로부터 750℃의 도달 온도까지의 온도 상승 속도를 0.5℃/min∼1.5℃/min로 하여, 도달 온도에서 4시간 등온 처리를 행한 뒤, 시뮬레이션 열처리를 행했을 때의 산소 석출물 밀도의 면내 분포를 나타낸다. 도 9에 의하여 온도 상승 속도를 1.0℃/min 이하로 한 경우에 석출물 밀도가 균일화한다는 것을 알 수 있다.
실시예 B3
도 10에 500℃의 투입 온도로부터 0.5℃/min의 속도로 온도 상승하여, 도달온도를 650∼800℃까지 변화시킨 뒤, 시뮬레이션 열처리를 행했을 때의 산소 석출물 밀도의 면내 분포를 나타낸다. 도 10에 의하여 도달 온도가 700℃ 이상인 경우 에 석출물 밀도가 균일화한다는 것을 알 수 있다.
실시예 B4
도 11에 투입 온도를 500℃로 하여 700℃까지 1.0℃/min의 속도로 온도 상승하여, 700℃에서 1시간동안 등온 처리하는 조건에 있어서 결정중의 산소 농도를 변화시켰을 때의 산소 석출물 밀도의 면내 분포를 나타낸다. 도 11에 의하여, 산소 농도에 의존하지 않고, 산소 석출물 밀도의 면내 분포 균일성이 유지된다는 것을 알 수 있다. 그러나 산소 농도가 13×1017 atoms/cm3을 넘는 것에 관하여, 산소 석출물이 웨이퍼 표면까지 나타나 버려 DZ 층이 발견되지 않았다.
이상의 결과로부터 공공 우세 영역 및 격자간 실리콘 우세 영역이 면내에 혼재하는 실리콘 웨이퍼에 있어서, 결정중의 산소 농도를 13 ×1017 atoms/cm3이하의 영역에서 제어하여, 본 발명의 열처리를 실시함으로써 웨이퍼면내에 균일하게 임의 밀도의 산소 석출물을 도입할 수 있음을 알 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 바람직한 실시예
도 12는 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 바람직한 실시예를 나타낸 간략한 종단면도이다. 이하, 도 12를 참조하여 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 일 실시예에 대하여 설명한다.
전체 구성
본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 통상의 CZ법 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치와 같이, 밀폐 용기인 공정실(21)내에 실리콘 융액(22)의 제조ㆍ저 장을 위한 도가니(23) 및 이 도가니(23)를 가열하기 위한 히터(24)를 구비하고 있다. 그리고, 이밖에도 적당한 통상의 CZ법 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치와 같이, 히터(24)에 전력을 공급하는 전극, 도가니(23)를 지지하는 도가니받이, 도가니(23)를 회전시키는 받침대, 도가니를 상승시키는 도가니 상승 장치, 단열재, 융액 받이, 내통등이 구비되어 있지만, 도면을 간략화하기 위하여 도시하지 않는다. 또한, 이 장치에는 실리콘 융액(22) 및 히터(24)로부터 실리콘 잉곳(27)에의 열복사를 차단하기 위한 열차폐체(28)와 이 열차폐체(28)의 내측에 배치된 쿨러(19)를 구비하고 있다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 특별히 도시하지는 않고 있지만, 이 종류의 CZ법 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 통상적으로 구비된 불활성 가스의 도입ㆍ배기 시스템을 구비하고 있다. 그리고 이러한 시스템에 있어서, 열차폐체(28)는 불활성 가스의 유통 경로를 조정하는 기능도 겸비하고 있다.
쿨러
본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서 특징적인 것은 열차폐체(28)의 내측에 그 가운데로 냉각수가 통과하는 배관으로 구성된 쿨러(19)가 승강이 자유자재가 되도록 장착되고 있는 것이다. 본 실시예에서, 쿨러(19)는 인상 중의 단결정 잉곳을 둘러싼 원통부에 나선형의 냉각수 배관(20)을 내장하여, 공정실(21)의 외측에 설치된 쿨러 승강 장치(도시하지 않음)로, 잉곳의 축방향에 따라 승강시킬 수 있다. (특원평 9-275097호 참조) 이러한 승강 장치를 실현하기 위한 기계적 수단은 예를 들면 볼나사와 막대이나, 여기에 한정되지 않는다.
배관으로 구성된 쿨러(19) 중에 냉각수가 통과하지만, 냉각수는 공급관(도시하지 않음)을 통하여 공급된다. 이 공급관을 포함하는 급배관을 공정실(21)내로 관입하는 곳에는 주름 상자 부재(29)가 장착되어 있고, 이것에 의하여 기밀과 가요성(可撓性)이 유지되도록 되어 있다. 몸통부의 형성중에 결정 결함 형성에 깊이 관여하는 소정 개소의 온도 경사를 적절하게 조정하기 위하여, 쿨러(19)를 동일한 장소에 고정시켜 둔다.
꼬리부의 형성
다음으로 도 13을 참조하면서 본 발명에 의한 단결정 잉곳 제조 장치를 이용한 꼬리부의 형성 공정에 대하여 설명한다. 도면의 간략화를 위하여 본 발명의 설명에 직접 관계가 없는 부재에 관한 도시는 생략한다.
전술한 바와 같이, 쿨러(19)는 몸통부 형성중에는 단결정 인상 잉곳의 소정의 위치에 원하는 온도 경사를 주는 것 같은 위치(도면 중의 A)에 고정되어 있다. 그리고, 꼬리부의 형성 공정을 이행하는 경우, 쿨러(19)를 B의 위치까지 인상한다. 이로써 쿨러(19)와 융액 표면과의 거리가 넓어자므로 그 결과, 인상된 잉곳의 직경이 서서히 좁아진다.
여기서, 쿨러(19)를 위치 B까지 인상하는 경우는 한 번에 인상하는 것은 아니고, 서서히 인상하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 융액 표면으로부터 쿨러 (19)까지의 거리를 급격히 넓히는 경우, 몸통부의 열이력이 변하여 산소의 이상 석출부가 2곳으로 되는 등의 문제가 생기기 때문이다.
또한, 이러한 공정은 작업자가 직시하면서 장치를 조작함으로써 실행 가능 하지만, 통상적으로 자동 제어 방법으로 행한다.
꼬리부 형성의 동작 흐름
도 14는 본 발명에 적용 가능한 피드백 자동 제어의 공정을, 흐름도로 나타낸 것이다. 이하, 도 14를 참조하여 제어의 흐름에 대하여 설명한다.
먼저, 꼬리부 형성을 시작(S41)하는 경우, 쿨러 승강 기구를 작동시켜 소정 양만큼 쿨러(19)를 상승시킨다.(S42) 다음으로 잉곳의 결정 직경이 원하는 크기인 지의 여부를 비교한다.(S43) 비교 결과, 원하는 결정 직경이 얻어지고 있는 경우에는 그대로 그 위치에 쿨러(19)를 유지한다.(S44) 그러나, 만약 원하는 결정 직경이 얻어지고 있지 않은 경우에는, 실제로 검출된 결정 직경이 원하는 결정 직경보다도 큰지 작은지 여부를 판단한다.(S45) 그 결과, 실제 결정 직경이 원하는 값보다도 큰 경우에는 공정(S42)로 되돌아가 다시 쿨러(19)를 상승시킨 후 같은 공정을 반복한다.
한편, 실제로 검출된 결정 직경이 원하는 값보다도 작은 경우에는 필요한 양만 쿨러(19)로 하강시킨다.(S46) 그 후, 제어 공정은 S43로 돌아가 실제의 결정 직경과 원하는 결정 직경을 비교한다.
이러한 제어 공정을 반복함으로써, 소정의 조건에 맞은 결정 잉곳의 꼬리부를 형성할 수 있게 된다. 이러한 실시예에서 쿨러(19)를 승강 장치에 의하여서 승강시키고 있지만, 융액 표면과 쿨러(19)의 거리를 넓히기 위한 다른 방법 즉, 도가니(23)를 승강시키더라도 좋고, 또한 쿨러(19)의 승강과 도가니의 승강을 조합시켜 행해도 좋다. 여기서, 도가니(23)는 도시하지 않은 도가니 승강 장치로써 승강시 키기 때문에, 이 도가니 승강 장치를 조작함으로써 도가니(23)의 오르내림을 자유 자재로 행할 수 있다. 도시하지 않는 승강 장치의 조작은 작업자가 행해도 좋고, 앞서 기재한 바와 같이 피드백 자동 제어 방법으로서 행하여도 좋다. 이러한 것은 쿨러(19)의 승강과 도가니(23)의 승강을 조합시킨 경우에 있어서도 동일하다.
결과
여기서, 단결정 잉곳과 원료 융액의 고체ㆍ액체 계면으로부터의 쿨러(19)를 멀리하고, 1) 쿨러 승강 장치에 의하여 쿨러(19)를 상승시키고, 2) 도가니 승강 장치에 의하여 도가니(23)를 하강시키며, 3) 앞서의 1) 및 2) 전부를 행하는 방법에 의하여 행한 경우의 결과를 도 15 및 표 C1에 나타낸다.
[표 C1]
도 15에 의하여 본 발명에 의한 방법을 실행한 경우에는 종래와 비교하여 전력 소비량을 현저히 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 표 C1에 의하여 본 발명에 따른 방법을 적용한 경우에는 꼬리부에 생겨 전위를 감소시킬 수 있기 때문에, 단결정화율이 향상되는 것을 알 수 있다. 동시에, 전력양의 감소에 따라 과열되는 것을 피할 수 있으므로 흑연 도가니에 부여하는 부하가 적어도 되기 때문에, 동일 개수의 단결정을 인상한 경우, 사용되는 흑연 도가니의 수가 적어도 되므로 경제적이라고 하는 것도 이해된다.
고온 영역의 강제 냉각
다음으로 단결정 잉곳의 인상 종료 후에 있어서 쿨러(19)를 이용한 고온 영역의 강제 냉각에 대하여 설명한다.
꼬리부의 형성이 끝나는 경우, 단결정 잉곳의 제조 공정은 완료된다. 여기서, 본 발명에서는 도 16에 나타낸 바와 같이, 꼬리부의 형성 종료후, 인상하고 있던 쿨러(19)를 다시 도가니(23)쪽으로 하강시키고(도 중의 C), 도가니(23)를 포함하는 고온 영역을 강제적으로 냉각한다. 이에 따라, 다음 제조 공정의 이행 시간을 단축할 수 있어 전체로서 제조 사이클의 단축이 달성된다.
고온 영역의 가열로내 부품내에서 가장 높은 열을 가지는 부품은 도가니(23)이기 때문에, 쿨러(19)를 도가니(23)에 가능한한 접근시켜, 도가니의 냉각을 촉진하는 것이 바람직하다. 여기서, 열차폐체(28)가 쿨러(19)의 하강을 방해하는 경우에는 열차폐체(28)를 같이 하강시키거나, 쿨러(19)가 지나는 통로를 만들도록 가열로의 외측방향으로 이동하는 것 같은 구조로서도 좋다.