KR100847793B1

KR100847793B1 - 단결정 제조 장치 및 방법, 단결정 및 반도체 웨이퍼

Info

Publication number: KR100847793B1
Application number: KR1020070005586A
Authority: KR
Inventors: 파브리 라즐로; 스트레벨 군터; 오엘크루그 한스
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-23
Also published as: CN100572614C; DE102006002682A1; US20070163485A1; US20090031945A1; KR20070077090A; TWI359216B; TW200728522A; JP2007191388A; CN101024894A; JP4638886B2; SG134272A1

Abstract

본 발명은 반도체 재료의 단결정을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 단결정 제조 장치는 챔버와, 상기 챔버 내에 배치되고 도가니 히터(crucible heater)에 의해 둘러싸인 도가니와, 상기 도가니 히터와 상기 챔버의 내벽 사이에서 성장 단결정 및 단열재를 차폐하는 방사선 차폐물을 포함한다. 상기 단결정 제조 장치는 상기 챔버의 내벽과 단열재 사이의 간극(gap)을 밀봉하고 단결정에 기체 철카르보닐의 전달을 위한 장애물을 형성하는 탄성 밀봉재(resilient seal)를 포함하는 것으로 구별된다. 또한, 본 발명은 단결정 제조 장치를 사용하여 반도체 재료의 단결정을 제조하는 방법, 상기 단결정 제조 장치로부터 제조된 단결정 및 상기 단결정 제조 장치로부터 절단된 반도체 웨이퍼에 관한 것이다. 상기 단결정과 반도체 웨이퍼는 원주로부터 상기 단결정 또는 반도체 웨이퍼 내부로 방사상으로 최대 R-5 mm의 거리로 연장하는 에지 영역(edge region)에 의해 구별되고, 철 농도를 포함하며, 상기 에지 영역의 철 농도는 1*10⁹ atom/cm³ 미만이다.

Description

단결정 제조 장치 및 방법, 단결정 및 반도체 웨이퍼{DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A SINGLE CRYSTAL, SINGLE CRYSTAL AND SEMICONDUCTOR WAFER}

도 1은 초크랄스키법(Czochralski method)에 따라 반도체 재료의 단결정을 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 챔버

2: 도가니

3: 단결정

8: 도가니 히터

10: 단열재

11: 간극

12: 탄성 밀봉재

13: 방사선 차폐물

14: 활성 냉각 시스템

16: 지지체

본 발명은 단지 약간의 철(iron)이 혼합된 반도체 재료의 단결정을 제조하는 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이와 같은 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 상기 단결정 제조 방법에 의해 제조된 반도체 재료의 단결정(single crystal) 및 단결정으로부터 절단된 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)에 관한 것이다.

단결정 제조 장치의 적합한 장치는 탄소를 함유하는 재료로 제조된 지지 도가니 내에 내장되는 도가니(crucible)가 있는 챔버(chamber)와, 상기 도가니를 가열하는 히터(heater) 및 상기 히터와 도가니 사이에 배치되어 챔버를 보호하는 단열재(thermal insulation)를 포함한다. 성장 결정을 둘러싸고, 단결정의 냉각 속도를 제어하도록 동작하며, 상기 단결정을 제조하는 동안 장치에 흐르는 비활성 기체를 편향시키도록 동작하는 방사선 차폐물(radiation shield)도 통상적으로 포함하고 있다.

JP-2000327485 A호에 따르면, 철 농도가 2*10⁹ atoms/cm³ 미만인 실리콘의 단결정을 제조하는 것이 가능하다. 이와 같은 단결정을 제조하기 위해서, 정교한 처리로 다결정 중간 생성물을 정화하는 것이 필요하다. 그러나, 상기 철 농도에 의해서는 본 발명의 문맥에 있는 단지 약간의 철이 혼합된 단결정에 대해 충분한 특징이 아직 없다. 차라리, 단결정의 에지 영역(edge region)에 낮은 철 농도도 있다는 것이 보다 결정적이다. Barraclough, K.G 와 Ward, P.J.[Proc. Electrochem. Soc., 83-9, 388-395 (1983)]가 조사한 바에 의하면, 철은 기체 상 전달(gas phase transport)에 기초하는 메커니즘을 통해 단결정의 에지에 도달하고, 단결정의 에지로부터 단결정 내부로 확산하여, 단결정의 에지 영역의 철 농도를 상당히 증가시킨다. 단결정의 에지 영역의 철 농도를 중화시키기 위해, 특히, 시드 결정(seed crystal)을 위한 스테인리스강(stainless steel)으로 구성되는 홀더를 몰리브덴(Molybdenum)으로 만들어진 홀더로 대체하는 것이 문서에 제안되었다.

WO 02/057518 A2에 따르면, 에지 영역에서 철 농도가 0.8 ppta (3.99*10¹⁰ atoms/cm³) 미만인 실리콘의 단결정을 제조하는 것이 가능하다. 이러한 결과를 달성하기 위해서, 탄소를 함유하는 재료로 구성되는 장치의 모든 구성 요소는, 특히 저철분형 재료를 반드시 포함해야 하고, 마찬가지로 저철분형 재료는 특히, 탄화규소(silicon carbide)의 저철분층에 의해 반드시 밀폐되어야 한다.

WO 01/81661 A1에서는, 비활성 기체 스트림을 지시하는 코팅된 튜브를 사용하는 것이 제안되며, 이 경우에, 코팅은 최대 0.5 ppm의 철을 함유하여야 한다. WO 01/81661 A1에 기술된 방법에 따르면, 철 농도가 1*10¹⁰atom/cm³ 를 초과하지 않는 실리콘의 단결정(monocrystalline) 반도체 웨이퍼를 제조하는 것이 가능하다.

단결정의 에지 영역 및 단결정으로부터 절단되는 웨이퍼의 에지 영역에서조차도 1*10⁹atom/cm³를 초과하지 않는 철 농도를 갖는 반도체 재료의 단결정을 제조 하는 것이 가능한 경제적인 대안을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 반도체 재료의 단결정을 제조하는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 챔버와, 상기 챔버 내에 배치되고 도가니 히터에 의해 둘러싸인 도가니와, 도가니 히터와 챔버의 내벽 사이에서 성장 단결정 및 단열재를 차폐하는 방사선 차폐물과, 챔버의 내벽과 단열재 사이의 간극(gap)을 밀봉하고 단결정에 기체 철카르보닐(iron carbonyls)의 전달을 위한 장애물을 형성하는 탄성 밀봉재(resilient seal)를 포함한다.

또한, 본 발명은 챔버 내에 배치되고 도가니 히터에 의해 둘러싸인 도가니로부터 단결정을 끌어당김으로써 반도체 재료의 단결정을 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기서 단열재와 챔버의 내벽 사이의 간극은 단결정에 기체 철카르보닐의 전달을 위한 장애물을 형성하는 탄성 밀봉재로 밀봉된다.

더욱이, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조되는 반도체 재료의 단결정에 관한 것으로, 상기 단결정은 원주와, 반경 R과, 상기 원주로부터 단결정의 내부로 방사상으로 최대 R-5 mm의 거리로 연장하는 에지 영역 및 철 농도를 가지며, 여기서 철 농도는 1*10⁹ atom/cm³ 미만인 것인 원통 형상의 섹션을 포함한다.

마지막으로, 본 발명은 원주와, 반경 R과, 상기 원주로부터 반도체 웨이퍼의 내부로 방사상으로 최대 R-5 mm의 거리로 연장하는 에지 영역 및 철 농도를 가지며, 여기서 에지 영역의 철 농도는 1*10⁹ atom/cm³ 미만인 것인 단결정으로부터 절단되는 반도체 웨이퍼에 관한 것이다.

반도체 재료는 실리콘인 것이 바람직하며, 선택적으로는, 게르마늄 및/또는 광-, 자성전자 반도체 화합물의 조합일 수 있다. 본 발명은 제조된 단결정 또는 제조된 반도체 웨이퍼의 직경에 상관없이 사용될 수 있다. 그렇지만, 150 mm, 200 mm 및 300 mm 또는 그 이상의 직경이 특히 바람직하다.

본 발명의 발명자는 단결정 혼합물의 메인 소스와 챔버에 있는 철을 동일하다고 간주하며, 냉각 컨테이너의 벽이 철, 특히 스테인리스강을 함유하는 합금으로 구성되어, 상기 철은 보통 냉각 컨테이너에 의해 형성된다. 챔버의 탄소 함유 성분, 특히 지지 도가니 및 단열재의 가열로 인해 형성되는 일산화탄소는 비활성 기체 스트림을 통하고 확산에 의해 챔버의 내벽에 도달한다고 여겨진다. 여전히 100 ℃이상의 온도에 있는 내벽에서는, 단열재와 챔버의 내벽 사이의 간극에 주입될 수 있고, 성장 단결정에 도달할 수 있는 휘발성 철카르보닐이 형성된다. 섭씨 수 백도의 온도에서 단결정과 접촉하자마자, 철카르보닐은 자신이 구성된 반응과는 반대로 철 원소와 일산화탄소로 분해된다. 일반적인 온도에서는, 철은 철 농도가 증가하는 단결정의 주변 영역으로 확산한다. 이 메커니즘에 의해, 철은 철카르보닐의 분해를 일으키기에 충분히 뜨거운 장치의 구성 요소를 통해 분산되기도 한다. 장치의 구성 요소는 예를 들면, 지지 도가니, 챔버를 보호하기 위한 단열재, 및 방사선 차폐물을 포함한다.

철에 의한 단결정의 혼합물을 줄이기 위해 이전에 제안된 이러한 측정은 챔버 벽을 혼합물 소스로서 고려하지 않아서, 문제에 대해 경제적으로 만족할 만한 해결책을 제공하지 못한다.

본 발명에 따르면, 단열재와 챔버의 벽 사이의 간극은 챔버의 내벽을 따라 이동할 수 있게 하고 그 후에 단결정에 도달할 수 있게 하기 위해서 기체 철카르보닐이 반드시 이런 장애물을 극복하도록 적어도 한 위치에서 탄성 밀봉재에 의해 메워진다. 제조 허용오차(manufacturing tolerance) 때문에, 단열재와 챔버의 내벽 사이의 간극은 단열재가 꽉 차게 만들어진 경우조차도 존재한다. 그러나, 단열재의 열팽창이 가능하게 하기 위해 고의로 간극을 제공하고 이 팽창 운동을 위한 필요한 공간을 단단히 고정시키는 수단을 제공하는 것이 더욱 일반적이다.

본 발명에 따라 제공되는 밀봉재는 탄성적으로 변형될 수 있고, 열팽창을 더욱 고려하여 메워진 간극이 유지되도록 간극 사이에 꽉 끼게 된다. 밀봉재는 전체 간극을 통하여 확장될 수 있어서, 예컨대, 전체 간극을 완벽하게 채운다. 그러나, 경제적인 이유만으로도, 간극이 적어도 부분적으로 남아있도록 밀봉 재료를 저장하는 것이 바람직하다. 특히, 50-200 mm까지의 축 넓이를 통해 확장하는 것이 바람직하며, 특히 100 mm가 바람직한 링(ring)으로 밀봉재를 형성하는 것이 바람직하며, 이 경우에 복수의 이와 같은 링은 겹쳐서 배치될 수도 있다. 그러나, 원칙적으로는, 밀봉재는 단결정의 축을 가로질러 확장되는 장애물을 형성하기에 충분하며, 이 장애물은 챔버의 내벽을 따라 단결정에 기체 철카르보닐의 전달을 제한한다. 기체 철카르보닐의 전달은 밀봉재를 사용하여 제조되는 단결정의 에지 영역에서 철 농도가, 밀봉재는 사용하지 않은 제조품이지만 다른 점에서 보면 동일한 조건 아래서 끌어 당겨지는 단결정에서보다 적어도 50%가 낮은 경우에, 제한되는 것으로 여겨진 다. 단결정의 에지 영역의 철 농도 대신에, 단결정으로부터 절단되는 반도체 웨이퍼의 에지 영역의 철 농도를 참조하는 것도 가능하다. 에지 영역은 바람직하게는 단결정의 원주로부터 최대 5 mm의 거리를 통해, 또는 단결정으로부터 절단되는 반도체 웨이퍼를 통해 방사상으로 내부로 확장하는 영역이다. 철 농도는 원주로부터 1, 2, 3, 4 또는 5 mm의 방사 거리에 놓여있는 위치에서 측정되는 것이 바람직하다.

밀봉재는 탄성 재료, 바람직하게는 탄화 또는 흑연화된 탄소 섬유를 함유하는 그래파이트 펠트(Graphite Felt)로 구성된다. 이 재료는 파괴 없이 50-80 mm의 직경을 갖고, 재료 웹(material web)에 또는 재료 웹을 따라 가로질러 감는 방향을 갖는 테스트 로드(test rod)의 한 계층에 감기기에 충분한 탄성적인 것이 바람직하다. DIN 52143호에 따른 재료의 파괴 변형은 재료 웹에 따라 2-5 %이고, 재료 웹에 가로질러서는 13-20%인 것이 바람직하다. DIN 53887호에 따른 재료의 기체 투과성은 질소에서 300 Pa의 압력차로, 25-50 cm³/(cm²*s)인 것이 바람직하다. DIN ISO 8658호에 따른 재료의 철의 함유량(iron content)은 0.3 mg/kg이하인 것이 바람직하다. 특히, 제조사 SGL Carbon의 Sigratherm^® GFA 10 상표의 그래파이트 펠트가 바람직하다. 이 재료는 9-10 mm의 두께를 갖는 웹의 형태로 이용가능하다. 이것은, 여러 층에서 또는 래버린스 실(labyrinth seal)을 형성하기 위해서 접혀진 상태에서, 챔버의 내벽과 웹의 두께보다 두꺼운 단열재 사이의 간극을 밀봉하는데도 적당하다.

전술한 목적을 달성하도록 제안된 부가적인 측정은 챔버의 내벽에 세라믹 코팅을 제공한다. 특히, 산화 알루미늄의 코팅이 바람직하다. 코팅은 일산화탄소와 챔버의 내벽의 직접적인 접촉을 방지하여, 철카르보닐의 형성을 감소시킨다.

탄성 밀봉재와 세라믹 코팅의 조합 또는 탄성 밀봉재만의 단독 조합을 취할 수 있는 후속 측정은 단결정을 냉각하는 활성 냉각 시스템을 제공한다. 활성 냉각 시스템이란 용어는 공급되는 에너지를 이용함으로써 열을 추출하는 구성 요소를 냉각하는 수단, 예를 들면 열 교환기 원리에 따라 동작하는 구성 요소들을 의미한다. 활성 냉각 시스템은 실리콘 결정의 결함 형성을 제어하는데도 사용되고, 예를 들면 성장 단결정을 둘러싸는 종래의 제공된 방사선 차폐물의 일부분일 수 있다. 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이것들의 기여는 성장 단결정의 표면에 온도를 그리고 철카르보닐이 더이상 온도 분해되지 않을 수 있는 환경에 온도를 제공하는 것이다. 방사선 차폐물에 통합되는 적합한 활성 냉각 시스템의 예는 US-5,567,339호에 기술되어 있다.

부가적인 후속 측정으로서, 챔버에 위치하여 단결정을 제조하는 동안 200℃이상의 온도로 가열되는 단열재 및 탄소를 함유하는 재료로 만들어진 다른 모든 구성 요소는 일정한 간격(regular interval)으로 대체되는 것을 마지막으로 제안한다. 이러한 구성 요소들은 증착된 철이 그 표면으로부터 세정된 후에, 선택적으로 재사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 도 1을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도 1은 초크랄스키법(Czochralski method)에 따라 반도체 재료의 단결 정을 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도면에 나타낸 표현은 본 발명의 이해를 돕기 위한 특징들을 나타낸 것으로 제한된다. 굵고 짙은 화살표는 챔버에서 흐르는 종래의 비활성 기체 스트림의 주 방향을 상징적으로 표현한다. 점선 화살표는 철카르보닐이 본 발명에 따라 행하는 것을 방해하지 않는 경우에, 철카르보닐이 단결정에 도달할 수 있는 경로를 상징적으로 표현한다. 장치는 단결정(3)의 제조 중에 기능을 수행하는 도가니(2)와 추가의 구성 요소들을 갖춘 챔버(1)를 포함한다. 이들 구성 요소는 도가니(2)에 담겨있는 용융물(metl)(5)로부터 단결정(3)을 끌어당기는 메커니즘(4), 도가니(2)를 유지하도록 샤프트(6)에 배치된 지지 도가니(7) 및 도가니(2)를 둘러싸는 도가니 히터(8)를 포함한다. 챔버의 내벽(9)은 도가니 히터(8)에 의해 방출되는 열에 대해 단열재(10)에 의해 보호된다. 종래의 단열재도 다른 위치에서 추가 구성 요소의 형태로 제공되며, 예를 들면, 샤프트(6)의 영역 및 챔버의 바닥 영역에서 단열재 형태로 제공된다. 단열재(10)와 챔버의 내벽(9) 사이에는, 탄성 밀봉재(12)에 의해 메워지는 간극(gap)(11)이 존재한다. 바람직한 실시예에 따르면, 탄성 밀봉재(12)는 링으로서 설계된다. 성장 단결정(3)은 자체 단열 소자를 포함할 수 있으며, 지지체(support)(16)에 고정된 방사선 차폐물(13)에 의해 둘러싸인다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 방사선 차폐물과 더불어 단결정을 냉각하는 활성 냉각 시스템(14), 또는 방사선 차폐물에 통합되는 활성 냉각 시스템(14)이 있다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 챔버의 내벽(9)에 세라믹 코팅(15)도 제공되어, 일산화탄소 및 철이 철카르보닐을 형성하는데 반응하는 벽 재료를 막는다. 세라믹 코팅(15)은 도면에 암시적으 로만 표현된다.

실시예

내벽(9)의 코팅(15)은 없지만, 특히 100 mm 정도의 축 방향 폭을 갖는 링으로서 설계된 탄성 밀봉재(12)가 있는, 도 1에 개략된 설치 특징들을 지닌 단결정을 끌어당기는 장치에서는, 200 mm의 직경을 갖는 실리콘의 막대 모양의 단결정을 끌어당기며, 철 농도는 단결정으로부터 절단된 웨이퍼의 에지 영역에서 결정된다. 측정된 웨이퍼는 동일한 축 방향 막대 위치로부터 추출된다. A 유형 웨이퍼는 본 발명에 따라 사용되지 않는 장치, 탄성 밀봉재로 제조된 단결정으로부터 나온다. B 유형 웨이퍼를 제공하는 단결정은 동일한 장치로 제조되지만, 챔버의 내벽과 단열재 사이의 간극이 단결정의 축을 가로질러 확장되는 Sigratherm^® GFA 10 유형의 그래파이트 펠트의 링에 의해 밀봉되는 차이가 있다. 방사선 차폐물에 통합되는 활성 냉각 시스템은 C 유형 웨이퍼를 제공하는 단결정을 제조하기 위하여 탄성 밀봉재와 더불어 사용된다. 웨이퍼의 에지 R에서부터 1 mm, 3 mm 및 5 mm의 방사 거리에 있는 세 곳의 위치에서 철 농도 결정의 결과는 이하의 표 1에 집결되어 있다. 에지 영역 밖에서의 철 농도가 에지 영역보다 높은 경우는 없었다. ASTM F 391에 따라 철 농도가 결정된다.

유형	위치 R-1 mm Fe [atoms/cm³]	위치 R-3 mm Fe [atoms/cm³]	위치 R-5 mm Fe [atoms/cm³]
A	3*10¹⁰	2.3*10¹⁰	1.3*10¹⁰
B	1.5*10¹⁰	1*10¹⁰	0.6*10¹⁰
C	<LoD	<LoD	<LoD

밀봉재를 제공함으로써 철 농도는 최소 50%까지 줄어들 수 있다는 결과를 나타내고 있다. C 유형 웨이퍼가 연구된 위치에서 철 농도는 실제로는 1*10⁹ atoms/cm³인 검출 한계(LoD)보다 아래에 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 단결정의 에지 영역 및 단결정으로부터 절단되는 웨이퍼의 에지 영역에서조차도 1*10⁹atom/cm³를 초과하지 않는 철 농도를 갖는 반도체 재료의 단결정을 제조하는 것이 가능한 단결정 제조 장치 및 방법, 단결정 및 반도체 웨이퍼를 제공할 수 있다.

Claims

반도체 재료의 단결정을 제조하는 장치로서,

챔버와, 상기 챔버 내에 배치되고 도가니 히터에 의해 둘러싸인 도가니와, 상기 도가니 히터와 상기 챔버의 내벽 사이에서 성장 단결정 및 단열재를 차폐하는 방사선 차폐물과, 상기 챔버의 내벽과 단열재 사이의 간극(gap)을 밀봉하고 상기 단결정에 기체 철카르보닐(iron carbonyls)의 전달을 위한 장애물을 형성하는 탄성 밀봉재(resilient seal)를 포함하는 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄성 밀봉재는 상기 단결정에 철카르보닐의 전달을 최소 50%까지 감소시키는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄성 밀봉재는 링으로서 설계된 것인 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄성 밀봉재는 탄화 또는 흑연화된 탄소 섬유를 함유하는 그래파이트 펠트(Graphite Felt)로 구성되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 성장 단결정을 냉각하는 활성 냉각 시스템 을 더 포함하는 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내벽이 코팅되는 세라믹 코팅을 더 포함하는 반도체 재료의 단결정 제조 장치.
챔버 내에 배치되고 도가니 히터에 의해 둘러싸인 도가니로부터 단결정을 끌어당김으로써 반도체 재료의 단결정을 제조하는 방법으로서, 단열재와 상기 챔버의 내벽 사이의 간극은 상기 단결정에 기체 철카르보닐의 전달을 위한 장애물을 형성하는 탄성 밀봉재로 밀봉되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 단결정에 철카르보닐의 전달은 최소 50%까지 감소되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 단결정은 활성 냉각되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 챔버의 내벽은 세라믹 코팅으로 코팅되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 증착된 철은 상기 챔버의 탄소 함유 성분의 표 면으로부터 일정한 간격으로 세정되는 것인 반도체 재료의 단결정 제조 방법.
반도체 재료의 단결정으로서, 원주와, 반경 R과, 상기 원주로부터 상기 단결정의 내부로 방사상으로 최대 R-5 mm의 거리로 연장하는 에지 영역 및 철 농도를 가지며, 상기 철 농도는 1*10⁹ atom/cm³ 미만인 것인 원통 형상의 섹션을 포함하는 반도체 재료의 단결정.
반도체 웨이퍼로서, 원주와, 반경 R과, 상기 원주로부터 상기 반도체 웨이퍼의 내부로 방사상으로 최대 R-5 mm의 거리로 연장하는 에지 영역 및 철 농도를 가지며, 상기 에지 영역의 철 농도는 1*10⁹ atom/cm³ 미만인 것인 반도체 웨이퍼.