KR100699537B1 - 실리콘 단결정 성장 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초기산소농도를 저감시킬 수 있는 실리콘 단결정의 성장 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실리콘 단결정의 성장 방법은, 도가니 내의 실리콘 융액에 시드(seed) 실리콘 단결정을 담근 후 이를 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 초크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정의 성장 방법이다. 이 때, 상기 도가니의 측방으로 위치하여 상기 실리콘 융액에 열을 제공하는 히터의 하단부를 상기 도가니의 바닥부의 상단부에서 벗어난 부분에 위치시킨 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작한다. 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는 초크랄스키법에 의해 성장되어 제조되며 초기산소농도가 5 ppma(parts per million atoms)와 같거나 작다.

웨이퍼, 초크랄스키, 시드(seed), 초기산소농도

Description

실리콘 단결정 성장 방법 및 그 장치{METHOD OF GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL AND APPARATUS FOR THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법이 적용된 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 멜트 레벨(melt level)에 따른 실리콘 단결정의 초기산소농도의 값을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 실리콘 단결정의 성장 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초기산소농도를 저감시킬 수 있는 실리콘 단결정의 성장 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근 정보기술(information technology, IT) 산업 등의 발달에 의해 이러한 정보기술 산업의 핵심 기술에 해당하는 반도체에 대한 관심이 높아지고 있다. 반도체는 컴퓨터, 가전제품, 휴대폰, 액정표시장치 등의 다양한 분야에 적용될 수 있어 이러한 반도체 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이 때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법 또는 플로팅 존(floating zone, FZ) 법이 적용될 수 있다.

그런데, 플로팅 존 법을 적용하여 단결정 실리콘을 성장시키는 경우에는 직경이 200 mm 이상인 대구경의 실리콘 단결정의 제조가 어렵고 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있는 바 초크랄스키 법을 적용하여 단결정 실리콘을 성장시키는 것이 일반적이다.

초크랄스키 법은 석영 도가니(quartz crucible)에서 실리콘을 용융시킨 후 시드(seed) 실리콘 단결정을 실리콘 융액 내에 담근 후 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다. 이 때, 원활한 실리콘 단결정의 성장을 위해 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 실리콘 단결정 성장 장치의 상부로 유입하였다가 하부로 배출시키는 방법 등을 적용할 수 있다.

초크랄스키 법에 의해 성장되어 제조된 실리콘 웨이퍼는 공정 특성상 초기산소농도를 낮추는 것에 근본적인 한계가 있다. 즉, 실리콘을 용융시킬 수 있는 온도에서 공정을 진행하는 동안 석영 도가니로부터 용해된 산소가 실리콘 단결정으로 혼입되어 실리콘 단결정 원자구조에서 격자간 위치에 존재하게 된다. 이에 따라, 쵸크랄스키 법에 의해 제조된 웨이퍼는 초기산소농도가 13 ppma(parts per million atoms) 이상인 것이 일반적이다.

이보다 낮은 산소농도를 갖는 웨이퍼를 제조하기 위한 방법으로 일반적인 초크랄스키 법으로 성장되고 제조되어 13 ppma 이상의 초기산소농도를 갖는 웨이퍼를 제조한 후 열처리 등으로 산소를 석출시켜 산소농도를 저하시키는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 산소 석출을 위한 열처리를 수행하여야 하므로 추가 공정에 의해 시간과 비용이 상승하는 문제가 있다.

따라서, 추가 공정 없이 웨이퍼의 초기산소농도를 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재까지 이러한 연구는 도가니에서 용출되어 나온 산소를 제어하는 방법에 초점을 맞추어 진행되고 있다.

이렇게 도가니에서 용출되어 나온 산소를 제어하는 방법으로는 시드 단결정 실리콘의 회전 속도를 상승시키는 방법, 아르곤(Ar) 가스의 유속을 증가시키는 방법, 또는 로내의 압력을 저하시키는 방법 등이 있다. 이러한 방법은 용출된 산소의 이동 경로를 제어하거나 산소를 실리콘 융액의 표면에서 증발시켜 실리콘 단결정 내로 유입되는 산소의 양을 저하시키는 것이다.

그런데, 이러한 방법을 적용하는 경우 단결정 성장 시 불균일 성장이 발생할 수 있고 이에 따라 전체적인 균일성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 불균일 성장의 문제를 방지하면서 초기산소농도를 저감시킬 수 있는 단결정 실리콘의 성장 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 이러한 방법에 의해 성장되어 낮은 초기산소농도를 갖는 고품질의 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실리콘 단결정의 성장 방법은, 도가니 내의 실리콘 융액에 시드(seed) 실리콘 단결정을 담근 후 이를 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 초크랄스키(czochralski) 법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서,
상기 도가니의 측방으로 히터를 위치시키되, 상기 히터가 공급하는 열이 상기 도가니의 측벽에 집중되는 상태로 실리콘의 단결정의 성장을 시작하는 것을 그 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실리콘 단결정 성장 장치는, 초크랄스키(czochralski) 법에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,
실리콘 융액을 담는 것으로서, 바닥부와 측벽부를 포함하여 구성되는 도가니와; 상기 도가니의 측방으로 위치하여 상기 실리콘 융액에 열을 제공하는 히터;를 포함하되, 상기 히터는 상기 도가니의 측벽에 열이 집중 공급될 수 있도록 제1 발열부와, 일측에 슬릿(slit)이 형성된 제2 발열부를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

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이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법 및 이에 의해 성장되어 제조되는 실리콘 웨이퍼를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법이 적용된 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 멜트 레벨(melt level)에 따른 실리콘 단결정의 초기산소농도의 값을 도시한 그래프이다. 도 1에서는 본 발명에 관련되는 부분만을 도시하였으며, 도 1에 대해서는 본 발명에 관련되는 부분을 상세하게 설명하였으며 본 발명과의 관련성이 적은 부분의 설명은 생략하였다.

도 1을 참조하면, 실리콘 단결정의 성장 장치는 회전축(10) 상에 석영 도가니(12)를 둘러싸는 도가니 지지내(14)가 고정 설치되고, 히터(20)가 석영 도가니(12)의 측방으로 설치된다. 도 1에 도시한 실리콘 단결정의 성장 장치는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명에서는 다른 구조의 실리콘 단결정의 성장 장치가 적용될 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

이 때, 석영 도가니(12)는 상부로부터 소정의 거리만큼 일정한 내부 단면적을 갖도록 하는 측벽부(12a)와, 측벽부(12a)의 하단부에서부터 하부로 향하면서 점 점 내부 단면적이 점점 줄어도록 하는 바닥부(12b)를 포함한다.

이러한 석영 도가니(12) 내의 실리콘 융액(30)에 시드(seed) 실리콘 단결정을 담근 후 일방향(A)으로 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정(40)을 성장시킨다. 실리콘 단결정(40)의 성장이 진행되는 동안에는 구동수단(미도시)에 의해 회전축(30)이 시드 실리콘 단결정의 회전 방향에 반대되는 방향(B)으로 회전되고 이에 따라 석영 도가니(12)도 같은 방향(B)으로 회전된다. 이에 따라, 실리콘 단결정의 성장이 진행되는 동안에는 실리콘 융액(30)과 실리콘 단결정(40)이 만나는 고-액 계면의 높이가 일정하게 유지된다.

히터(20)는 석영 도가니(12) 내에 적재되는 고순도의 실리콘 다결정을 용융시키고 실리콘 단결정의 성장 시 실리콘 융액(30)에 열을 제공하여 실리콘 융액(30) 상태를 유지시키는 역할을 한다.

본 발명에서는 실리콘 단결정의 성장이 시작될 때의 실리콘 융액(30)이 담겨있는 석영 도가니(12)와 히터(20)의 상대적인 위치에 따라 초기산소농도를 조절한다.

도 2를 참조하면, 멜트 레벨(ML)에 따라 실리콘 단결정의 초기산소농도가 급격하게 변화함을 알 수 있다. 여기서, 멜트 레벨(ML)이라 함은 히터(20)의 상단부에 대해 실리콘 융액(30) 표면이 이루는 상대적인 위치를 나타내는 것인데, 이러한 멜트 레벨(ML)은 히터(20)와 실리콘 융액(30)을 담고 있는 석영 도가니(12)의 상대적인 위치가 변화됨에 따라 변화될 수 있다.

멜트 레벨(ML) 값이 저하될수록, 실리콘 융액(30)의 표면이 히터(20)의 상단 부로부터 낮아지는 방향으로 멀어질수록 실리콘 단결정의 초기산소농도가 저하된다. 이 때, 도 2에서는 멜트 레벨(ML)에 따라 초기산소농도를 14.5 ppma(parts per million atoms)에서부터 3 ppma까지 낮출 수 있음을 도시하였지만, 멜트 레벨(ML) 값을 더 낮추면 이 값보다 더 낮은 초기산소농도를 갖는 실리콘 단결정을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 단결정 성장 시작 시의 히터(20)와 석영 도가니(12)의 상대적 위치를 조절하여 원하는 초기산소농도를 갖는 단결정 실리콘을 제조한다.

이 때, 본 발명에서는 낮은 초기산소농도를 갖는 실리콘 단결정을 제조하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이 히터(20)의 하단부가 석영 도가니(12)의 바닥부(12b)의 상단부보다 높거나, 바닥부(12b)의 상단부와 같은 위치에 위치시킨 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작한다. 즉, 히터(20)에 의해 제공되는 열은 석영 도가니(12)의 바닷부(12b)에서 벗어난 측벽부(12a) 부분에 집중된다.

석영 도가니(12)로부터의 산소 용출은 실리콘 융액(30)이 접촉되는 부분에서 일어나게 되는데, 특히 석영 도가니(12)의 바닥부(12b)를 이루는 석영 도가니(12)의 표면에서 많이 일어난다. 산소 용출은 온도 조건에 비례하여 일어나므로 해당 부위의 온도 상승 요소를 차단하여 초기산소농도를 저감시킬 수 있다.

즉, 본 발명에서는 산소 용출이 많이 일어나는 바닥부(12b)의 온도 상승을 방지하기 위하여 히터(20)를 바닥부(12b)를 벗어난 부분, 즉 측벽부(12)의 측방으로 위치시킨 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작하여 낮은 초기산소농도를 갖는 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

이러한 조건을 만족하는 실리콘 단결정의 성장 방법에 의해 제조된 잉곳 (ingot)에 슬라이싱(slicing) 등의 공정을 수행하여 종래의 방법으로 실현할 수 없는 낮은 수준의 초기산소농도를 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법에 의해 성장되어 제조된 실리콘 웨이퍼의 초기산소농도가 5 ppma 이하일 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 초크랄스키 법을 이용하여 상기와 같이 5 ppma 이하의 초기산소농도를 갖는 실리콘 웨이퍼를 200mm 이상의 직경으로 제조할 수 있다. 이 때, 실리콘 웨이퍼에는 저산소 대구경 웨이퍼의 경우에 발생할 수 있는 기계적 강도의 저하를 방지하기 위하여 일례로, 3 × 10¹⁵개/cm³의 질소가 첨가될 수 있다.

본 발명에서는, 종래와 달리 석영 도가니에서 용출되어 나온 산소를 제어하는 것이 아니라 산소가 많이 용출될 수 있는 부분에서의 온도를 저하시켜 석영 도가니에서의 산소 용출을 원천적으로 차단한다. 따라서, 종래에 용출되어 나온 산소를 제어하는 경우에 발생할 수 있는 불균일 성장에 따른 문제를 방지할 수 있다. 그리고, 산소농도의 제어를 위해서 별도의 공정을 수행할 필요 없이 낮은 수준의 산소농도를 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 실리콘 단결정의 성장 방법에서는 석영 도가니의 바닥부의 온도 상승을 차단하기 위해서 최대 발열부를 갖는 히터를 사용하면서 이러한 최대 발열부의 상대적인 위치를 조절함으로써 초기산소농도를 제어하는 본 발명의 효과를 구현할 수도 있다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 히터(50)는 제1 발열부(50a)와 슬릿(slit)이 형성되는 제2 발열부(50b)를 구비한다. 제2 발열부(50b)에는 슬릿이 형성되어 제1 발열부(50a)보다 발열량이 더 큰 최대 발열부가 형성된다.

이러한 제2 발열부(50b)의 하단부를 석영 도가니(12)의 바닥부(12b)의 상단부와 같은 위치 또는 높은 위치에 위치시킨 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작한다. 즉, 제2 발열부(50b)의 발열부분을 석영 도가니(12)의 바닥부(12b)에서 벗어난 부분에 위치한 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작하여 초기산소농도를 낮출 수 있다.

이에 따라 종래의 방법으로는 실현이 불가능한 200mm 이상의 직경을 가지며 5 ppma 이하의 초기산소농도를 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

또는, 도 4에 도시한 바와 같이 히터(60)의 일부분의 두께를 줄여 제1 발열부(60a)와 제2 발열부(60b)를 형성한다. 이러한 제2 발열부(60b)는 제1 발열부(60a)보다 작은 두께를 가지므로 제1 발열부(60a)보다 큰 저항값을 가지며 이에 따라 제2 발열부(60b)에서는 다른 부분보다 발열량이 더 크게 된다. 이러한 제2 발열부(60b)의 하단부를 석영 도가니(12)의 바닥부(12b)의 상단부와 같은 위치 또는 바닥부(12b)의 상단부보다 높은 위치에 위치시킨 상태에서 실리콘 단결정의 성장을 시작하여 초기산소농도를 낮출 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법에 따르면 200mm 이상의 직경을 가지며 5 ppma 이하의 초기산소농도를 갖는 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.

이상을 통해 본 발명에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 초기산소농도를 저감시키기 위하여 산소가 많이 용출될 수 있는 부분에서의 온도를 저하시켜 석영 도가니에서의 산소 용출을 적절히 제어함으로써 별도 공정 없이 낮은 수준의 초기산소농도를 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 종래에 용출되어 나온 산소를 제어하는 경우에 발생할 수 있는 불균일 성장 문제를 방지할 수 있다.

따라서, 이러한 실리콘 단결정 성장 방법 및 장치에 의해 성장되어 제조된 실리콘 웨이퍼는 종래의 방법으로 실현할 수 없는 낮은 수준의 초기산소농도를 가지며 높은 품질을 가질 수 있다.

Claims (10)

1. 도가니 내의 실리콘 융액에 시드(seed) 실리콘 단결정을 담근 후 이를 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 초크랄스키(czochralski) 법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서,

   상기 도가니의 측방으로 히터를 위치시키되, 상기 히터가 공급하는 열이 상기 도가니의 측벽에 집중되는 상태로 실리콘의 단결정의 성장을 시작하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실리콘 단결정의 직경은 200mm 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
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5. 삭제
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8. 초크랄스키(czochralski) 법에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,

   실리콘 융액을 담는 것으로서, 바닥부와 측벽부를 포함하여 구성되는 도가니와;

   상기 도가니의 측방으로 위치하여 상기 실리콘 융액에 열을 제공하는 히터;를 포함하되,

   상기 히터는 상기 도가니의 측벽에 열이 집중 공급될 수 있도록 제1 발열부와, 일측에 슬릿(slit)이 형성된 제2 발열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 2 발열부의 두께는 상기 제 1 발열부보다 작은 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
10. 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 실리콘 단결정의 직경은 200mm 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 성장 장치.

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