KR100829061B1 - 커습 자기장을 이용한 실리콘 단결정 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

종래 실리콘 단결정 성장 방법에서는 실리콘 단결정의 수직부 초반과 후반의 산소 농도 편차가 발생하는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 커습(CUSP) 자기장이 인가된 실리콘 단결정 성장로를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서, 성장 초반의 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력보다 성장 후반의 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 감소시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 것이다. 본 발명은 이와 같이, CUSP 자기장이 인가된 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력 조절을 통해 축방향 산소 농도가 감소하기 시작하는 시점인 실리콘 단결정 수직부 후반(고화율 0.6 이후)의 실리콘 단결정 내 산소 농도를 증가시킬 수 있어, 실리콘 단결정 수직부 초반과 후반의 산소 농도 편차를 감소시킬 수 있다.
실리콘 단결정, 커습(CUSP) 자기장, 고화율, 압력, 산소 농도

Description

커습 자기장을 이용한 실리콘 단결정 성장 방법 {Method of manufacturing silicon single crystal using CUSP magnetic field}
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 구현할 수 있는, 커습(CUPS) 자기장 인가가 가능한 실리콘 단결정 성장로의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서 실리콘 단결정 성장로 내의 압력을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 성장시킨 각 실리콘 단결정의 축방향 산소 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 전산모사를 통해 압력의 변화에 의한 실리콘 용융액의 대류 형상을 분석한 그림이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...실리콘 단결정 성장로 20...석영 도가니
30...흑연 도가니 40...저항 히터
50...단열재 60...자기장 발생 장치
70...실리콘 단결정
본 발명은 융액으로부터의 결정 성장(crystal growth from the melt) 방법으로 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커습(CUSP) 자기장을 이용한 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 실리콘 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 실리콘 웨이퍼의 대부분은 초크랄스키(Czochralski, 이하 CZ) 실리콘 단결정 성장 방법에 의해 생산되고 있다. 이 방법에서는 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 씨드(seed) 결정을 접촉시키고 계면에서 결정화가 일어나도록 하여, 씨드 결정을 회전하면서 서서히 인상시킴으로써 원하는 구경을 가진 실리콘 단결정의 잉곳(ingot)을 성장시킨다.
그런데, CZ 방법으로 실리콘 단결정 성장시 용융 실리콘을 담은 석영 도가니와 용융 실리콘과의 접촉에 의해 석영 도가니로부터 산소가 용출되어 나온다. 용출된 산소는 실리콘 용융액 내에서 대류를 따라 이동하다가 대부분은 실리콘 용융액의 표면에서 휘발하지만, 그 일부는 성장되는 실리콘 단결정으로 유입되어 Si 격자 내에서 위치하게 된다.
실리콘 단결정에 혼입되어 과포화된 산소 원자는 웨이퍼로의 가공 후에도 잔류하여 웨이퍼의 특성에 영향을 준다. 과포화된 산소 원자는 웨이퍼의 열처리 가공시 웨이퍼의 벌크 영역 내에 산소 석출물을 형성하여 반도체 소자 제조 공정을 거 치면서 형성되는 금속 불순물에 의한 오염을 제거하는 게터링 사이트(gettering site)로 작용하는 긍정적인 효과도 있다. 그러나, 적정 수준 이상의 산소가 존재하면 실리콘 단결정 결정 결함인 전위 루프(dislocation loop), 적층 결함(stacking fault) 등을 발생시키는 소스로 작용하여 반도체 소자 제조 수율 및 품질에 매우 나쁜 영향을 미치게 된다. 따라서, 웨이퍼 내의 산소 농도는 최종 반도체 소자 제품에 따라 결정되어야 하고, 실리콘 단결정 내 적정 수준의 산소 농도를 유지하고 실리콘 단결정 내의 산소 농도 편차를 줄이는 것은 이를 위해 매우 중요한 기술이다.
실리콘 단결정 내 산소 농도 제어를 위해서 여러 가지 공정 변수(parameter)를 조절하거나 자기장을 이용하고 있다. 자기장을 인가하면 실리콘 용융액의 대류를 억제하여 석영 도가니로부터 용출되는 산소 원자를 감소시킴으로써 실리콘 단결정으로의 산소 유입량을 제어할 수 있기 때문이다. 그런데, 실리콘 단결정 성장 길이가 길어지면서 실리콘 단결정 성장에 따른 응고양의 증가로 석영 도가니 내의 실리콘 용융액이 감소하게 된다. 이로 인해, 실리콘 용융액과 석영 도가니의 접촉 면적이 줄어들면서 실리콘 단결정 내로 유입되는 산소가 감소하게 된다. 이에 실리콘 단결정의 수직부 초반과 후반의 산소 농도 편차가 발생과 동시에 목표 수준에서 벗어나므로 웨이퍼 제조를 위한 실리콘 단결정 길이가 감소하여 제조 수율이 낮아지는 문제가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 평5-194077호에서는 실리콘 용융액의 고화 부분이 증가하면서 석영 도가니의 회전 속도를 증가하고, 자기장의 세기를 감소시킴으로써 실리콘 단결정에서의 산소 함량 및 산소 함량 분포를 조절하는 방법을 제공하고 있다. 그러나, 석영 도가니 및 실리콘 단결정의 회전 속도를 조절하는 방법은 실리콘 용융액의 대류에 큰 영향을 주는 방법이다. 이 방법으로 산소 농도를 제어할 수는 있으나, 실리콘 단결정과 실리콘 융액과의 고액 계면의 형상이 변하여 실리콘 단결정의 결정 품질에도 영향을 주기 때문에 운영 범위에 한계가 있다. 또한, 실리콘 단결정 수직부 후반의 자기장 세기를 감소시켜 산소 농도를 증가시키고자 하나, 자기장의 본래 목적인 실리콘 용융액 대류 억제 효과가 감소하여 불안정한 공정 진행이 이루어지며, 12 ppma 이상의 산소 농도를 갖는 공정에서는 자기장의 세기 감소로 인한 산소 농도 증가 효과는 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
일본 특허 공개 10-310487호에서는 CUSP 자기장을 이용한 CZ 인상시 도가니 아래 쪽 페데스탈(pedestal)을 따라 자기장을 제어할 수 있는 부재를 더 설치하여 자기장의 분포를 제어하여 실리콘 단결정 후기 산소 농도를 제어하는 방법을 제공한다.
한국 공개 특허 제2002-0019000호에서는 MCZ법(자계하 인상법)에서 실리콘 단결정 성장 중에 불활성 가스의 유량 및 성장로 내부의 압력을 인상량에 따라 변화시켜 격자간 산소 농도를 조정하는 방법을 제안하고 있다. 이 방법은 실리콘 단결정의 인상량이 많아짐에 따라 성장로 내의 압력을 증가시키거나 불활성 가스의 유량을 증가시켜 실리콘 단결정 수직부 후반의 산소 농도를 상승시켜 축 방향의 편차를 감소시킨다고 한다. 그러나, 실리콘 단결정 성장에서 불활성 가스의 유량을 상승시켜 산소 농도를 증가시키는 방법은 실리콘 단결정 성장 공정 중에 전위 발생 가능성이 높아져 실리콘 단결정 수율에 나쁜 영향을 준다. 압력의 상승 역시 실리콘 용융액 표면에서 휘발하는 SiO가 실리콘 단결정 성장로 내부 단열재 표면에 증착되어 실리콘 단결정 성장로 내부를 오염시키는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 CZ 방법으로 실리콘 단결정 성장시 실리콘 단결정 수직부 초반과 후반의 산소 농도 편차를 감소시킬 수 있는 실리콘 단결정 성장 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은, 커습(CUSP) 자기장이 인가된 실리콘 단결정 성장로를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서, 성장 초반의 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력보다 성장 후반의 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 감소시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 것이다. 특히, 고화율 0.6 이상인 시점부터 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 감소시켜 실리콘 단결정을 성장시키며, 바람직하게는 고화율 0.6 이상인 시점부터 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 20 torr ~ 30 torr로 유지시켜 실리콘 단결정을 성장시키도록 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 관한 바람직한 실시예 및 실험예를 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
(실시예)
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 구현할 수 있는, CUPS 자기장 인가가 가능한 실리콘 단결정 성장로의 단면도이다.
실리콘 단결정 성장로(10)는 용융된 폴리 실리콘을 담는 석영 도가니(20)와 이를 지탱하는 흑연 도가니(30)가 있으며, 열을 가해주는 저항 히터(40), 외부로의 열을 차단하는 단열재(50), 그리고 실리콘 용융액의 대류를 제어할 수 있는 자기장 발생 장치(60)로 구성되어 있다.
석영 도가니(20)는 도가니 회전축에 의해 반시계 방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 석영 도가니(20)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로 된 씨드 결정이 부착되는 씨드 결정 회전축(15)이 위치하며, 씨드 결정 회전축(15)은 도가니 회전축과 달리 시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 상기 씨드 결정 회전축(15)과 도가니 회전축의 회전 방향은 서도 반대 방향이기만 하면 앞에서 말한 회전 방향이 바뀌어도 좋다.
실리콘 단결정 성장로(10) 내부에는 산소와 결합한 실리콘 산화물의 배출을 돕고 단열재(50)를 보호하기 위하여 불활성 가스, 특히 아르곤(Ar) 가스를 가열 초기부터 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시킬 때까지 계속 공급하고 있다. 공급된 Ar 가스는 실리콘 용융액의 표면을 따라서 실리콘 단결정 성장로(10) 바닥에 배출구를 통해 배출된다. Ar 가스의 원활한 배출을 위해 실리콘 단결정 성장로(10) 바닥에 진공펌프를 배출구와 연결하여 흡입한다.
자기장 발생 장치(60)는 제1 자석 및 제2 자석이 상하에 수직적으로 결합되어 있으며, 그 자기력선의 방향이 그 결합된 중앙으로부터 출발하여 각기 제1 자석의 상단부 및 제2 자석의 하단부로 들어가는 CUSP 자기장을 발생시킬 수 있다. 상기 자석들은 코일형태로 된 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 자기장 발생 장치(60)를 이용해 CUSP 자기장을 인가하면 실리콘 용융액의 대류를 억제하여 석영 도가니(20)로부터 용출되는 산소 원자를 감소시킴으로써 실리콘 단결정(70)으로의 산소 유입량을 제어할 수 있다. 그러나, 실리콘 단결정(70) 성장 길이가 증가하면서 실리콘 용융액의 양이 감소하여 용출되는 산소 원자의 양이 감소하여 실리콘 단결정(70) 수직부 초기와 후반의 산소 농도 차이가 크게 발생한다. 실리콘 단결정(70) 수직부의 초반과 후반의 산소 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 실리콘 단결정(70)의 전반부 산소 농도를 저하시키거나 후반부의 산소 농도를 증가시켜야 한다. 그러나 반도체 소자 제조 업체의 특성상 높은 산소 농도(12ppma 이상)를 요구하는 제품을 제조할 때에는 후자의 경우를 선택해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 실리콘 단결정 성장 공정 인자 중 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 성장 후반에 낮게 유지하는 방법을 제안한다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 설명하면, 먼저 실리콘 단결정 성장로(10)를 이용해 실리콘 단결정(70) 성장을 시 작한다(단계 s1). 이 때의 실리콘 단결정(70) 성장은 통상의 성장 조건을 그대로 이용하는 것일 수 있다.
실리콘 단결정(70)이 어느 정도 성장하여, 실리콘 단결정(70)의 성장 후반이 되면, 성장 초기보다 실리콘 단결정 성장로(10) 내부의 압력을 감소시킨다. 특히, 실리콘 단결정(70)의 축방향 산소 농도가 감소하기 시작하는 시점인 실리콘 용융액의 고화율이 0.6 이상인 시점이 되면 실리콘 단결정 성장로(10)의 압력을 감소시키도록 한다. 예컨대, 30 torr 이하로 감소시킨다. 바람직하게는 압력을 낮추어 20 torr ~ 30 torr로 유지시킨다(단계 s2). 고화율은 초기 투입한 다결정 실리콘이 실리콘 단결정으로 응고되는 비율을 나타낸 것이다.
이러한 낮은 압력 상태에서, 계속하여 실리콘 단결정(70)을 성장시킨다(단계 s3). 실리콘 단결정 성장로(10) 내 압력의 감소는 실리콘 단결정(70) 성장 공정 중에 공급되는 불활성 가스의 실리콘 용융액 표면에서의 속도를 증가시키고, 이에 용융액에서의 실리콘 단결정(70) 회전에 의한 대류를 증가시켜 실리콘 단결정(70)으로 유입되는 산소를 증가시키게 된다. 이렇게 함으로써, 성장 후기에 실리콘 단결정(70) 내의 산소 농도를 증가시키면서 성장시킬 수 있으며, 이에 따라 축방향 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
(실험예)
먼저 비교예의 조건은 다음과 같다.
24 인치 석영 도가니(10)에 다결정 실리콘을 150kg 장입 후 저항 히터(40)를 이용하여 용융시키고, 200mm 지름을 갖는 실리콘 단결정을 성장시켰다. 이 때 실리 콘 용융액의 안정화를 위해 CUSP 자기장을 500 Gauss 인가하였다. 석영 도가니(10)의 회전 속도는 0.3 ~ 1 rpm 범위에서 선정하였고, 실리콘 단결정의 회전 속도는 10~17 rpm 범위 내에서 운용하였다. 이 때 실리콘 단결정 성장로(10) 안의 Ar 유량은 50~80 liter/min이 되도록 하였고, 도 3과 같이 실리콘 용융액의 양이 감소하면서 압력을 상승시켰다. 성장된 실리콘 단결정은 구간별로 1mm 두께의 웨이퍼를 채취하여 식각(etching)을 실시한 후 FTIR(Fourier Transform Infrared)을 사용하여 산소 농도를 측정하였다.
본 발명에 따른 실시예의 조건은 다음과 같다.
실리콘 단결정의 길이가 증가하면서 실리콘 용융액의 감소로 실리콘 단결정 격자 내 산소가 감소하는 현상을 방지하기 위해, 실리콘 단결정의 성장 후반, 구체적으로는 실리콘 단결정의 축방향 산소 농도가 감소하기 시작하는 시점인 고화율 0.6 이상인 시점부터, 실리콘 단결정 성장로(10) 내부의 압력을 낮춰 20 torr ~ 30 torr로 유지시켜 실리콘 단결정을 성장시켰다. 나머지 실리콘 단결정 성장조건(실리콘 단결정 회전 속도, 도가니 회전 속도, 자기장 세기, Ar 유량)은 비교예와 동일하게 실시하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서 실리콘 단결정 성장로 내의 압력을 나타낸 그래프이다. 고화율은 초기 투입한 다결정 실리콘이 실리콘 단결정으로 응고되는 비율을 나타낸 것으로, 실리콘 단결정의 인상량이 증가함에 따른 압력의 변화를 도시하였다. 도 3에서 보듯이 비교예(-◆-)는 성장 후반으로 갈수록 압력을 증가시켰고, 실시예(--■--)는 성장 후반에 압력을 감소시켰다.
도 4는 도 3 및 앞에서 설명한 것과 같은 조건으로 성장시킨 각 실리콘 단결정의 축방향 산소 농도를 나타낸 그래프이다. 비교예 및 실시예에 따라 각 실리콘 단결정을 생산한 후 각 위치에서 웨이퍼를 채취하여 격자 내 산소 농도를 측정하였다.
도 4에서 보듯이 비교예(-◆-)는 성장 후반으로 갈수록 산소 농도가 감소하지만, 실시예(--■--)는 성장 후반이어도 산소 농도가 감소하지 않는다. 본 발명에 따라 제안된 방법으로 실리콘 단결정을 성장시킨 결과, 산소 농도 편차(최고값-최저값)는 1.742 ppma에서 0.674 ppma로 감소하였다.
이와 같이 성장 후반의 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력 감소에 따른 실리콘 단결정 후반부의 산소 농도 증가 효과에 대한 분석을 위해 전산모사를 실시하여 실리콘 용융액 대류와 표면에서의 Ar 유속의 변화를 살펴보았다. 실리콘 용융액의 흐름에 대하여 시뮬레이터인 FEMAG(Finite Element Method for Analysis of crystal Growth)를 사용하여 계산하였다.
도 5는 전산모사를 통해 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력의 변화에 의한 실리콘 용융액의 대류 형상을 분석한 그림이다. (a)는 고화율 0.7 지점에서 압력이 60 torr일 때의 실리콘 용융액의 스트림 함수(stream function) 분석, (b)는 고화율 0.7 지점에서 압력이 25torr일 때의 스트림 함수 분석을 나타낸다. 압력이 낮은 (b)의 경우가 실리콘 단결정 회전에 의한 대류영역이 강하게 나타나는 것으로 확인된다.
이와 같이, 전산모사의 결과를 분석한 결과 실리콘 단결정 성장로 내부의 압 력 감소에 의해 실리콘 용융액의 표면을 지나는 Ar의 유속이 증가하여 실리콘 단결정의 회전에 의해 생성되는 대류가 석영 도가니의 외주 방향으로 확대된다. 이 확대된 대류에 의해, 석영 도가니로부터 공급되는 산소가 실리콘 단결정으로 많이 혼입되면서 산소 농도가 증가하는 것으로 해석된다.
Ar의 유속을 증가시키기 위해 유량을 증가시킬 경우, Ar의 사용량 증가로 생산 비용이 증가하고, 또한 Ar의 유량이 증가할 경우 실리콘 단결정 성장 중의 전위 발생 확률이 증가하는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 감소시켜 Ar 유속을 증가시키는 방법이 더 효율적인 것으로 판단된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예 및 실험예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 및 실험예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 성장 후반의 실리콘 단결정 격자 내의 산소를 종래보다 증가시키기 위해 기존 방식과 반대로 실리콘 단결정 성장로 내의 압력을 성장 초반보다 성장 후반에 낮게 유지함으로써 실리콘 단결정 내의 후반 산소 농도를 증가시킬 수 있다.
이는 압력의 감소로 불활성 가스인 Ar 가스의 실리콘 용융액 표면에서 유속이 증가하게 되어 실리콘 단결정 회전에 의한 대류가 커지면서 석영 도가니에서 공 급된 산소의 실리콘 단결정으로의 유입량이 증가한 것으로 해석된다.
본 발명에서 제안된 방법은 간단한 조작으로 가능하며, 생산 비용의 상승이나 실리콘 단결정 품질의 변화는 발생시키지 않고 산소 농도만을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 커습(CUSP) 자기장이 인가된 실리콘 단결정 성장로를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서,
    성장 초반의 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력보다 성장 후반의 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력을 감소시키되, 고화율 0.6 이상인 시점부터 감소시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 성장로 내부의 압력은 고화율 0.6 이상인 시점부터 감소시켜 20 torr ~ 30 torr로 유지시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
KR1020060125271A 2006-12-11 2006-12-11 커습 자기장을 이용한 실리콘 단결정 성장 방법 KR100829061B1 (ko)

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