KR100810565B1 - Apparatus for growing silicon single crystal ingot - Google Patents
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Abstract
실리콘 단결정 잉곳 성장장치 및 실리콘 단결정 잉곳의 결함제어방법이 개시된다. 개시된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와; 상기 도가니의 외주면에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터와; 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 발생되는 COP 형성구간과 OISF 형성구간을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된 그래파이트 링;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다. Disclosed are a silicon single crystal ingot growth apparatus and a defect control method for a silicon single crystal ingot. The disclosed silicon single crystal ingot growth apparatus comprises: a silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot by a Czochralski method, comprising: a chamber; A crucible installed inside the chamber and containing a silicon melt; A heater installed on an outer circumferential surface of the crucible to heat the crucible; A graphite ring surrounding the silicon single crystal ingot and blocking heat radiated from the silicon single crystal ingot, and the graphite ring disposed at a crystal defect generation region to separate the COP formation section and OISF formation section generated during the growth of the silicon single crystal ingot; It is characterized by that.
본 발명에 따르면, 그래파이트 링을 그 하부 공간이 단열되도록 설치하여 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, the graphite ring is installed so that the lower space is insulated so that the temperature range of COP and OISF defects, which are the major defects generated in crystal growth, is separated to have different cooling rates to control the size and density of the desired defects. There is an advantage to this.
COP, OISF, 그래파이트 링 COP, OISF, Graphite Rings
Description
도 1은 일반적인 결정 내부의 결함 형성구을 설명하기 위해 개략적으로 나타내 보인 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view for explaining a defect formation hole in a general crystal.
도 2는 종래의 기술에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.Figure 2 is a schematic view showing the configuration of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the prior art.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.Figure 3 is a schematic view showing the configuration of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
도 4는 도 2와 도 3의 장치에서의 결정의 온도를 비교하여 나타내 보인 그래프.4 is a graph showing a comparison of the temperatures of the crystals in the apparatus of FIGS. 2 and 3.
도 5는 도 2와 도 3의 장치에서의 결정의 냉각속도를 비교하여 나타내 보인 그래프.FIG. 5 is a graph showing a comparison of the cooling rates of the crystals in the apparatus of FIGS. 2 and 3. FIG.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서의 결함 제어를 결정하는 인자를 설명하기 위해 개략적으로 나타내 보인 도면.FIG. 6 is a schematic view for explaining a factor for determining defect control in a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention; FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
31. 도가니31. Crucible
32. 실리콘 융액32. Silicone Melt
33. 실리콘 단결정 잉곳33. Silicon Monocrystalline Ingot
34. 도가니 지지대34. Crucible Support
35. 회전축35. Rotating shaft
36. 히터36. Heater
37. 그래파이트 링37. Graphite Ring
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속결정 성장에 있어서 결정특성에 크게 영향을 주는 결함형성구간에 따라 각각 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 크기(Size)와 밀도(Density)를 가진 결함을 얻을 수 있게 하기 위한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon single crystal ingot growth apparatus, and more particularly, to have a different cooling rate depending on a defect formation section that greatly affects the crystal characteristics in high-speed crystal growth, and thus the desired size and density. The present invention relates to a silicon single crystal ingot growth apparatus for obtaining a defect with
반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다. 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로서 일반적으로 몇 가지 공정단계로 나누어진다. The Czochralski (CZ) method is a typical method for manufacturing a single crystal ingot for a silicon wafer used as an electronic component material such as a semiconductor. This method is a method of growing a crystal by soaking a single crystal seed crystal in molten silicon and slowly pulling it. It is generally divided into several process steps.
상기한 쵸크랄스키 법에 따라 단결정을 성장시킬 때 일반적으로 도가니의 외방에 설치된 히터로부터 발생되는 열이 실리콘 융액으로 전달되며, 이 때 융액의 온도는 잉곳에서 멀리 떨어질수록 높은 상태이므로, 열이 가장자리의 고온 융액으 로부터 상대적으로 저온인 잉곳에 도달할 때 받는 열충격이 결정 성장에 악영향을 미친다.When growing single crystals according to the Czochralski method described above, heat generated from a heater installed outside the crucible is transferred to the silicon melt, and the temperature of the melt is higher as it moves away from the ingot. The thermal shock received when reaching a relatively low temperature ingot from the hot melt of ethylene adversely affects crystal growth.
이와 같은 쵸크랄스키 법에 의한 고속 결정 성장 공정에서는 저결함 결정을 얻기가 어려워 결함이 발생하게 되는데 이때 발생되는 결함을 원하는 형태로 제어하는 것이 중요하다. In the high-speed crystal growth process using the Czochralski method, it is difficult to obtain low defect crystals, so that defects occur. It is important to control the defects generated at the desired shape.
그러나, 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP(Crystal Originate Particle)와 OISF(Oxygen Induced Stacking Fault) 핵은 그 생성되는 온도 구간이 연속적으로 구성되어 있어 결함 형성에 있어서, 서로 비슷한 냉각속도를 가지게 된다. However, COP (Crystal Originate Particle) and Oxygen Induced Stacking Fault (OISF) nuclei, which are the major defects that occur in crystal growth, have a similar cooling rate in forming defects because their temperature ranges are continuously formed.
도 1 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳 내부의 결함 형성구간을 나타내 보인 것이다.1 shows a defect formation section inside a silicon single crystal ingot grown by a silicon single crystal ingot growth apparatus.
도 1을 참조하면, 실리콘 융액(22)을 담는 도가니(21) 내의 중심에서 실리콘 단결정 잉곳(23)이 성장하면서 COP 형성구간 T1과, OISF 형성구간 T2를 각각 G1과 G2의 냉각속도를 가지며 지나게 된다. Referring to FIG. 1, as the silicon
이때 결함 형성구간 T1과 T2를 높은 냉각속도로서 지나게 되면, 작은 크기의 높은 밀도를 가진 결함이 형성되며, 낮은 냉각속도로서 지나게 되면 큰 크기의 낮은 밀도를 가진 결함이 형성하게 된다. 이는 반도체의 특성에 크게 영향을 미치는 결함이므로 결함을 적절히 제어해야 할 필요가 있다. At this time, if the defect formation sections T1 and T2 pass at a high cooling rate, a defect having a high density of a small size is formed, and a defect having a low density of a large size is formed if a defect is passed at a low cooling rate. Since this is a defect that greatly affects the characteristics of the semiconductor, it is necessary to appropriately control the defect.
그리고 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서, 그래파이트(Graphite)로 이루어진 열실드(24)를 이용해 히터(Heater)(25)의 열을 적절히 차단 함으로써, 전술한 COP 형성구간(A)과 OISF 형성구간(B)의 냉각속도를 비슷하게 제어를 한 경우를 나타내 보인 것이다. 2 is a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus, by appropriately blocking the heat of the
그러나, 상기한 COP 형성구간(A)과 OISF 형성구간(B)이 인접하므로, 두 구간의 냉각속도를 분리하는 새로운 장치가 필요하다. However, since the COP formation section (A) and the OISF formation section (B) are adjacent to each other, a new device for separating the cooling rates of the two sections is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 그래파이트 링을 설치하여 결정의 결함 구간을 분리시킴으로써 고속 결정성장에서 결정특성에 크게 영향을 주는 결함형성구간인 COP 형성구간과 OISF 형성구간에서 각각 다른 냉각속도를 가지게 함으로써 원하는 크기와 밀도를 가진 결함을 얻을 수 있도록 한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, in the COP formation section and OISF formation section, which is a defect formation section that greatly affects the crystal characteristics in high-speed crystal growth by installing a graphite ring to separate the defect section of the crystal. It is an object of the present invention to provide a silicon single crystal ingot growth apparatus capable of obtaining defects having desired sizes and densities by having different cooling rates.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와; 상기 도가니의 외주면에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터와; 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 발생되는 COP 형성구간과 OISF 형성구간을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된 그래파이트 링;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.Silicon single crystal ingot growth apparatus of the present invention for achieving the above object, the silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot by Czochralski method, the chamber; A crucible installed inside the chamber and containing a silicon melt; A heater installed on an outer circumferential surface of the crucible to heat the crucible; A graphite ring surrounding the silicon single crystal ingot and blocking heat radiated from the silicon single crystal ingot, and the graphite ring disposed at a crystal defect generation region to separate the COP formation section and OISF formation section generated during the growth of the silicon single crystal ingot; It is characterized by that.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설 명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3에는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버(미도시)를 포함하며, 챔버의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)(33)의 성장이 이루어진다.Referring to the drawings, the silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention includes a chamber (not shown), and the silicon single crystal ingot (IG) 33 grows inside the chamber.
상기 챔버 내에는 실리콘 융액(SM)(32)을 담는 석영의 도가니(31)가 설치되며, 이 도가니(31)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(34)가 도가니(31)를 에워싸도록 설치된다.In the chamber, a
그리고 상기 도가니 지지대(34)는 회전축(35) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(35)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(31)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 또한 상기 도가니 지지대(34)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(36)에 의해 에워싸여지며, 이 히터(36)는 보온통(미도시)에 의해 에워싸여진다. The
상기 히터(36)는 도가니(31) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(32)으로 만들며, 상기한 보온통은 히터(36)에서 발산되는 열이 챔버의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.The
또한 상기 챔버의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 도가니(31) 내의 실리콘 융액(32)에 접촉되어 인상하면서 실리콘 단결정 잉곳(33)을 성장시키는 종결정이 설치된다. In addition, an upper portion of the chamber is provided with an pulling means (not shown) for winding up and pulling the cable, and the silicon
상기한 인상 수단은 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(33)은 도가니(31)의 회전축(35)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(31)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올리도록 한다.The pulling means rotates while the cable is stretched while the silicon
그리고 원활한 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장을 위해, 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 챔버의 상부로 유입하고, 사용된 불활성 가스는 챔버의 하부를 통해 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.In order to smoothly grow the silicon
또한 상기 실리콘 단결정 잉곳(33)과 도가니(31) 사이에는 이 실리콘 단결정 잉곳(33)을 에워싸도록 열실드로써 그래파이트 링(37)(Graphite Ring)이 설치된다. In addition, a
상기 그래파이트 링(37)은 웨이퍼가 면내에서 특성이 균질할 것이 요구되는 추세에 따라, 결정 반경방향으로의 수직 온도 기울기의 편차를 줄이기 위해 다양한 핫존(Hot Zone)을 설계하는 과정에서 개발된 것으로서, 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 방사되는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳(33) 외주부에서의 냉각속도를 늦추는 역할을 한다.The
또한 본 발명의 특징부를 이루는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 그래파이트 링(37)은, 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장 시 발생되는 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된다.Also, as shown in FIG. 3, the
상기 그래파이트 링(37)은, 이 그래파이트 링(37)의 하부 공간이 단열되도록 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 일정 간격을 두고 수평을 유지하며 설치되고, 후술하는 도 6에 도시된 바와 같이, 좌우 길이 및 상하 위치가 조정되어 결정 결함 제어가 가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.The
그리고 상기 그래파이트 링(37)이 설치되는 결정 결함 발생 영역은 900∼1120℃이고, 상기 그래파이트 링(37)은 실리콘 단결정 잉곳(33)과의 간격은 약 1㎝ 이격되며 설치된다. 즉, 상기 그래파이트 링(37)의 내주면과 실리콘 단결정 잉곳(33)의 외주면 사이에는 약 1㎝ 이격되며 설치된다. 그러나 이 이격 거리는 본 발명을 한정하지 않고, 상기 그래파이트 링(37)의 하부 공간이 단열이 이루어지면, 상기한 이격 거리는 1㎝ 이상이면 한정되지 않는다.The crystal defect generation region in which the
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention having the configuration as described above is as follows.
쵸크랄스키 법에 의한 고속 결정 성장 공정에서는 저결함 결정을 얻기가 어려워 결함이 발생하게 되는데 이때 발생되는 결함을 원하는 형태로 제어하는 것이 중요하다. In the high-speed crystal growth process by the Czochralski method, it is difficult to obtain low defect crystals and defects are generated. It is important to control the defects generated at the desired shape.
그러나, 전술한 바와 같이 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 핵은 그 생성되는 온도 구간이 연속적으로 구성되어 있어 결함 형성에 있어 서로 비슷한 냉각속도를 가지게 된다. However, as described above, COP and OISF nuclei, which are the major defects generated in crystal growth, are continuously formed in temperature zones, and thus have similar cooling rates in defect formation.
따라서 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 상기한 두 가지 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 함으로써 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있게 한 것이다.Therefore, the silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention is to control the size and density of the desired defect by separating the above two formation temperature period of the defect to have a different cooling rate.
이를 보다 구체적으로 설명한다.This will be described in more detail.
도 3을 다시 참조하면, 상기 그래파이트 링(37)을 이용해 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 분리하여 그래파이트 링(37) 아래쪽에서 위쪽으로의 열전달을 차단함으로써 그래파이트 링(37) 아래 공간을 단열시켜 COP 형성구간(C)은 서서히 냉각되어 큰 크기의 낮은 밀도를 가지게 제어하며, 반면에 OISF 형성구간(D)은 빨리 냉각되어 OISF가 생성되지 않거나, 아주 작은 크기를 가지게 제어한다. Referring to FIG. 3 again, by separating the COP forming section (C) and the OISF forming section (D) by using the
이를 위해 상기 그래파이트 링(37)을 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 일정 간격을 두고 수평을 유지하며 설치되게 하고, 상기 그래파이트 링(37)을 결정 결함 발생 영역(900∼1120℃)에 설치하도록 하고, 특히 그래파이트 링(37)과 실리콘 단결정 잉곳(33)과의 간격을 약 1㎝ 이격되게 하며 설치한다. To this end, the
이를 더욱 명료하게 설명하기 위하여 도 4에는 종래 기술에 따른 장치(도 2 참조)와 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(도 3)에서의 결정 온도를 비교한 그래프가 도시되어 있다.In order to clarify this more clearly, FIG. 4 shows a graph comparing the crystal temperature in the apparatus according to the prior art (see FIG. 2) and the silicon single crystal ingot growth apparatus (FIG. 3) according to the present invention.
도 4를 참조하면, 종래의 기술에 따른 장치와 본 발명에 따른 장치에서의 결정의 온도가 상당한 차이를 나타내는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 장치의 결정이 결정 30cm까지는 서서히 냉각되는 것을 알 수 있다. 4, it can be seen that the temperature of the crystal in the device according to the prior art and the device according to the present invention shows a significant difference, and the crystal of the device of the present invention gradually cools to 30 cm of the crystal. .
그리고 도 5에는 상기한 두 장치에서의 각각의 두 결정의 냉각속도를 비교한 그래프가 도시되어 있다. 5 shows a graph comparing the cooling rates of each of the two crystals in the two devices described above.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 결정이 COP 형성구간(C)에서의 냉각속도는 낮은 반면, OISF 형성구간(D)의 냉각속도는 상당히 빠른 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 장치를 이용하면 고속 쵸크랄스키 단결정 성장에서 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 적절히 구분하여 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. As shown in Figure 5, it can be seen that the crystal of the apparatus according to the present invention has a low cooling rate in the COP forming section (C), while the cooling rate of the OISF forming section (D) is considerably fast. Therefore, it can be seen that by using the apparatus according to the present invention, a desired defect can be obtained by appropriately distinguishing the COP formation section (C) and the OISF formation section (D) in high-speed Czochralski single crystal growth.
또한 도 6에는 이러한 결함 제어를 결정하는 두 가지 인자를 나타내었다. 즉, 이 두 가지 인자는 상기 그래파이트 링(37)의 위치와 길이인데, 전술한 바와 같이, 상기 그래파이트 링(37)의 위치는 결정의 결함 발생 영역(900∼1120℃)에 위치해야 하며, 그래파이트 링(37)의 길이는 결정으로부터 1cm 이상부터이면 된다.6 shows two factors that determine this defect control. In other words, these two factors are the position and length of the
한편, 상기 그래파이트 링(37)은 흑연 재질의 링(37) 모양을 한 것으로, 이 그래파이트 링(37)의 길이가 길어질수록 결함 형성구간을 효과적으로 분리할 수 있으나, 결정의 직경을 고려하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the
본 발명은, 전산모사를 통해 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있게 장치설계를 할 수 있으며, 나아가서는 고속 단결정 성장에서 반도체의 수율에 좋지 않은 영향을 미치는 OISF의 발생은 제어하면서, 적절한 COP 크기와 밀도를 가질 수 있도록 제어할 수 있다.The present invention can be designed to obtain the desired crystal defects through computer simulation, and furthermore, while controlling the generation of OISF, which adversely affects the yield of semiconductors in high-speed single crystal growth, It can be controlled to have a density.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention has the following effects.
그래파이트 링을 그 하부 공간이 단열되도록 설치하여 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있다. 따라서 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있다.By installing the graphite ring so that the lower space is insulated, it is possible to control the size and density of the desired defect by separating the temperature range of the formation of COP and OISF defects, which are the major defects in crystal growth, and having different cooling rates. Thus, desired crystal defects can be obtained.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
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