KR100906284B1 - 산소농도 특성이 개선된 반도체 단결정의 제조방법 - Google Patents

산소농도 특성이 개선된 반도체 단결정의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 석영 도가니를 회전시킴과 아울러 수평강자장을 인가하면서 인상시켜 고액계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 석영 도가니를 0.6~1.5rpm의 속도로 회전시키면서 인상을 진행하는 것을 특징으로 한다.
쵸크랄스키법, MCZ, 수평강자장, 석영도가니, 도가니 회전수, 산소농도

Description

산소농도 특성이 개선된 반도체 단결정의 제조방법{Semiconductor single crystal growth method improved in oxygen concentration characteristics}
본 발명은 수평강자장을 인가하면서 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행함에 있어서 반도체 단결정에 유입되는 산소의 농도를 제어하여 고품질의 단결정을 제조하는 반도체 단결정의 제조방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 제조시에는 히터에 의해 용융된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영 도가니가 필수적으로 사용된다. 그런데 석영 도가니는 실리콘 멜트와의 반응을 동반하여 융액 내에 용해됨으로써 멜트 내로 산소를 용출시키고, 결국에는 고액 계면을 통해 단결정 내로 산소를 혼입시킨다. 단결정 내로 혼입된 산소는 웨이퍼의 강도 증진, 미소 내부 결함(BMD)을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대한 게터링(gettering) 사이트로 작용하는가 하면, 다른 한편으로는 각종 결정 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 소자의 수율에 악 영향을 미치는 요인이 된다. 따라서 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 시에는 고액 계면을 통해 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 적절하게 제어할 필요가 있다.
종래에는 산소농도를 제어하기 위해 도가니 회전수(C/R), 아르곤(Ar) 가스 유량, 압력 등을 조절하는 방법이 널리 사용되었으며, 이외에도 커스프 타입(cusp type)의 자기장 조건을 변경하여 결정 결함 품질을 악화시키지 않으면서 산소농도를 다양하게 제어하는 기술이 공개되었다. 또한, 초전도 수평자석 등을 이용하여 수평 타입의 자기장을 인가하는 수평강자장 조건에서는 도가니 회전수에 의해 산소농도가 영향을 받게 된다는 사실이 보고되었다.
산소농도의 제어와 관련된 종래기술로서, 일본 공개특허 평9-235192호에는 MCZ(Magnetic Field Applied Czochralski Method)법에 의해 실리콘 단결정을 인상할 때 산소농도를 낮추고 반경방향의 산소농도 편차를 낮추기 위하여 도가니와 단결정의 회전속도를 소정 범위로 제어하는 기술이 개시되어 있다. 이 특허에 따르면 직경 6인치 정도의 소구경 실리콘 단결정에서 반경방향의 산소농도 편차 수준을 약 ±0.5ppma 정도까지 달성하는 것이 가능하나, 직경 12인치 정도의 대구경 실리콘 단결정에 적용시에는 산소농도의 편차가 악화될 것으로 예상된다.
다른 예로서, 대한민국 특허등록 제735902호에는 수평강자장 조건에서 단결정 길이별로 효과적인 산소농도 제어를 위해서 도가니 회전수에 추가하여 아르곤(Ar) 가스의 유량과 압력을 제어하는 기술을 개시하고 있으나, 이 기술은 8인치 정도의 소구경 실리콘 단결정의 산소농도 제어에 적합하다.
수평강자장을 인가하여 산소농도를 제어하는 종래기술은 주로 실리콘 융액의 부피가 적은 직경 24인치 이하의 도가니를 사용하는 8인치 이하 단결정의 제조를 목표로 하므로 동일 기술을 32인치의 도가니를 사용하는 12인치 이상의 단결정 제 조에 적용하면 산소농도 제어가 실패할 가능성이 높다. 그 이유는 실리콘 융액의 부피가 80% 이상 증가하게 되면 멜트의 유동이 매우 복잡해지기 때문이다. 즉, 부피가 큰 융액일수록 멜트 유동이 더욱 난류화 되어 산소 거동이 복잡해지기 때문에 단순히 단결정 길이에 따라(융액 부피에 따라) 아르곤 유량 또는 압력을 변경해서는 산소농도가 제대로 조절되지 않는다. 한편, 수평강자장 조건에서는 산소 거동의 이상현상이 나타나게 되므로 이를 근본적으로 해결하기 위한 대안이 요구되고, 극심하게 난류화된 멜트 유동하에서 크게 나타나는 인상속도 변동폭을 개선하는 조건이 제시되어야 한다.
잉곳 길이가 길어짐에 따라 멜트와 도가니 접촉면적 감소 효과를 극복하기 위해 종래기술의 전통적인 방법(도가니 회전수 범위를 0.1 ~ 0.9rpm 또는 0.3 ~ 0.7rpm으로 설정)대로 도가니 회전수를 점차적으로 증가하였을 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 확률적으로 잉곳의 바디(body) 중반에 산소농도가 처지는 현상이 발생하게 된다. 도면에서 상,하 수평기준선 사이의 구간은 바람직한 산소농도의 범위를 나타낸다. 이러한 도가니 회전수 운용은 8인치 이하에서는 11ppma 이상의 산소농도를 가져오지만, 12인치 이상에서는 융액의 부피가 큰 관계로 매우 불안정한 산소농도 프로파일이 얻어지게 된다.
또한, 산소농도 제어를 위해 종래기술에 따라 아르곤 유량과 압력을 제어했을 경우(아르곤 가스의 유량은 160lpm에서 140lpm으로 낮추고, 압력은 50Torr에서 60~70Torr)로 높임)에도 마찬가지로 도 2에 도시된 바와 같이 바디 중반부에서 산소농도가 감소하는 현상이 발생하게 된다.
위와 같은 결과가 얻어지는 원인은 수평강자장 조건하에서는 저산소 멜트(low oxygen melt)와 고산소 멜트(high oxygen melt)가 분리(splitting)되기 때문인 것으로 분석된다. 즉, 자장이 인가되지 않는 쵸크랄스키법이나 회전 대칭성(rotational symmetry)를 갖는 커스프(cusp) 또는 수직(vertical) MCZ에서는 단결정 회전 및 도가니 회전에 의해서도 회전대칭이 유지되기 때문에 멜트가 두 가지 타입으로 분리되는 현상은 발생하지 않는다. 하지만, 거울면 대칭성(mirror symmetry)을 갖는 수평(horizontal) MCZ에서는 단결정 회전 및 도가니 회전에 의해 로렌츠힘(Lorentz force)이 좌우 반대방향으로 형성되므로 멜트가 두 가지 타입으로 분리되는 현상이 발생한다. 이런 조건에서 저산소 멜트와 고산소 멜트가 단결정 성장계면 하부를 어떻게 지배하느냐에 따라 단결정 내로 유입되는 산소거동이 영향을 받게 된다. 예를 들어, 도 1에서 3rd Run을 살펴 보면, 800~900mm에서는 고산소 멜트가, 1000~1300mm에서는 저산소 멜트가 지배적임을 확인할 수 있다. 지배 멜트의 타입은 도가니 회전수에 의해 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 저산소 멜트의 진동수는 0.005Hz이며 대략 0.3rpm의 도가니 회전수에 해당한다. 따라서, 도가니 회전수가 대략 0.3rpm이 되면 저산소 멜트와의 공진현상이 발생하므로 고산소의 결정을 성장시키기가 곤란해지는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 12인치 단결정과 같은 대구경 단결정 성장시에 프라임(prime) 구간에서 산소농도 편차를 줄일 수 있도록 산소농도를 제어할 수 있는 도가니 회전 조건을 제시하는 반도체 단결정의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 12인치 단결정과 같은 대구경 단결정의 성장시 인상속도 변동폭을 개선함으로써 공정 안정화를 기여할 수 있는 반도체 단결정의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 석영 도가니를 회전시킴과 아울러 수평강자장을 인가하면서 인상시켜 고액계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 상기 석영 도가니를 0.6~1.5rpm의 속도로 회전시키면서 인상을 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 단결정의 바디 초반부 성장시에는 상기 석영 도가니를 0.6~0.8rpm의 속도로 회전시키는 것이 바람직하다.
단결정 성장 길이별로 산소농도 변동폭을 최소화하기 위하여 상기 석영 도가니의 회전속도는 점차적으로 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 수평강자장은 2000G 이상으로 인가될 수 있다.
또한 상기 수평강자장은 2500G 이상, 3500G 이하로 인가될 수 있다.
본 발명에 따르면 수평강자장을 인가하는 조건하에서 반도체 멜트와의 공진현상을 피하여 산소농도의 범위가 10.6~12.8ppma이고 산포가 적은 12인치 이상의 고품질 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 이러한 본 발명은 NAND 플래쉬 디바이스에 적합한 산소농도인 11.7ppma 정도의 산소농도를 갖는 실리콘 단결정 성장에 유리하다.
또한, 본 발명에 따르면 단결정의 인상속도 변동폭을 종래에 비해 줄임으로써 공정을 안정적으로 용이하게 진행할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 석영 도가니를 회전시킴과 아울러 2000G 이상의 수평강자장을 인가하면서 인상시켜 고액계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법을 수행하고, 특히 석영 도가니를 0.6 ~ 1.5rpm의 속도로 회전시키면서 인상을 진행한다. 여기서, 수평강자장은 멜트 내 열분포 최적화와 산 소용출 성능 등을 감안하여 2500G 이상, 3500G 이하로 인가하는 것이 보다 바람직하다.
도 3에는 본 발명이 적용되는 반도체 단결정 성장장치의 구성예가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 반도체 단결정 성장장치는, 다결정 실리콘이 고온으로 용융된 실리콘 멜트(SM)가 수용되는 석영 도가니(10); 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 고온 환경에서 석영 도가니(10)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 지지대(20); 도가니 지지대(20) 하단에 설치되어 도가지 지지대(20)와 함께 석영 도가니(10)를 회전시키는 도가니 회전수단(30); 도가니 지지대(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 석영 도가니(10)를 가열하는 히터(40); 히터(40)의 외곽에 설치되어 히터(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 일정한 방향으로 회전하는 시드(seed) 결정을 이용하여 석영 도가니(10)에 수용된 실리콘 멜트(SM)으로부터 실리콘 단결정(1)을 인상하는 단결정 인상수단(60); 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 실리콘 단결정(1)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 실리콘 단결정(1)으로부터 방출되는 열을 차폐하는 열실드 구조물(70); 실리콘 단결정(1)의 외주면을 따라 실리콘 멜트(SM)의 상부 표면으로 불활성 가스(예컨대, Ar 가스)를 공급하는 불활성 가스 공급수단(미도시); 및 석영 도가니(10)에 수평강자장을 형성할 수 있는 코일 어셈블리(80)를 구비한 자기장 인가수단;을 포함한다. 이와 같은 반도체 단결정 성장장치의 구성요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 성장장치의 통상적인 구성요소이므로, 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서는 반도체 단결정 성장장치의 도가니 회전수단(30)을 제어하여 석영 도가니(10)를 0.6 ~ 1.5rpm의 속도 범위에서 회전시키면서 인상을 진행한다. 상기 속도 범위 내에서 석영 도가니 (10)의 회전속도를 점차적으로 증가시키도록 도가니 회전수단(30)을 제어하게 되면 단결정 성장 길이별로 산소농도 변동폭을 최소화할 수 있다.
도 4에는 석영 도가니(10)의 회전수 범위를 두 가지 타입으로 하여 약 12인치(300mm) 실리콘 단결정을 성장시켰을 때의 잉곳 길이별 산소농도 프로파일이 도시되어 있다. 도 4에서 1st Run은 도가니 회전수를 1 ~ 1.2rpm 범위로 설계한 경우에 해당하며, 2nd Run은 도가니 회전수를 0.7 ~ 1.2rpm 범위로 설계한 경우에 해당한다.
전술한 바와 같이 0.3rpm 정도의 도가니 회전수에서는 공진현상이 발생하고, 0.5rpm 정도에서도 약간의 공진현상이 발생하는 것으로 나타난다. 또한, 도가니의 회전수가 지나치게 높으면 산소농도가 과도하게 상승하는 현상이 발생하게 된다. 이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 도가니 회전수를 0.6 ~ 1.5rpm으로 설계하였다. 특히, 대략 400mm의 잉곳 길이까지 해당되는 바디 초반부부터 도가니 회전수 1rpm 이상으로 높이면 1st Run에 나타난 바와 같이 산소농도가 과도하게 상승하므로 바디 초반부에는 0.6~0.8rpm을 유지하는 것이 바람직하다. 이와 같은 도가니 회전수 운용에 의하면 산소농도의 범위가 대략 10.6~12.8ppma이고 산포가 적은 12인치 이상의 고품질 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.
보다 바람직하게, 본 발명은 도가니의 회전수를 0.7~1.3rpm으로 설계함으로써 도 5의 3rd Run 그래프에 나타난 바와 같이 900~1300mm에서의 산소농도 저하를 보상하고, 산소농도의 범위가 11~12.4ppma으로 종래기술에 비해 고품질을 갖는 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.
상기와 같이 도가니 회전수를 0.6 ~ 1.5rpm으로 운용하게 되면 도 6에 도시된 바와 같이 인상속도의 변동폭이 현저히 줄어들어 히터 파워의 변동이 적어지는 등 공정의 안정성을 도모할 수 있다.
이와는 대조적으로, 종래기술에 따라 도가니 회전수를 0.1~0.5rpm으로 운용하는 경우에는 저산소 멜트와 고산소 멜트가 서로 간섭하기 때문에 도 7에 도시된 바와 같이 인상속도의 변동폭이 크게 나타나게 된다.
이상에서 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 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 전통적인 실리콘 단결정 성장방법에 따라 제공되는 잉곳 길이별 산소농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 반도체 단결정 성장장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도가니의 회전수 범위에 따라 달라지는 산소농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예와 종래기술에 따른 도가니 회전수 운용 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도가니 회전수를 운용했을 때의 인상속도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 7은 종래기술에 따라 도가니 회전수를 운용했을 때의 인상속도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
1: 실리콘 단결정 10: 석영 도가니
20: 도가니 지지대 30: 도가니 회전수단
40: 히터 50: 단열수단
60: 단결정 인상수단 70: 열실드 구조물
80: 코일 어셈블리 SM: 실리콘 멜트

Claims (5)

  1. 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 석영 도가니를 회전시킴과 아울러 수평강자장을 인가하면서 인상시켜 고액계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서,
    상기 석영 도가니를 0.6~1.5rpm의 속도로 회전시키면서 인상을 진행하여 산소농도 범위가 10.6~12.8ppma인 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 단결정의 바디 초반부 성장시에는 상기 석영 도가니를 0.6~0.8rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단결정 성장 길이별로 산소농도 변동폭을 최소화하기 위하여 상기 석영 도가니의 회전속도를 점차적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수평강자장을 2000G 이상으로 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단 결정 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수평강자장을 2500G 이상, 3500G 이하로 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
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