KR100912219B1 - 반도체 단결정 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

이 반도체 단결정 제조 장치는 도가니와, 히터와, 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수소 원자를 포함하는 수소 함유 가스 및 불활성 가스를 혼합한 수소 혼합 가스를 공급하는 수소 혼합 가스 공급 장치를 가지며, 상기 수소 혼합 가스 공급 장치는 수소 함유 가스 공급기와, 불활성 가스 공급기와, 수소 함유 가스 유량 제어기와, 불활성 가스 유량 제어기와, 수소 함유 가스와 불활성 가스를 균일하게 혼합하여 수소 혼합 가스를 생성하는 가스 혼합 수단을 구비한다.
Figure R1020077026335
반도체, 단결정, 도가니, 챔버, 비활성, 초크랄스키, 잉곳, 융액, 수소, 혼합, 유량

Description

반도체 단결정 제조 장치{APPARATUS FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 수소가 존재하는 분위기 하에서 반도체 단결정을 제조하는 반도체 단결정 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 단결정의 일례인 실리콘 단결정은 기밀하게 유지된 챔버 내의 도가니에 수용된 다결정 실리콘 원료를 히터로 가열하여 실리콘 융액으로 만들고, CZ(Czochralski)법에 의해 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하면서 성장시킴으로써 제조된다. 실리콘 웨이퍼는 상기한 방법으로 제조된 실리콘 단결정을 슬라이스(절단)함으로써 제조되며, 이 실리콘 웨이퍼 상에 예컨대 집적 회로 등이 형성된다.
이러한 실리콘 단결정을 인상함에 있어, 챔버 내 분위기로는 종래에는 불활성 가스(주로 Ar 가스)가 사용되어 왔다. 이는, 실리콘 융액, 챔버 부재 및 실리콘 결정간의 다양한 화학 반응을 억제하여 부생성물로서 발생하는 불순물의 혼입을 회피하기 위함이다. 더욱이, 다량으로 가스 공급을 행함으로써 발생하는 챔버 내 의 가스 흐름을 이용하여 금속 오염을 회피할 수도 있고, 인상할 실리콘 단결정의 고품질화를 실현할 수 있다.
이러한 챔버 내의 분위기에 관하여, 최근 들어 미량의 수소 가스를 혼합하는 것의 유효성이 보고되기 시작하였다(예컨대 특허 문헌 1 내지 특허 문헌 4). 이들 특허 문헌에 기재된 기술에 따르면, 결정 내에 도입된 Grown-in 결함, 특히 COP로 대표되는 공공 결함에 수소 원자가 작용함으로써 실리콘 융액에의 질소 도핑과 마찬가지로 공공 결함의 축소나 소멸이 가능해진다고 되어 있다.
이러한 챔버 내에의 수소 가스의 공급에 관해서는, 가연성 가스인 수소 가스를 안전하게 공급하기 위하여, 3각선 그림(triangular diagram)을 이용한 수소 농도의 규정 방법(특허 문헌 5)이나, 효율적으로 수소 원자를 실리콘 융액에 녹여넣기 위한 수소 공급 방법(특허 문헌 6) 등이 알려져 있다.
그러나, 특허 문헌 6에 기재된 종래의 챔버 내에의 수소 공급 방법은, 수소 분위기 하에서의 실리콘 단결정의 적어도 1회의 인상에 필요한 양의 수소 혼합 가스를 미리 봄베 등에 저류(저장)한 수소 가스 공급 장치를 이용한 수소 혼합 가스 공급 방법이다. 이러한 종래의 수소 혼합 가스 공급 방법에서는 미리 수소 혼합 가스의 수소 원자 함유량이 결정되어 있으므로, 실리콘 단결정의 인상 중의 인상 환경의 변화에 대응하여 최적의 수소 농도로 제어하기는 매우 어려우며, 수소 분위기 하에서의 실리콘 단결정의 인상에 따른 최대한의 효과를 얻기가 어려웠다.
또한, 이러한 수소 혼합 가스를 매분 수백리터 이상 사용하는 대구경의 실리콘 단결정 제조 장치에 적용하려면 상당히 큰 수소 혼합 가스의 저류 수단이 필요 해져 설비 비용이 매우 비싸질 우려가 있다. 더욱이, 큰 유량의 수소 혼합 가스를 1회의 인상 기간 중에 수일간에 걸쳐 연속적이고 안정적으로 챔버 내에 공급하기는 어렵다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 소 61-178495호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 평 11-189495호 공보
특허 문헌 3: 일본 특허 공개 2000-281491호 공보
특허 문헌 4: 일본 특허 공개 2001-335396호 공보
특허 문헌 5: 일본 특허 공개 2004-182525호 공보
특허 문헌 6: 일본 특허 공개 2004-217460호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 반도체 단결정의 인상 환경의 변화에 대응하여 수소 혼합 가스 내의 수소 원자 농도를 용이하게 제어할 수 있고, 수소 혼합 가스를 저렴한 설비로 장기간에 걸쳐 연속적이고 안정적으로 공급할 수 있는 반도체 단결정 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 반도체 융액(semiconductor melt)을 저류(holding)하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전 및/또는 승하강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수소 원자를 포함하는 수소 함유 가스 및 불활성 가스(inert gas)를 혼합한 수소 혼합 가스를 공급하는 수소 혼합 가스 공급 장치를 가지며, 상기 수소 혼합 가스 공급 장치는, 수소 원자를 포함하는 수소 함유 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급기와, 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급기와, 상기 수소 함유 가스 공급기로부터 공급되는 수소 함유 가스의 유량을 제어하는 수소 함유 가스 유량 제어기와, 상기 불활성 가스 공급기로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 제어하는 불활성 가스 유량 제어기와, 상기 수소 함유 가스 유량 제어기 및 상기 불활성 가스 유량 제어기로부터 각각 유출된 수소 함유 가스와 불활성 가스를 균일하게 혼합하여 수소 혼합 가스를 생성하는 가스 혼합 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치가 제공된다.
수소의 존재 환경 하에서 인상한 실리콘 단결정 잉곳(반도체 단결정)은 인상 방향을 따라 네크부(neck portion), 보디부(body protion), 테일부(tail portion)로 대략적으로 나뉘는데, 이들 각 부분의 특성에 따라 챔버에 공급하는 수소 혼합 가스의 수소 농도(수소 분압)를 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 보디부의 COP 결함 사이즈의 축소 효과, 전위 결함(dislocation defects) 형성의 억제 효과를 얻을 수 있고, 결함이 적은 양호한 실리콘 단결정 잉곳의 보디부를 형성하는 것이 가능해진다. 수소 함유 가스 공급기나 수소 배관 등을 실외에 설치함으로써 고압의 수소 함유 가스를 포함하는 계통(system)의 위험성을 저감할 수 있다. 여기서, 네크부란 네킹을 행할 네크 부분 및 숄더(shoulder)라 불리는 확경부 등 직동부보다 이전 에 인상되는 부분을 가리키는 것이라고 하자. 또한, 수소의 존재 환경 하에서 인상함으로써 인상 속도(V)와 결정축 방향의 온도 구배(G)에 대하여 V/G의 값의 제어성을 향상시켜 단결정 내의 COP, R-OSF나 전위 클러스터(dislocation clusters) 등의 결함 분포에 대한 제어성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 반도체 융액은 실리콘 융액이고, 상기 반도체 단결정은 실리콘 단결정일 수 있다. 상기 챔버 내의 압력을 검출하는 챔버 내압 검출 수단을 더 구비하며, 상기 챔버 내압 검출 수단에서 검출한 챔버 내의 압력의 값에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어할 수도 있다. 또한, 상기 반도체 융액으로부터 인상하는 반도체 단결정의 인상 속도를 검출하는 인상 속도 검출 수단을 더 구비하며, 반도체 단결정의 인상 속도의 값에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어할 수도 있다. 더욱이, 상기 반도체 융액으로부터 인상한 반도체 단결정의 결정 길이를 검출하는 결정 길이 검출 수단을 더 구비하며, 인상한 반도체 단결정의 결정 길이에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어할 수도 있다. 멜트(반도체 융액)에 대한 수소의 혼입은 헨리의 법칙(Henry's law)을 따라 멜트 표면 부근의 수소 분압에 의해 제어 가능한데, 인상 중에 로(furnace) 내압이 변화한 경우에 수소 분압을 일정하게 유지하거나 또는 적극적으로 수소 분압을 변화시키는 등의 제어를 행하는 것이 가능해지며, 멜트에 대한 수소의 분압을 컨트롤하여 단결정에의 수소 원자의 영향을 최적의 상태로 제어하는 것이 가능해진다.
먼저 시드 결정(seed crystal)을 실리콘 융액(반도체 융액)에 접촉시켜, 전 위 결함 방지를 위하여 좁은 폭으로 일정 길이 인상한 후, 결정 지름을 미리 설정한 소정 폭까지 넓혀 가는 네크부에서는 수소 함유 가스 유량 제어기를 ON-OFF 제어함으로써 챔버에 공급하는 가스 내의 수소 함유 가스분을 없애거나 도입하는 제어를 행한다. 네크부에서 수소 함유 가스분을 없애거나(배제하거나) 도입하는 제어를 행함으로써 챔버 등 인상 장치를 구성하는 부재로부터의 Fe 오염을 저감하거나, 미량의 수소 함유 가스의 존재에 의한 실리콘 융액면의 안정화(정류 작용) 또는 시드 결정을 실리콘 융액에 접촉시켰을 때의 열적 쇼크를 저감하는 등의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 네크부에서 수소 함유 가스분의 ON-OFF 제어를 함으로써, 네크부에 이어지는 보디부의 결정 특성을 향상시킨다. 더욱이, 수소 분위기 하에서 인상함으로써 네크부에서의 유전위화(formation of dislocation) 즉 전위의 생성을 방지하여 인상의 재시도(멜트 백, melt-back) 등을 방지하고, 결과적으로 반도체 단결정의 제조 비용을 저감할 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳(반도체 단결정)의 보디부의 인상 과정에서는 제어부로부터 송출되는 유량 제어 신호에 기초하여, 수소 함유 가스 유량 제어기가 수소 함유 가스의 유량을 변화시키고, 챔버에 공급하는 수소 혼합 가스의 수소 분압을 제어한다. 제어 조건으로서 인상 속도(fp)에 의한 제어(인상 속도 검출 수단)나, 챔버 내압에 의한 제어(챔버 내압 검출 수단), 또는 인상 결정 길이에 의한 제어(결정 길이 검출 수단)에 의해 보디부의 COP 결함 사이즈의 축소 효과, 전위 결함 형성의 억제 효과를 얻을 수 있고, 결함이 적은 양호한 실리콘 단결정 잉곳의 보디부를 형성하는 것이 가능해진다. 동시에, 멜트에 대한 수소 분압을 컨트롤하여 단결정에 의 수소 원자의 영향을 최적의 상태로 제어하는 것이 가능해진다.
상기 불활성 가스는 적어도 아르곤을 주성분으로 할 수 있다. 상기 수소 함유 가스 공급기는 수소 원자를 포함하는 원료 가스를 정제하는 수소 함유 가스 정제 수단을 구비하고 있을 수도 있다. 상기 불활성 가스 공급기는 불활성 가스를 포함하는 원료 가스를 정제하는 불활성 가스 정제 수단을 구비하고 있을 수도 있다. 상기 수소 혼합 가스 공급 장치는 복수 개의 상기 챔버에 상기 수소 혼합 가스를 공급하는 복수 개의 수소 혼합 가스 공급 라인을 구비하고 있을 수도 있다. 또한, 수소 혼합 가스 공급 장치는 수소 가스와 불활성 가스 이외의 가스를 조합하여 공급하는 것, 수소 가스, 불활성 가스, 기타 가스를 조합하고, 또한 이들 가스 중 적어도 하나 이상을 각각 전환하여 공급하도록 제어하는 것도 가능하다. 또한, 상기 챔버의 적어도 내면은 수소에 대한 내부식성을 갖는 재료로 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라, 챔버 내를 활성 수소를 포함하는 분위기 하로 하여도 챔버의 부식, 열화를 방지하는 것이 가능해진다.
발명의 효과
본 발명의 반도체 단결정 제조 장치에 따르면, 수소 분위기 하에서 인상하는 실리콘 단결정 잉곳(반도체 단결정)의 각 부분의 특성에 따라 챔버에 공급하는 수소 혼합 가스의 수소 농도(수소 분압)를 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 보디부의 COP 결함 사이즈의 축소 효과, 전위 결함 형성의 억제 효과를 얻을 수 있고, 결함이 적은 양호한 실리콘 단결정 잉곳의 보디부를 형성하는 것이 가능해진다. 수소 함유 가스 공급기나 수소 배관 등을 실외에 설치함으로써 고압의 수소 함유 가스를 포함하는 계통의 위험성을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 단결정 제조 장치의 구성을 보인 개략도이다.
도 2는 도 1의 챔버 부분의 측면 단면도이다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 부위를 도시한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 수소 공급 제어에 관한 흐름도이다.
<부호의 설명>
10: 실리콘 단결정 제조 장치(반도체 단결정 제조 장치),
12: 수소 혼합 가스 공급 장치,
21: 챔버,
23: 석영 도가니(도가니),
51: 수소 함유 가스 공급기,
52: 불활성 가스 공급기,
54: 수소 함유 가스 유량 제어기,
56: 불활성 가스 유량 제어기
이하, 본 발명의 반도체 단결정 제조 장치의 일 실시 형태로서 실리콘 단결정 제조 장치를 예로 들어 그 실시 형태를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실리콘 단결정 제조 장치(반도체 단결정 제조 장치)의 전체 구성을 보인 개략도이고, 도 2는 그 챔버 부분을 보인 측면 단면도다. 실리콘 단결정 제조 장치(반도체 단결정 제조 장치)(10)는 크게 나누어 인상 장치(11)와, 수소 혼합 가스 공급 장치(12)와, 제어부(13)로 구성되어 있다. 인상 장치(11)에는, 챔버(21)와, 이 챔버(21) 내에 설치되어 실리콘 융액(반도체 융액)(22)을 저류하는 석영 도가니(도가니)(23)와, 석영 도가니(23)를 가열하는 측면 히터(24)와, 보온재(25)와, 도가니 구동 수단(26)이 구비되어 있다.
석영 도가니(23)는 상방이 개방된 대략 원통형의 몸통부(23a)와, 이 몸통부(23a)의 하방을 막는 바닥부(23b)로 이루어진다. 석영 도가니(23)의 외면은 흑연 서셉터(도가니 지지체)(27)에 의해 지지되어 있다. 석영 도가니(23)의 하면은 흑연 서셉터(27)를 통하여 지축(28)의 상단에 고정되고, 이 지축(28)의 하부는 도가니 구동 수단(26)에 접속된다. 석영 도가니(23)의 몸통부(23a)의 외측 주위에 흑연 서셉터(27)을 사이에 두고 측면 히터(24)가 마련되어 있다.
석영 도가니(23)를 가열하기 위한 측면 히터(24)는, 예컨대 석영 도가니(23)를 둘러감도록 원통형으로 형성되어 석영 도가니(23)를 가열한다. 또한, 측면 히터(24)와 챔버(21) 사이에는 측면 히터(24)를 둘러싸는 통형상의 보온재(25)가 설치되어 있다.
도가니 구동 수단(26)은 석영 도가니(23)를 회전시키는 제1 회전용 모터(도시 생략)와 석영 도가니(23)를 승하강시키는 승하강용 모터(도시 생략)를 가지며, 이들 모터에 의해 석영 도가니(23)가 소정의 방향으로 회전할 수 있고, 상하 방향으로 이동할 수 있도록 구성된다.
특히 상기 승하강용 모터에 있어서는, 실리콘 단결정 잉곳(반도체 단결정)(31)의 인상이 진행됨에 따라 저하하는 실리콘 융액(반도체 융액)(22)의 액면(22a)을 챔버(21) 내에서 소정 레벨로 유지하기 위하여, 감소하는 실리콘 융액(22)의 양에 따라 석영 도가니(23)를 상승시키도록 구성되어 있다.
챔버(21)의 상면에는 챔버(21)의 일부의 지름을 좁힌 원통형의 케이싱(41)이 설치된다. 이 케이싱(41)의 상단부에는 수평 상태로 선회할 수 있도록 인상 헤드(42)가 설치되고, 인상 헤드(42)로부터는 와이어 케이블(43)이 석영 도가니(23)의 회전 중심을 향하여 아래로 쳐진다. 또한, 챔버(21) 전체 또는 내면측은 활성이 높은 수소에 대하여 내식성이 있는 재료로 형성, 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
도시하지 않았으나, 인상 헤드(42)에는 인상 헤드(42)를 회전시키는 제2 회전용 모터와 와이어 케이블(43)을 감거나 푸는 인상용 모터가 내장된다. 와이어 케이블(43)의 하단에는 실리콘 융액(22)에 담가서 실리콘 단결정 잉곳(31)을 인상하기 위한 시드 결정(33)이 홀더(34)를 통하여 부착된다.
챔버(21)의 상부에는 나중에 그 구성을 상세하게 설명할 수소 혼합 가스 공급 장치(12)가 연결되고, 수소 혼합 가스를 케이싱(41)에서 챔버(21) 내로 도입하는 제1 도입부(36)가 형성되어 있다. 또한 마찬가지로 수소 혼합 가스 공급 장치(12)에 연결되고, 챔버(21)의 상부에서 석영 도가니(23)의 근방 쪽을 향하여 연장되며, 수소 혼합 가스를 석영 도가니(23)의 근방으로 도입하는 제2 도입부(37)가 형성되어 있다. 이러한 제1 도입부(36)나 제2 도입부(37)는 챔버(21) 내를 향하여 개구단을 구비한 파이프일 수 있다. 더욱이, 챔버(21)의 하부에는 챔버(21) 내의 가스를 배출하는 배출부(39)가 형성되어 있다. 이러한 배출부(39)로부터는 제1 도입부(36)나 제2 도입부(37)로부터 도입된 수소 혼합 가스의 양과 같은 양의 가스가 배출되어 챔버(21) 내의 내압을 일정하게 유지한다.
도 1을 참조하면, 수소 혼합 가스 공급 장치(12)는, 수소 함유 가스 공급기(51)와 불활성 가스 공급기(52)를 구비하고 있다. 수소 함유 가스 공급기(51)는 수소 함유 가스원(51a)과 수소 함유 가스 정제기(수소 함유 가스 정제 수단)(51b)로 구성되어 있다. 수소 함유 가스원(51a)은 수소 가스 또는 수소 원자를 함유하는 화합물 가스 등의 원료 가스의 공급원이며, 수소 함유 가스로는 수소 가스, H2O, HCL 등의 수소 원자를 포함하는 무기 화합물, 실레인(silane) 가스, CH4, C2H2 등의 탄화 수소(hydrocarbons), 알코올(alcohols), 카복실산(carboxylic acids) 등의 수소 원자를 포함하는 유기 화합물을 들 수 있다.
이러한 수소 함유 가스원(51a)으로는, 수소 가스의 경우에는, 액화 수소 가스 설비나 화합물로부터 수소를 생성시키는 수소 생성 설비, 또는 수소 흡장 합금(hydrogen storing alloy)에 흡장된 수소를 꺼내는 설비일 수 있다. 또한 화합물 가스의 경우에는, 액체 상태의 화합물 저류 설비나 수소 원자 함유 화합물을 합성하기 위한 화합 설비일 수 있다. 이러한 액화 수소 가스 설비나 화합물 저류 설비는 장기에 걸쳐 대량의 수소 가스나 수소 함유 가스를 안정적으로 공급하는 공급원이다.
수소 함유 가스원(51a)에 인접하여 설치되는 수소 함유 가스 정제기(51b)는 수소 함유 가스원(51a)으로부터 공급되는 원료 가스로서의 수소 함유 가스를 정제하여 불순물을 제거한 수소 함유 가스를 공급하는 것이다. 이러한 수소 함유 가스 정제기(51b)는 이미 인상 장치(11)의 챔버(21)에 공급되고 순환하여 되돌려진 사용 완료된 수소 혼합 가스를 정제하여 수소를 꺼내고, 다시 불순물이 없는 수소 함유 가스를 생성하는 구성일 수도 있다. 또한, 수소 함유 가스원(51a)으로부터 불순물이 없는 수소 함유 가스가 공급되는 것이라면, 특별히 이러한 수소 함유 가스 정제기(51b)는 설치하지 않을 수도 있다.
불활성 가스 공급기(52)는 불활성 가스원(52a)과 불활성 가스 정제기(불활성 가스 정제 수단)(52b)로 구성되어 있다. 불활성 가스원(52a)은 희가스(rare gas)의 공급원이며, 이러한 불활성 가스로는 저렴한 Ar 가스를 바람직하게 들 수 있는데, 이것 이외에도 He, Ne, Kr, Xe 등 각종 희가스 단체 또는 이들의 혼합물일 수도 있다.
이러한 불활성 가스원(52a)으로는 액화 불활성 가스 설비나 불활성 가스를 꺼내는(취출하는) 불활성 가스 생성 설비일 수 있다. 이러한 액화 불활성 가스 설비 등은 장기에 걸쳐 대량의 불활성 가스를 안정적으로 공급하는 공급원이다.
불활성 가스원(52a)에 인접하여 설치되는 불활성 가스 정제기(52b)는 불활성 가스원(52a)으로부터 공급되는 원료 가스로서의 불활성 가스를 정제하여 불순물을 제거한 불활성 가스를 공급하는 것이다. 이러한 불활성 가스 정제기(52b)는 이미 인상 장치(11)의 챔버(21)에 공급된 사용 완료된 수소 혼합 가스를 정제하여 불활성 가스를 꺼내는 구성일 수도 있다. 또한, 불활성 가스원(52a)으로부터 불순물이 없는 불활성 가스가 공급되는 것이라면, 특별히 이러한 불활성 가스 정제기(52b)는 설치하지 않을 수도 있다.
수소 함유 가스 공급기(51)로부터 공급된 수소 함유 가스는 수소 배관(53)을 통하여 공급된다. 수소 배관(53)의 도중에는 수소 배관(53) 내를 흐르는 수소 함유 가스의 유량을 제어하는 수소 함유 가스 유량 제어기(매스 플로 컨트롤러)(54)가 형성된다. 이러한 수소 함유 가스 유량 제어기(54)는 실리콘 단결정 제조 장치(10) 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부(13)에 의해 유량이 설정된다. 또한, 수소 배관(53)의 도중에는 수소 함유 가스 유량 제어기(54) 이외에도, 감압 밸브나 역류 방지 밸브 등이 적당히 설치되어 있을 수도 있다.
불활성 가스 공급기(52)로부터 공급된 불활성 가스는 불활성 가스 배관(55)을 통하여 공급된다. 불활성 가스 배관(55)의 도중에는 불활성 가스 배관(55) 내를 흐르는 불활성 가스의 유량을 제어하는 불활성 가스 유량 제어기(매스 플로 컨트롤러)(56)가 형성된다. 이러한 불활성 가스 유량 제어기(56)는 실리콘 단결정 제조 장치(10) 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부(13)에 의해 유량이 설정된다. 또한, 불활성 가스 배관(55)의 도중에는 불활성 가스 유량 제어기(56) 이외에도 감압 밸브나 역류 방지 밸브 등이 적당히 설치되어 있을 수도 있다. 또한, 수소 함유 가스 유량 제어기(54)나 불활성 가스 유량 제어기(56)는 어느 하나만을 구비하여 수소 혼합 가스 내의 수소 농도를 조절하는 구성일 수도 있다.
수소 함유 가스 유량 제어기(54)를 경유한 수소 배관(53)과 불활성 가스 유량 제어기(56)를 경유한 불활성 가스 배관(55)은 배관 연결부(J)에 의해 서로 연결되며, 이 배관 연결부(J)보다 앞을 수소 혼합 가스 배관(57)으로 하여 수소 함유 가스와 불활성 가스가 서로 섞인 수소 혼합 가스가 흐른다. 수소 혼합 가스 배관(57)의 도중에는 수소 함유 가스와 불활성 가스를 혼합시켜 균일한 조성의 수소 혼합 가스를 얻기 위한 가스 혼합기(58)(가스 혼합 수단)가 설치되어 있다. 가스 혼합기(58)는 예컨대 수소 혼합 가스 배관(57)을 소용돌이 형태로 굴곡시킨 것으로 구성될 수 있으며, 이러한 소용돌이형 배관을 수소 함유 가스와 불활성 가스가 통과하는 과정에서 수소 함유 가스와 불활성 가스가 균일하게 혼합되어 균일한 조성의 수소 혼합 가스가 생성된다.
이러한 가스 혼합기(58)는 배관 연결부(J)부터 챔버(21)까지의 수소 혼합 가스 배관(57)의 거리가 짧을 때(예컨대 1m 이하 등의 설치 조건) 효과적이다. 한편, 수소 혼합 가스 배관(57)의 거리가 길 때에는 경로 도중에서 수소 함유 가스와 불활성 가스가 균일하게 섞이기 쉬우므로, 배관 연결부(J)에서부터 수소 혼합 가스 배관(57)에 이르는 경로를 가스 혼합 수단으로 할 수도 있다. 즉, 배관 연결부(J)에서 챔버(21)까지의 수소 혼합 가스 배관(57)의 거리가 1m 이상인 경우에는 적극적으로 가스 혼합기(58)를 설치하지 않는 것도 가능하다.
더욱이, 수소 혼합 가스 배관(57)의 도중에는 배압 밸브(59)가 형성되어 있을 수도 있다. 배압 밸브(59)는 감압 상태의 챔버(21)와 가압 상태의 수소 혼합 가스 배관(57)을 직접 연결하였을 때 발생하는 오버 피드(overfeed)라 불리는 현상, 즉 유량이 설정보다 과대하게 흐르는 현상을 방지한다. 또한, 수소 혼합 가스 배관(57)의 도중에는 이들 가스 혼합기(58)나 배압 밸브(59) 이외에도 수소 농도계(도시하지 않음) 등이 적당히 설치되어 있을 수도 있다.
수소 혼합 가스 배관(57)의 단부는 케이싱(41)에서 챔버(21) 내로 수소 혼합 가스를 도입하는 제1 도입부(36)나 챔버(21)의 상부에서 석영 도가니(23)의 근방으로 수소 혼합 가스를 도입하는 제2 도입부(37)로서 챔버(21)에 연결되어 있을 수 있다. 이러한 구성에 의해, 케이싱(41)에서 챔버(21) 쪽으로 수소 혼합 가스가 도입되고, 또한 석영 도가니(23)의 근방에서 챔버(21) 내로 수소 혼합 가스가 도입된다. 또한, 이러한 수소 혼합 가스 배관(57)의 단부는 복수 개의 실리콘 단결정 제조 장치의 챔버에 병렬로 배관되고, 하나의 수소 혼합 가스 공급 장치(12)에서 복수 개의 실리콘 단결정 제조 장치로 수소 혼합 가스가 공급될 수도 있다.
제어부(13)는 챔버(21)의 내압값(챔버 내압 검출 수단), 실리콘 단결정 잉곳(31)의 인상 속도(인상 속도 검출 수단), 인상한 실리콘 단결정 잉곳(31)의 결정 길이(결정 길이 검출 수단) 등의 데이터에 기초하여 미리 설정된 유량 제어 신호를 수소 함유 가스 유량 제어기(54)나 불활성 가스 유량 제어기(56)로 송출한다. 수소 함유 가스 유량 제어기(54)나 불활성 가스 유량 제어기(56)는 이러한 유량 제어 신호에 따라 수소 함유 가스나 불활성 가스의 유량을 제어한다.
이상과 같은 구성의 수소 혼합 가스 공급 장치(12)를 구비한 실리콘 단결정 제조 장치(10)는 수소 함유 가스 공급기(51)나 수소 배관(53) 등 도 1의 파선(A)으로 도시한 부분을 실외에 설치함으로써 고압의 수소 함유 가스를 포함하는 계통의 위험성을 저감할 수 있다.
다음, 이러한 구성의 실리콘 단결정 제조 장치(반도체 단결정 제조 장치)(10)에 대하여 수소 혼합 가스 공급 장치(12)에 의한 수소 혼합 가스 공급의 제어의 개요를 설명한다. 도 3은 본 발명의 실리콘 단결정 제조 장치에 의해 수소가 존재하는 분위기 하에서 인상한 실리콘 단결정 잉곳을 도시한 측면 평면도이다. 인상한 실리콘 단결정 잉곳(31)은 인상 방향(L)을 따라 네크부(N), 보디부(B), 테일부(T)로 대략적으로 나뉜다.
이들 각 부분의 특성에 따라 챔버에 공급하는 수소 혼합 가스의 수소 농도(수소 분압)를 변화시킨다.
먼저, 시드 결정을 실리콘 융액(반도체 융액)에 접촉시켜, 전위 결함 방지를 위하여 좁은 폭으로 일정 길이 인상한 후, 결정 지름을 미리 설정한 소정 폭까지 넓혀 가는 네크부(N)에서는, 도 1에 도시한 수소 함유 가스 유량 제어기(54)를 ON-OFF 제어함으로써 챔버(21)에 공급하는 가스 내의 수소 함유 가스분(hydrogen-containing gas component)을 없애거나 도입하는 제어를 행한다.
네크부(N)에서 수소 함유 가스분을 없애거나 도입하는 제어를 행함으로서 챔버(21) 등 인상 장치를 구성하는 부재로부터의 Fe 오염을 저감하거나, 미량의 수소 함유 가스의 존재에 의한 실리콘 융액면의 안정화(정류 작용), 또는 시드 결정을 실리콘 융액에 접촉시켰을 때의 열적 쇼크를 저감하는 등의 효과를 얻을 수 있다. 네크부(N)에서 수소 함유 가스분의 ON-OFF 제어함으로써 네크부(N)에 이어지는 보디부(B)의 결정 특성을 향상시킨다.
실리콘 단결정 잉곳(31)의 보디부(B)의 인상 과정에서는 제어부(13)로부터 송출되는 유량 제어 신호에 따라 수소 함유 가스 유량 제어기(54)가 수소 함유 가스의 유량을 변화시키고, 챔버에 공급하는 수소 혼합 가스의 수소 분압을 제어한다.
수소 분압(P(H2))은 다음 식으로 표시된다(불활성 가스를 Ar으로 하였을 때).
P(H2)=(인상 압력/대기압)×(H2 가스 유량/Ar+H2 혼합 가스 유량)(Pa)
제어 조건으로서 인상 속도(fp)에 의한 제어(인상 속도 검출 수단)는 H2 최적 수소 분압을 Z(Pa), 무결함 영역 생성 속도를 X(mm/min)라 하였을 때,
실적(측정값) fp＜X의 경우, 설정 수소 분압＞Z (P(H2)＞Z),
실적(측정값) fp=X의 경우, 설정 수소 분압=Z (P(H2)=Z),
실적(측정값) fp＞X의 경우, 설정 수소 분압＜Z (P(H2)＜Z)가 되도록 수소 분압을 제어한다.
또한, 제어 조건으로서 챔버 내압에 의한 제어(챔버 내압 검출 수단)는 챔버 내압에 변동이 있었을 때, 전술한 최적 수소 분압을 Z(Pa)가 일정하게 유지되도록 H2 가스 유량과 Ar 가스 유량을 각각 제어한다.
더욱이, 인상 결정 길이에 의한 제어(결정 길이 검출 수단)는 결정의 전체 길이를 100%라 하였을 때, 결정의 인상 선단으로부터의 결정의 길이의 비율(%)로 제어한다. H2 최적 수소 분압을 Z(Pa)라 하였을 때,
결정 선단부터 결정 길이 20%의 범위의 경우, 설정 수소 분압＞Z (P(H2)＞Z),
결정 길이 20 내지 30%의 범위의 경우, 설정 수소 분압＜Z (P(H2)＜Z),
결정 길이 30 내지 100%의 범위의 경우, 설정 수소 분압=Z (P(H2)=Z)가 되도록 수소 분압을 제어한다.
보디부(B)의 인상 시에 전술한 바와 같이 인상 속도, 챔버 내압, 인상 결정 길이의 각각의 값에 따라 수소 혼합 가스 내의 수소 분압을 제어함으로써 보디부(B)의 COP 결함 사이즈의 축소 효과, 전위 결함 형성의 억제 효과를 얻을 수 있고, 결함이 적은 양호한 실리콘 단결정 잉곳의 보디부를 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 참고로 챔버 내압 30(Torr)에서의 실리콘 단결정 인상시의 수소 혼합 가스 내의 수소 농도(%)와 수소 분압(Pa)과의 상관을 표 1에 개시해 두었다.
수소 농도(%) 수소 분압(Pa)
1 40
3 120
6 240
8 320
10 400
단결정 잉곳(31)의 테일부(T)의 형성 과정에서는 수소 함유 가스 유량 제어기(54)를 ON-OFF 제어함으로써 챔버(21)에 공급하는 가스 내의 수소 함유 가스분을 없애거나 도입하는 제어를 행한다. 이에 따라, DF(dislocation free) 끊김에 의한 전위의 복귀를 억제하여 - 즉, 테일 최하부를 융액으로부터 분리하였을 때의 열적 쇼크로 인한 전위 발생(유전위화)을 억제하고 유전위화로 인해 전위가 직동부를 향해 발생하는 것(전위의 복귀)을 억제하여 - 최적의 테일부를 형성한다.
또한, 이러한 수소 혼합 가스 내의 수소 농도의 최대 범위는 1 내지 8%에 들어가도록 제어된다. 수소 혼합 가스 내의 수소 농도를 1 내지 8%의 범위로 함으로써 가연성의 수소 가스의 연소 범위를 확실하게 회피할 수 있고, 수소를 포함하는 가스를 안전하게 챔버 내에 도입할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태의 수소 가스 제어의 예를 도 4에 기재한다.
도 4는 결정 길이와 수소 가스 제어 흐름과의 관계를 도시한 것이다. 먼저 인상을 시작함에 있어, 석영 도가니에 실리콘 원료를 투입하고, 단계 S1에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S2에 도시한 바와 같이, 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 융액을 형성한다. 실리콘 원료의 용융 중에도 단계 S3에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 S4에 도시한 바와 같이, 실리콘 원료의 용융을 완료한다. 이와 같이 실리콘 원료의 용융 단계에서 수소 공급을 제어함으로써 챔버나 히터 등의 부재로부터의 불순물 오염을 효과적으로 방지할 수 있다.
다음, 석영 도가니에 형성한 실리콘 융액에 시드 결정을 접촉시킨다. 시드 결정을 실리콘 융액에 접근시키는 단계에서, 단계 S5에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S6에 도시한 바와 같이, 실리콘 융액에 시드 결정을 접촉시킨다. 시드 결정을 접촉시켜 결정 성장을 시작시킨 직후에도, 단계 S7에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 S8에 도시한 바와 같이, 시드 결정에의 디핑을 완료한다. 이와 같이 시드 결정의 실리콘 융액에의 디핑 공정에서도 수소 공급을 제어함으로써 실리콘 융액에 대한 수소의 정류 작용으로, 이어지는 네크 형성 공정에서 전위 결함을 방지하여 무결함 상태를 만들어낼 수 있다는 효과를 얻는 것이 가능해진다.
계속하여 인상 시작시에, 단계 S9에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S10에 도시한 바와 같이 네크의 인상을 행한다. 네크의 인상 도중에도 단계 S11에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 S12에 도시한 바와 같이, 네크의 인상을 종료한다.
이 후, 단계 S13에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S14에 도시한 바와 같이, 숄더의 인상을 행한다. 숄더의 인상 도중에도, 단계 S15에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 16에 도시한 바와 같이 숄더의 인상을 종료한다.
이 후, 단계 S17에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S18에 도시한 바와 같이, 직동부의 인상을 행한다. 직동부의 인상 도중에도, 단계 S19에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 20에 도시한 바와 같이, 직동부의 인상을 종료한다.
이 후, 단계 S21에 도시한 바와 같이, 챔버 내에 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 이어서 그 상태에서, 단계 S22에 도시한 바와 같이, 테일의 인상을 행한다. 테일의 인상 도중에도, 단계 S23에 도시한 바와 같이, 수소 공급을 행할 것인지 여부를 제어하고, 단계 24에 도시한 바와 같이, 테일의 인상을 종료한다. 그리고 단결정의 인상을 종료한다. 이러한 제어를 행함으로써 전술한 바와 같은 단결정을 얻는 것이 가능해진다.
본 출원인은 본 발명의 작용 및 효과를 검증하였다. 검증함에 있어서는, 전술한 바와 같은 본 발명의 반도체 단결정 제조 장치를 이용하여 본 발명의 실시예 1, 2의 실리콘 결정 잉곳을 제조하였다. 실시예 1은 Grow-in 결함 및 전위를 갖지 않는 300mm 실리콘 결정을 제조할 수 있는 핫 존(hot zone)을 갖는 육성 장치를 이용하여 인상한 예이다. 융점부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.2℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.2℃/mm이고, Gc/Ge가 1.3인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치로 자기장 강도 3000G의 수평 자기장을 자기장 중심 높이가 융액 액면(liquid surface of melt)에 대하여 0mm가 되도록 공급하여 결정 육성을 실시하였다.
로 내에 공급하는 수소/Ar 혼합 가스는 H2 가스 배관을 로 바로 근방의 Ar 배관에 직접 연결하여 혼합시키고, 혼합 가스 교반기(스태틱 믹서, static mixer)를 통과시킨 후, 로 내에 공급하였다. 수소는 결정의 직동 부분만 공급하고, 수소 가스 유량을 3 내지 24L/min로 변화시키면서 결정을 육성하였다. 결정 길이 0mm 내지 200mm(블록 1)의 부위는 수소 분압을 40Pa, 결정 길이 200mm 내지 300mm(블록 2)의 부위는 수소 분압을 120Pa, 결정 길이 300mm 이후(블록 3)는 수소 분압을 240Pa로 하여 화로 내에 공급하여 샘플을 제조하였다.
실시예 2에서 수소 분압 제어 이외의 결정 육성 조건은 실시예 1과 동일하며, 결정 길이 0mm 내지 200mm(블록 1)의 부위는 수소 분압을 40Pa, 결정 길이 200mm 내지 300mm(블록 2)의 부위는 수소 농도를 320Pa, 결정 길이 300mm 이후(블록 3)는 수소 농도를 240Pa로 하여 화로 내에 공급하여 샘플을 제조하였다.
또한 비교예(종래예)로서 종래의 방법, 즉 결정 육성 중에는 수소 분압을 240Pa로 항상 일정하게 하여 인상한 결정에 의해 비교예의 샘플을 제조하였다.
이러한 본 발명의 실시예 1, 2의 샘플과 비교예의 샘플로부터 블록 1 내지 3을 꺼내어, 각각의 블록으로부터 인상축을 따라 세로로(수직으로) 쪼개고, 인상축 근방을 포함하는 판상 시편을 제작하고, Grown-in 결함의 분포를 관찰하기 위하여 Cu 데코레이션(decoration)을 행하였다. 먼저, 각각의 시편을 황산 구리(copper sulfate) 수용액에 침지한 후 자연 건조하고, 질소 분위기 중 900℃에서 20분 정도의 열처리를 실시하고, 시편 표층의 Cu 실리사이드층을 제거하기 위하여 HF/HNO3 혼합 용액 내에 침지하고, 표층 수십 마이크론을 식각 제거한 후, X선 토포그래피 법(x-ray topography)에 의해 OSF 링의 위치나 각종 결정 결함의 분포를 조사하였다. 또한, 이 슬라이스편의 COP의 밀도를 OPP법에 의해 계측하였다. 아울러 전위 클러스터의 밀도를 Secco 식각법에 의해 조사하였다. 이와 같이 하여 얻어진 결과를 바탕으로 제품 또는 모니터 웨이퍼로서 사용 가능한 결정 길이를 산출하고, 결정 전체 길이와의 비율을 검증하였다.
이러한 검증 결과를 표 2에 나타내었다.
블록 1 블록 2 블록 3 결정 수율
실시예 1 40 120 240 60%
실시에 2 40 320 240 75%
종래법 240 240 240 50%
표 2에 따르면, 본 발명의 실시예 1, 2에서 제조한 실리콘 단결정은 모두 비교예(종래예)에 비하여 결정의 수율이 대폭 향상되어 있다. 이러한 검증 결과로부터 본 발명의 효과가 확인되었다.
본 발명에 따르면, 반도체 단결정의 인상 환경의 변화에 대응하여 수소 혼합 가스 내의 수소 원자 농도를 용이하게 제어할 수 있고, 수소 혼합 가스를 저렴한 설비로 장기간에 걸쳐 연속적이고 안정적으로 공급할 수 있는 반도체 단결정 제조 장치를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 융액을 저류하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전 및/또는 승하강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수소 원자를 포함하는 수소 함유 가스 및 불활성 가스를 혼합한 수소 혼합 가스를 공급하는 수소 혼합 가스 공급 장치를 가지며,
    상기 수소 혼합 가스 공급 장치는, 수소 원자를 포함하는 수소 함유 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급기와, 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급기와, 상기 수소 함유 가스 공급기로부터 공급되는 수소 함유 가스의 유량을 제어하는 수소 함유 가스 유량 제어기와, 상기 불활성 가스 공급기로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 제어하는 불활성 가스 유량 제어기와, 상기 수소 함유 가스 유량 제어기 및 상기 불활성 가스 유량 제어기로부터 각각 유출된 수소 함유 가스와 불활성 가스를 균일하게 혼합하여 수소 혼합 가스를 생성하는 가스 혼합 수단을 구비하고,
    상기 챔버에서 검출되는 데이터에 기초하여 상기 수소 함유 가스 유량 제어기와 상기 불활성 가스 유량 제어기의 유량 제어를 위한 유량 제어 신호를 송출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 반도체 융액은 실리콘 융액이고, 상기 반도체 단결정은 실리콘 단결정인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 챔버 내의 압력을 검출하는 챔버 내압 검출 수단을 더 구비하며, 상기 챔버에서 검출되는 데이터인, 상기 챔버 내압 검출 수단에서 검출한 챔버 내의 압력의 값에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 반도체 융액으로부터 인상하는 상기 반도체 단결정의 인상 속도를 검출하는 인상 속도 검출 수단을 더 구비하며, 상기 챔버에서 검출되는 데이터인, 상기 반도체 단결정의 인상 속도의 값에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 반도체 융액으로부터 인상한 반도체 단결정의 결정 길이를 검출하는 결정 길이 검출 수단을 더 구비하며, 상기 챔버에서 검출되는 데이터인, 인상한 반도체 단결정의 결정 길이에 따라 상기 수소 함유 가스 유량 제어기의 수소 함유 가스 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스는 적어도 아르곤을 주성분으로 한 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 수소 함유 가스 공급기는 수소 원자를 포함하는 원료 가스를 정제하는 수소 함유 가스 정제 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스 공급기는 불활성 가스를 포함하는 원료 가스를 정제하는 불활성 가스 정제 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 수소 혼합 가스 공급 장치는 복수 개의 상기 챔버에 상기 수소 혼합 가스를 공급하는 복수 개의 수소 혼합 가스 공급 라인을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 챔버의 적어도 내면은 수소에 대한 내부식성을 갖는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 가스 혼합기는 배관을 소용돌이 형태로 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 챔버 내로 상기 수소 혼합가스를 도입하는 제 1 도입부와, 상기 챔버의 상부에서 상기 도가니 방향으로 연장되어, 상기 수소 혼합가스를 상기 도가니 근방으로 도입하는 제 2 도입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
KR1020077026335A 2005-06-20 2005-12-02 반도체 단결정 제조 장치 KR100912219B1 (ko)

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