KR100818891B1

KR100818891B1 - 열실드 구조물 및 이를 이용한 단결정 인상 장치

Info

Publication number: KR100818891B1
Application number: KR1020060138725A
Authority: KR
Inventors: 최일수; 김상희
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-04-02

Abstract

본 발명은 열실드 구조물과 이를 이용한 단결정 인상 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 열실드 구조물은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 장치에 사용되는 것으로서, 상기 단결정의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부와, 상기 외측 단열부의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부의 상단으로부터 연장되어 단결정의 외주면과 대향하는 내측 단열부를 포함하고, 상기 내측 단열부에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 열실드 구조물에 복사열 방출 개구를 형성하고 냉각관을 설치함으로써 COPs와 같은 보이드 결함을 유발하는 온도 대역을 갖는 단결정 영역과 조대한 산소석출물인 OiSF가 유발되는 온도 대역을 갖는 단결정 영역의 냉각속도를 국부적으로 동시에 제어할 수 있다. 이에 따라 산소 농도가 높고, 보이드 결함의 밀도는 낮고, OiSF의 생성 억제에 의해 고산화막 내압 특성을 갖는 단결정의 제조가 가능해진다.

실리콘 단결정, 열실드, COPs, OiSF, 고내압 특성

Description

열실드 구조물 및 이를 이용한 단결정 인상 장치{Structure of heat shield and Apparatus of growing single crystal}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 습식 산화 후 생성된 산화유도적층결함(OiSFs)을 촬영한 사진이다.

도 2는 과포화된 공공 원자 점결함이 실리콘 단결정의 냉각과정에서 응집되어 생성된 보이드 결함의 일종인 COPs를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래의 열실드 구조물의 단면을 도시한 우측 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열실드 구조물의 단면을 도시한 우측 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드 구조물의 단면을 도시한 우측 단면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 인상 장치의 구성을 나타낸 장치 구성도이다.

도 7은 종래의 열실드 구조물을 이용하여 실리콘 단결정을 성장시켰을 때(비 교예)와 본 발명의 실시예에 따른 열실드 구조물을 이용하여 실리콘 단결정을 성장시켰을 때(실시예)에 대한 단결정의 온도 대역 별 냉각온도 기울기를 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 8은 상기 비교예 및 실시예에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 산화막 내압 특성 평가 결과를 BV 맵(map)으로 나타낸 것이다.

삭제

<도면의 주요 참조번호>

20: 열실드 구조물 20a: 내측 단열부

20b: 외측 단열부 O: 복사열 방출 개구

H: 히터 C: 냉각관

130: 석영 도가니 IG: 실리콘 단결정

SM: 실리콘 융액

본 발명은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 장치에 사용되는 열실드 구조물 에 대한 것으로서, 단결정 성장 시 특정 온도 영역 구간의 냉각속도를 국부적으로 조절할 수 있는 열실드 구조물과 이를 이용한 단결정 인상 장치에 관한 것이다.

오늘날 반도체 디바이스 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼의 80% 정도는 쵸 크랄스키(Czochralski)법으로 성장시킨 실리콘 단결정으로 만들어진다. 최근 고집적 반도체 디바이스에서 서브마이크론 수준의 미세 회로 가공 기술이 현실화되면서 디바이스 기판으로 사용되고 있는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 결정 결함(grown-in defects) 제어에 대한 요구 수준도 점점 엄격해지고 있다. 특히 디바이스가 작동하는 실리콘 웨이퍼 표면 근처의 디바이스 활성화 영역에 존재하는 서브마이크론 수준의 미세 결함 제어가 중요한 문제로 인식되고 있다.

결정 결함은 크게 원자 공공 점결함(vacancy type)과 격자간 실리콘 점결함(interstitial type) 형태로 나누어지며, 원자 공공 점결함이나 격자간 실리콘 점결함이 평형농도 이상으로 존재하면 응집이 일어나서 3차원의 입체적인 결함으로 발전되는 것으로 알려져 있다. 실리콘 단결정에 존재하는 점결함의 농도는 V/G 비에 의해 계산되어질 수 있다고 알려져 있다(V.V.Voronkov, Journal of Crystal Growth, 59(1982), 625~643참조). 여기서 V는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 성장 시 단결정의 성장속도이며 G는 고액 계면 근방의 결정 내 수직 온도 구배이다. 즉, V/G의 값이 어떤 임계치를 초과하면 원자 공공 점결함(vacancy type)이, 그리고 그 이하의 조건에서는 격자간 실리콘 점결함(interstitial type)이 우세하게 존재한다. 일반적으로 쵸크랄스키법으로 제조되는 실리콘 웨이퍼는 원형의 OiSF-링(Oxidation-induced Stacking Fault-ring)이 존재하며 그 내측에 COPs(Crystal Originated Particles)1), FPDs(Flow Pattern Defects) 등 원자 공공 점결함-타입의 결정 결함(vacancy related grown-in defects)이 존재한다. 원자 공공 점결함 우세 영역의 가장 자리에는 고온에서 안정한 판상(Plate type)의 산소석 출물이 발생한다. 이러한 산소석출물 결함은 특정한 원자 공공 점결함의 농도 영역에서 생성된다고 보고되고 있다. 링(Ring) 형태로 관찰되는 이 영역은 습식 산화 후에 도 1과 같은 산화유도적층결함(OiSFs) 형태로 관찰되기 때문에 OiSF-링이라고 불리고 있다.

이러한 OiSF는 실리콘 단결정 성장시 고액 계면에서 결정내로 혼입되는 산소 농도에 의해 1차적인 영향을 받으며, 2차적으로는 단결정의 냉각 과정에서 과포화된 산소 점결함이 응집되어 조대한 산소 석출물을 형성하는 (1000 ~ 850 ℃) 온도구간의 냉각 속도에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 한편 산소는 반도체 디바이스 제조시 수반되는 고온 열처리 공정에서 발생하는 금속 불순물의 포집(Gettering) 효과를 위해 적정량 이상의 산소 농도가 필요하게 된다. 따라서 반도체 디바이스에서 요구하는 적정한 산소 농도의 요구에 부합하면서 산화막 내압 특성에 악영향을 주는 OiSF 핵 생성을 억제하기 위해서는 실리콘 단결정이 실리콘 융액으로부터 응고되어 냉각되어 가는 열 이력 과정 중에 결함 핵이 형성되어 성장하는 온도 구간 (1000 ~ 850 ℃) 근방의 결정 냉각속도를 빠르게 할 필요가 있다.

한편 COPs는 도 2에 도시된 바와 같이 결정성장 시 과잉의 원자 공공 점결함이 실리콘 단결정의 냉각과정에서 응집되어 생성되는 정팔면체 구조의 보이드 결함이 경면 웨이퍼 가공에 의하여 실리콘 웨이퍼 표면에 노출되어 사각 피트 형태로 관측되는 결함이다. FPDs는 측정방법이 다른 뿐 COPs와 동일한 공공 응집체형 결함으로 세코(Secco) 에칭 후 물결 흐름 무늬로 관측되는 결함이다. 지금까지의 연구에 의하면 산화막 내압 특성을 저하시키는 주원인은 실리콘 웨이퍼에 존재하는 미 세 COPs 결함과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되었다. 이러한 COPs의 밀도를 낮추기 위해서는 고액 계면에서 결정 내로 혼입되는 원자 공공 점결함의 농도를 낮추고, 결정의 냉각과정에서 과포화된 원자 공공 점결함이 응집되는 1120 ~ 1040℃ 근방의 온도를 저속 냉각(Slow Cooling)을 해야만 하는 것으로 알려져 있다.

종래에는 OiSF 핵의 억제가 중요한 경우 도 3의 (a)와 같이 내측 단열부(10a)와 외측 단열부(10b)를 구비하는 열실드 구조물(10)을 단결정(IG)의 외주면 둘레에 설치하여 실리콘 융액(SM) 및 히터(H)로부터 방출된 방사열을 차단함으로써 단결정(IG)의 냉각속도를 높여 OiSF 핵 형성을 억제는 방법을 사용하였다. 반면 작은 사이즈의 COPs의 억제가 보다 중요한 경우에는 도 3의 (b)와 같이 열실드 구조물(10)의 내측 단열부(10a)를 제거함으로써 실리콘 융액(SM) 및 히터(H)로부터 방출된 방사열을 단결정(IG)에 도달하도록 하여 결정의 냉각속도를 감소시켜 COPs의 밀도를 제어하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 종래 방법은 OiSF 핵 형성 억제 및 작은 사이즈의 COPs 밀도의 제어를 동시에 수행할 수 없는 단점이 있다. OiSF 핵 생성 억제는 냉각속도를 높여야 하는 반면 작은 사이즈의 COPs 밀도 제어는 냉각속도를 감소시켜야 하므로 냉각속도 제어 방향이 서로 상반되는 모순이 있기 때문이다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 시 OiSF 핵 생성 억제를 위한 냉각속도 증가와 작은 사이즈의 COPs 밀도 제어를 위한 냉각속도 저감을 동시에 가능하게 하는 열실드 구조물과 이를 이용한 단결정 인상 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 열실드 구조물은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 장치에 사용되는 것으로서, 상기 단결정의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부와, 상기 외측 단열부의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부의 상단으로부터 연장되어 단결정의 외주면과 대향하는 내측 단열부를 포함하고, 상기 내측 단열부에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단결정 인상 장치는, 반도체 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 히터; 상기 히터, 도가니 지지대 및 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 보온 통; 상기 단결정의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부와, 상기 외측 단열부의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부의 상단으로부터 연장되어 단결정의 외주면과 대향하는 내측 단열부를 포함하고, 상기 내측 단열부에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구가 형성되어 있는 열실드 구조물; 상기 도 가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및 상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 축;을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 복사열 방출 개구는 단결정의 축 방향으로 소정 간격 이격되어 적어도 2개소 이상 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 형성된 환형 개구일 수 있다. 대안적으로, 상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 소정 간격으로 반복 형성된 복사열 방출 홀의 환형 배열로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 특정 온도 대역은 과포화된 원자 공공 점결함이 응집되는 온도 대역이다. 이러한 경우, 상기 온도 대역은 1120 ~ 1040℃이다.

본 발명에 따르면, 과포화된 산소점결함이 응집되어 조대한 산소석출물을 형성하는 온도 대역을 갖는 단결정의 외주면을 둘러싸는 냉각관을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 냉각관은 수냉식 냉각관이고, 냉매 순환 펌프와 연결된다.

바람직하게, 상기 내측 단열부는 단결정의 하부쪽으로 갈수록 외주면과의 거리가 감소하는 슬랜트(slant)된 형상을 갖는다. 그리고 상기 외측 단열부의 수직 길이보다 상기 내측 단열부의 수직 길이가 더 길다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열실드 구조물의 우측 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 열실드 구조물(20)은 중심축을 기준으로 회전 대칭 형상을 가지며, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 장치에서 인상되는 단결정의 외주면 주위에 장착된다. 상기 열실드 구조물(20)은 단결정(IG)의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부(20b)와, 상기 외측 단열부(20b)의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부(20b)의 상단으로부터 연장되어 단결정(IG)의 외주면과 대향하는 내측 단열부(20a)를 구비한다.

상기 내측 단열부(20a)와 상기 외측 단열부(20b) 사이에는 양 단열부 간의 이격 간격을 조절하기 위한 플랜지(20c)가 개재될 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 내측 단열부(20a)와 외측 단열부(20b)는 탄소 계열의 단열 소재로 이루어진다. 바람직하게, 상기 내측 단열부와 외측 단열부는 흑연(Graphite), 50 ~ 500 ㎛의 두께로 파이로리틱 코팅(Pyrolytic Coating)된 흑연, 50 ~ 500 ㎛ 두께의 탄화규소(SiC)로 코팅된 흑연, 몰리브덴(Molybdenum) 또는 이와 같은 재질의 복합체로 이루어진다.

상기 내측 단열부(20a)에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구(O)가 형성되어 있다. 상기 복사열 방출 개구(O)는 단결정(IG)의 둘레를 따라 형성된 환형 개구일 수도 있고, 단결정(IG)의 둘레를 따라 소정 간격으로 반복 형성된 복사열 방출 홀의 환형 배열로 이루어질 수도 있다.

상기 내측 단열부(20a)는 단결정(IG)의 하부쪽으로 갈수록 단결정(IG) 외주면과의 거리가 감소하는 슬랜트(slant)된 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 경우 단결정(IG) 상단의 냉각속도를 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 상기 내측 단열부(20a)의 수직 길이는 외측 단열부(20b)의 수직 길이보다 크며, 내측 단열부(20a)의 하부 끝단과 융액(SM) 표면과의 사이에는 소정의 갭이 존재할 수 있도록 내측 단열부(20a)의 길이가 조절되는 것이 바람직하다,

상기 특정 온도 대역은 고액 계면을 통해 단결정(IG) 내로 유입된 원자 공공 점결함이 단결정(IG)이 상부로 인상되면서 냉각됨에 따라 과포화되어 응집됨으로써 COPs와 같은 작은 사이즈의 보이드 결함을 형성하는 온도 대역이다. 바람직하게, 이러한 온도 대역에 해당하는 지점의 구체적인 위치는 핫 존에 의해 형성되는 온도 분포 프로파일을 이용한 전산모사에 의해 산출되며, 대략 1120 ~ 1040℃ 이다.

상기 복사열 방출 개구(O)는 히터(H)와 실리콘 융액(SM)으로부터 방출되는 복사열을 대략 1120 ~ 1040℃의 온도 분포를 갖는 단결정 영역에 국부적으로 방출 함으로써 해당 지점의 냉각속도를 국부적으로 지연시켜 COPs와 같은 보이드 결함의 밀도를 낮춘다.

한편 본 발명에 따른 열실드 구조물(20)은 고액 계면을 통해 단결정(IG)에 유입된 산소점결함이 단결정(IG)이 상부로 인상되면서 냉각됨에 따라 과포화되어 응집됨으로써 조대한 산소 석출물인 OiSF를 형성하는 특정 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 부분의 외주면을 둘러싸는 냉각관(C)을 구비한다. 바람직하게, 상기 특정 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 부분의 구체적인 위치는 핫 존에 의해 형성되는 온도 분포 프로파일을 이용한 전산모사에 의해 산출되며, 대략 1000 ~ 850℃이다. 상기 냉각관(C)은 수냉식 냉각관이고 냉매 순환 펌프(미도시)와 연결하여 냉매 순환이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 냉각관(C)은 OiSF의 핵 생성이 이루어지는 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역의 냉각속도를 국부적으로 상승시키는 작용을 한다. 이에 따라 조대한 산소 석출물인 OiSF의 생성이 억제되는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드 구조물의 우측 단면도이다.

도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상술한 열실드 구조물(20)의 내측 단열부(20a)에 형성된 복사열 방출 개구(O)는 보이드 결함이 형성되는 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역이 넓게 분포하거나 하나의 복사열 방출 개구(O)에 의해서는 효과적인 냉각속도 지연이 어려운 경우 복사열 방출 개구(O)를 2개소 이상 형성할 수도 있다. 인접하는 복사열 방출 개구(O) 사이의 간격과 형성 지점은 보이드 결함이 형성되는 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역의 길이와 단결정(IG)의 냉각속도 지연 정도 등을 고려하여 전산모사에 의해 결정된다.

상술한 본 발명에 따른 열실드 구조물(20)은 복사열 방출 개구(O)와 냉각관(C)을 구비함으로써 원자 공공 점결함의 응집을 억제함으로써 COPs와 같은 보이드 결함의 밀도를 적절하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 OiSF핵 생성을 억제하여 조대한 산소 석출물의 생성을 억제할 수 있다. 이에 따라 산소 농도가 높고 보이드 결함의 밀도는 낮고, OiSF의 생성 억제에 의해 고산화막 내압 특성을 갖는 실리콘 단결정의 제조가 가능해진다.

도 6은 본 발명의 열실드 구조물이 장착된 단결정 인상 장치의 개략적인 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 인상 장치(100)는, 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장되는 챔버(110)를 구비한다. 상기 챔버(110) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담으며 그 외주면은 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(120)에 의해 둘러싸인 석영 도가니(130)가 설치된다. 이때, 상기 도가니 지지대(120)는 회전축(140) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(140)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(130)를 회전시키면서 상승시켜 고액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(120)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(H)에 에워싸여지며, 이 히터(H)는 보온 통(150)에 의해 에워싸여진다.

즉, 히터(H)는 도가니(130)의 측방에 설치되어 석영 도가니(130) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 보온 통(150)은 히터(H)에서 발산되는 열이 챔버(110)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

또한, 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(130) 사이에는 단결정 잉곳(IG)을 에워싸도록 상술한 열실드 구조물(20)을 설치하여 단결정(IG)으로부터 방사되는 열을 차단한다. 이 때 COPs와 같은 보이드 결함이 생성되는 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역에는 복사열 방출 개구(O)를 통해 히터(H)와 실리콘 융액(SM)으로부터 방출되는 복사열을 국부적으로 방출한다. 그리고 OiSF 핵 생성이 이루어지는 온도 대역을 갖는 단결정(IG) 영역은 냉각관(C)을 이용하여 단결정(IG)의 냉각속도를 가속시킴으로써 조대한 산소 석출물의 생성을 억제한다. 바람직하게, 열실드 구조물(20)의 외측 단열부(20b) 내측면은 히터(H)의 내측면과 동일 평면 상 또는 히터(H)의 내측면보다 외측에 위치하도록 설치한다.

또한, 챔버(110)의 상부에는 케이블(160)을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블(160)의 하부에는 석영 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정(IG)을 성장시키는 단결정 씨드(170)가 설치된다. 인상 수단은 단결정(IG) 잉곳 성장 시 케이블(160)을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이때 실리콘 단결정(IG) 잉곳은 도가니(130)의 회전축(140)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(130)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올리도록 한다.

챔버(110)의 상부로는, 성장되는 단결정(IG) 잉곳과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(110)의 외부로 배출시킨다.

한편 도 6에 도시된 단결정 인상 장치(100)에 장착된 열실드 구조물(20)은 복사열 방출 개구(O)가 1개소에 형성되어 있지만, 필요에 따라 2개소 이상의 지점에 복사열 방출 개구(O)가 형성된 열실드 구조물(도 5 참조)을 장착할 수도 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

[비교예]

18 인치(inch) 석영 도가니에 다결정 실리콘 50kg을 장입한 후 저항 히터를 이용하여 용융시킨 후 150mm 지름을 갖는 실리콘 단결정을 0.7 mm/min의 속도로 95cm의 길이로 성장시켰다. 실리콘 단결정 성장 시 도가니의 회전 속도는 4 ~ 14 rpm 범위에서 선정하였고, 단결정의 회전속도는 17~22 rpm 범위 내에서 운용하였다. 그리고 도 3에 도시된 열실드 구조물을 성장되는 단결정의 둘레에 배치하였다. 실리콘 단결정이 성장되는 동안에는 단결정에 분포된 온도 대역 별로 냉각속도를 측정하였고, 실리콘 단결정의 성장이 완료된 후에는 단결정 잉곳을 경면 웨이퍼로 가공하여 산화막 내압 특성을 측정하였다.

[실시예]

비교예에서 사용된 열실드 구조물에서 전산모사를 실시하여 온도 분포를 계산 후 1120 ~ 1040℃ 온도 구간에 해당하는 영역을 구하고 그 영역에 실리콘 융액 및 저항 히터로부터 방출된 복사열이 집중될 수 있도록 복사열 방출 개구를 형성하였다. 또한 복사열 방출 개구를 형성한 상태에서 전산모사를 다시 실시하여 900 ~ 950℃ 온도 대역을 갖는 단결정 영역의 위치를 구하여 그 곳에 1000도 이하의 냉각 속도를 극대화하기 위하여 냉각관을 장착하였다. 실시예에서 사용된 열실드 구조물 의 기본적인 형태는 도 4에 도시된 바와 같다. 실시예의 경우도 비교예와 동일하게 실리콘 단결정이 성장되는 동안에는 단결정에 분포된 온도 대역 별로 냉각속도를 측정하였고, 실리콘 단결정의 성장이 완료된 후에는 산화막 내압 특성을 측정하였다.

도 7은 비교예와 실시예 각각에 대하여 단결정의 온도 대역 별 냉각온도 기울기를 나타낸 그래프이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열실드 구조물을 이용하여 단결정 성장을 하면, 조대한 산소 석출물이 형성되는 온도 대역(1000 ~ 850℃)에서는 냉각속도를 국부적으로 상승시키고 COPs와 같은 보이드 결함이 형성되는 온도 대역(1120 ~ 1040℃)에서는 냉각속도를 국부적으로 저하시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

다음 표는 비교예에 의해 제조된 3장의 실리콘 웨이퍼와 실시예에 의해 제조된 3장의 실리콘 웨이퍼에 대한 산화막 내압 특성 결과(평균치)를 나타낸다. 산화막 내압 특성을 측정하기 위해 형성한 산화막(Gate Oxide)의 두께는 180Å 이다. A~C+은 산화막 내압 특성 평가 시 실리콘 웨이퍼의 셀에 인가된 전압의 레벨을 나타낸다. C+측으로 갈수록 인가된 전압의 크기가 증가한다. 웨이퍼의 셀은 실리콘 웨이퍼의 표면적을 100 등분한 후 1/100에 해당하는 면적을 하나의 셀로 구성하였다. 페일(fail)은 측정 대상 셀에 전압이 인가되었을 때 산화막을 통해 누설전류가 흐른 경우에 해당한다.

MV/cm	0-4	4-8	8-10	10-12	12>
Fail	A	B	C	C+	C+>
비교예	5.5	57.7	22.3	3.8	10.7
실시예	0.6	24.5	21.3	5.8	47.8

도 8은 비교예 및 실시예에 따라 각각 제조된 3장의 실리콘 웨이퍼에 대한 산화막 내압 특성 평가 결과를 BV 맵(map)으로 나타낸 것이다. 도면에서, 검은색은 A 레벨의 전압에서 페일이 발생된 셀을, 빨간색은 B 레벨의 전압에서 페일이 발생된 셀을, 보라색은 C 레벨의 전압에서 페일이 발생된 셀을, 하늘색은 C+ 레벨의 전압에서 페일이 발생된 셀을, 흰색은 C+ 레벨 이상의 전압에서 페일이 발생된 셀을 나타낸다.

위 표 및 도 8을 참조하면, 실시예의 경우 인가되는 전압이 증가하여도 비교예에 비해 누설전류가 일어나는 셀의 수가 작았고, 대부분 C+ 등급의 높은 전압 레벨에서 페일(fail)이 유발되었다. 그리고 A 레벨의 전압에서는 비교예에 비해 현저히 작은 정도의 페일이 유발되었고, B 레벨의 전압에서는 비교예의 절반 수준 정도의 페일이 유발되었다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 열실드 구조물을 이용하여 실리콘 단결정을 성장시키면 산화막 내압 특성이 우수한 웨이퍼의 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

상술한 실시예에서는 실리콘 단결정을 제조하는데 본 발명에 따른 열실드 구조물이 사용되었다. 하지만 본 발명은 쵸크랄스키법에 의해 성장되는 단결정의 종류에 의해 한정되지 않음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범 위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 전산모사를 통하여 결정의 냉각 과정에서의 온도 분포에 대한 정밀한 분석을 바탕으로 복사열 방출 개구가 형성된 구조물 및 냉각관을 설치함으로써 COPs와 같은 보이드 결함이 생성되는 온도 대역의 단결정 영역과 조대한 산소석출물인 OiSF가 유발되는 온도 대역을 갖는 단결정 영역의 냉각속도를 국부적으로 동시에 제어할 수 있다. 이에 따라 산소 농도가 높고, 보이드 결함의 밀도는 낮고, OiSF의 생성 억제에 의해 고산화막 내압 특성을 갖는 단결정의 제조가 가능해진다.

Claims

쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 장치에서, 인상되는 단결정의 외주면 둘레에 설치되는 열실드 구조물에 있어서,

상기 단결정의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부와,

상기 외측 단열부의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부의 상단으로부터 연장되어 단결정의 외주면과 대향하는 내측 단열부를 포함하고,

상기 내측 단열부에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제1항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 축 방향으로 복수 개소에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 형성된 환형 개구인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 반복 형성된 복사열 방출 홀의 환형 배열로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제1항에 있어서,

상기 특정 온도 대역은 과포화된 원자 공공 점결함이 응집되는 온도 대역인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제5항에 있어서,

상기 온도 대역은 1120 ~ 1040℃인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 열실드 구조물.
제1항에 있어서,

과포화된 산소점결함이 응집되어 산소석출물을 형성하는 온도 대역을 갖는 단결정의 외주면을 둘러싸는 냉각관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에 사용되는 열실드 구조물.
제7항에 있어서,

상기 냉각관은 수냉식 냉각관이고, 냉매 순환 펌프와 연결되어 있는 것을 특 징으로 하는 단결정 인상 장치에 사용되는 열실드 구조물.
제1항에 있어서,

상기 내측 단열부는 단결정의 하부쪽으로 갈수록 외주면과의 거리가 감소하는 슬랜트(slant)된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에 사용되는 열실드 구조물.
제1항에 있어서,

상기 외측 단열부의 수직 길이보다 상기 내측 단열부의 수직 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에 사용되는 열실드 구조물.
반도체 융액이 담기는 도가니;

상기 도가니의 외주면과 결합되어 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;

상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 융액에 복사열을 제공하는 히터;

상기 히터, 도가니 지지대 및 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 보온 통;

상기 단결정의 외주면 주위를 둘러싸는 외측 단열부와, 상기 외측 단열부의 내 측면과 일정 공간을 형성하면서 외측 단열부의 상단으로부터 연장되어 단결정의 외주면과 대향하는 내측 단열부를 포함하고, 상기 내측 단열부에는 특정 온도 대역을 갖는 단결정 영역이 통과하는 지점에 대응되는 위치에 복사열 방출 개구가 형성되어 있는 열실드 구조물;

상기 도가니에 담긴 반도체 융액의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및

상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 상승시키는 회전 축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 축방향을 따라 복수 개소에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 형성된 환형 개구인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 복사열 방출 개구는 단결정의 둘레를 따라 반복 형성된 복사열 방출 홀의 환형 배열로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

상기 특정 온도 대역은 과포화된 원자 공공 점결함이 응집되는 온도 대역인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치에서 사용되는 단결정 인상 장치.
제15항에 있어서,

상기 온도 대역은 1120 ~ 1040℃인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

과포화된 산소점결함이 응집되어 산소석출물을 형성하는 온도 대역을 갖는 단결정의 외주면을 둘러싸는 냉각관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제17항에 있어서,

상기 냉각관은 수냉식 냉각관이고, 상기 냉각관과 연결된 냉매 순환 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

상기 내측 단열부는 단결정의 하부쪽으로 갈수록 외주면과의 거리가 감소하 는 슬랜트(slant)된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

상기 외측 단열부의 수직 길이보다 상기 내측 단열부의 수직 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제11항에 있어서,

상기 열실드 구조물은, 내측 단열부의 하단부 끝과 융액 표면 사이에 갭이 존재하고, 상기 외측 단열부의 내측면이 히터의 내측면과 동일 평면 상 또는 내 측면보다 외측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.