KR100954291B1

KR100954291B1 - 고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR100954291B1
Application number: KR1020080006307A
Authority: KR
Inventors: 조현정; 홍영호; 이홍우; 강종민; 김대연
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2010-04-26
Also published as: EP2083098A1; KR20090080394A; US20090183670A1; JP2009173536A; CN101498032A; EP2083098B1

Abstract

본 발명은 고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법을 개시한다. 본발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 석영 도가니, 상기 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터, 상기 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단, 및 상기 상기 석영 도가니의 측벽 중 온도가 가장 높게 상승하는 영역에 대응하는 위치에 MGP(Maximum Gauss Plane)를 형성하고, 상기 MGP와 석영 도가니 측벽의 교차 지점에 3000 ~ 5500 가우스의 강자장을, 고액 계면 하부에는 1500 ~ 3000 가우스의 약자장을 인가하는 자기장 인가수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

수평 자기장, HMCZ, MGP, 무결함 인상속도 증가, 공정마진 확대

Description

고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법{Apparatus for manufacturing high-quality semiconductor single crystal ingot and Method using the same}

본 발명은 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함)법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 시 단결정의 반경 방향으로 크고 균일한 온도 구배를 구현하되, 특히 중심 영역의 온도 구배를 증가시킬 수 있는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

반도체 제조에 이용되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법으로서, 석영 도가니 내에 수용된 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키는 CZ법이 널리 이용되고 있다. CZ 법에서는 도가니 측면에 설치된 히터를 이용하여실리콘 융액을 가열하기 때문에 실리콘 융액 내에는 자연대류가 발생한다. 또한 베이컨시(Vacancy) 또는 인터스티셜(Self-Interstitial)에 기인하는 결함이 없는 고품질의 실리콘 단결정을 얻기 위하여 단결정 또는 석영 도가니의 회전 속도를 조정하므로, 실리콘 융액 내에는 상기 회전 속도 조절에 의한 강제 대류도 발생하게 된다. 이러한 실리콘 융액 의 자연대류와 강제대류는 수평 자기장을 이용하여 제어할 수 있다고 알려져 있다.

실리콘 융액에 수평 자기장을 인가하는 방법은HMCZ(Horizontal Magnetic field CZochralski)법으로 명명된다. 통상적인 HMCZ법에서는 자기장의 수직 성분이 실질적으로 0에 가깝고 수직 방향을 기준으로 자기장의 집속 밀도(flux density)가 최대인 MGP(Maximum Gauss Plane)를 실리콘 융액의 표면 부근에 위치하도록 자기장을 형성한다. 이러한 자기장은 실리콘 단결정의 중심 축에서 자기장의 수직 성분이 0이 되는 특징이 있다. 수평 자기장을 이용한 HMCZ법은 상하 방향의 융액 대류를 억제하는데 초점이 맞추어져 있으며, 실리콘 단결정을 용이하게 성장시킬 수 있는 이점이 있다.

한편 최근 고집적화 된 반도체 소자를 제조할 때에는, 실리콘 웨이퍼 중에 혼입된 격자간 산소원자(interstitial oxygen)가 다양한 방식으로 이용되고 있다. 예를 들어, 격자간 산소원자는 디바이스 제조 과정에서 발생하는 열 응력에 견딜 수 있도록 실리콘 웨이퍼의 기계적강도를 향상시키며, 격자간 산소원자의 석출로 형성된 미소 결함은 디바이스 제조 과정에서 중금속 불순물의 게터링 사이트로 작용한다.

그런데 통상적인 HMCZ법은 단결정 잉곳을 용이하게 성장시킬 수 있다는 장점이 있지만, 잉곳의 축 방향과 반경 방향을 따라 격자간 산소농도의 미소한 변동이 유발되어 잉곳의제조 수율이 저하되는 문제가 발생한다. 실리콘 융액의 비대칭적 대류 분포로 인해 실리콘 융액 표면의 고온부 및 저온부 위치가 변동되면서 실리콘 고액 계면의 산소 농도 분포가 일정하게 유지되지 못하기 때문이다. 여기서, 고온 부와 저온부는 융액 표면 중 상대적으로 온도가 높거나 낮은 영역을 의미한다.

위와 같은 문제를 해결하기 위해, 한국공개특허 제2001-34851호는 실리콘 고액 계면 중심에서 자기장의 수직/수평 성분비가 0.3 ~ 0.5가 되도록 실리콘 융액에 수평 자기장을 인가하여 고액 계면에 일정 산소 농도를 갖는 고온부 또는 저온부만이 지속적으로 유지되도록 함으로써 단결정의 축방향과 반경 방향에서 산소 농도의 균일성을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 제조방법을 개시하고 있다.

하지만 실리콘 단결정을 성장시킬 때에는 단결정과 석영 도가니의 회전에 의해 비선형적인 강제 대류가 발생되므로, 수평 자기장의 수직/수평 성분비를 일정한 범위 내로 조절하는 것만으로는 단결정 성장 공정 전체에 걸쳐 실리콘 융액 표면의 고온부 또는 저온부 위치를 고정시킬 수 없다. 즉 단순히 수평 자기장의 수직/수평 성분비를 조절하는 것만으로는 고온부와 저온부가 융합되는 현상이나 고온부와 저온부의 위치가 변경되는 현상을 원천적으로 방지할 수 없는 것이다.

또한 34851은 실리콘 단결정의 축방향 또는 반경 방향에서 산소 농도의 편차를 감소시키는 방법에 대해서는 상세하게 기술하고 있지만, 결정 결함이 억제된 고품질의 실리콘 단결정을 빠른 속도로 성장시키는 것과 관련해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 수평 자기장의 분포와 자기력선의 밀도를 제어하여 고품질의 반도체 단결정을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 수평 자기장의 분포와 자기력선의 밀도를 제어하여 히터로부터 고액 계면으로 유입되는 열류의 흐름을 최대화하여 고액 계면 중심부의 온도 구배를 증대시킴으로써 무결함 단결정 인상속도를 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수평 자기장의 분포와 자기력선의 밀도를 제어하여 무결함 인상속도에 대한 공정 마진을 확대할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 석영 도가니, 상기 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터, 상기 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단, 및 상기 석영 도가니의 측벽 중 온도가 가장 높게 상승하는 영역에 대응하는 위치에 MGP(Maximum Gauss Plane)를 형성하고, 상기 MGP와 석영 도가니 측벽의 교차 지점에 3000 ~ 5500 가우스의 강자장을, 고액 계면 하부에는 1500 ~ 3000 가우스의 약자장을 인가하는 자기장 인가수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 방법은, 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 반도체 단결정을 인상하는 CZ법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 방법으로서, 반도체 단결정 잉곳의 성장 중에 상기 반도체 융액에 수평 자기장을 인가하되, 상기 석영 도가니의 측벽 중 온도가 가장 높게 상승하는 영역에 대응하는 위치에 MGP(Maximum Gauss Plane)를 형성하고, 상기 MGP와 석영 도가니 측벽의 교차 지점에 3000 ~ 5500 가우스의 강자장을, 고액 계면 하부에는 1500 ~ 3000 가우스의 약자장을 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 인가수단은 석영 도가니 주위에 상호 대향하도록 배치된 적어도 하나 이상의 코일 쌍을 포함한다. 상기 자기장 인가수단에 포함된 각 코일에 인가하는 전류의 방향은 상술한 자기장 형성 조건을 충족하도록 전자기학 법칙에 의해 결정한다.

상기 수평 자기장은 자기장 인가수단에 포함된 코일의 반경, 위치, 전류의 방향과 세기, 코일의 형상 등을 제어하여 형성할 수 있다.

상기 MGP 교차 지점은 히터로부터 발생되는 열에 의해 가장 높은 온도로 가 열되는 석영 도가니의 측벽 영역과 대략 일치한다. 이에 따라, 상기 MGP 교차 지점에 강자장이 형성되면 고액 계면 하부로 공급되는 열류의 량이 증가한다. 또한, 상기 고액 계면 하부에 약자장이 형성되면 히터로부터 공급되는 열류가 고액 계면 측으로 원활하게 공급됨으로써 고액 계면의 온도 구배, 특히 고액 계면 중심부의 온도 구배를 증가시킨다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 히터로부터 발산되는 열을 단결정 성장이 이루어지는 고액 계면 하부로 효과적으로 전달시킴으로써 무결함 단결정 인상속도를 개선할 수 있다. 그 결과, 무결함 반도체 단결정 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고액 계면의 온도 구배를 개선할 수 있으므로 단결정 엣지부의 온도 구배를 조절할 수 있는 멜트-갭을 동시에 제어함으로써 무결함 인상속도에 대한 공정 마진을 확대할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 히터로부터 발산되는 열이 결정성장이 이루어지는 고액계면 하부로 원활히 전달되므로 종래보다 히터의 발열 파워(Heating Power)를 낮춰 에너지를 절감할 수도 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치의 개략적인 구성을 나타낸 장치 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 고온으로 용융된 반도체 융액(M)이 수용되는 석영 도가니(10); 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 석영 도가니(10)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(20); 상기 도가니 하우징(20) 하단에 설치되어 하우징(20)과 함께 도가니(10)를 회전시키는 도가니 회전수단(30); 상기 도가니 하우징(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 도가니(10)를 가열하는 히터(40); 상기 히터(40)의 외곽에 설치되어 히터(40)로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 종자결정을 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 반도체 융액(M)으로부터 단결정 잉곳을 인상하는 단결정 인상수단(60); 및 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정 잉곳의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정 잉곳으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70);을 포함한다.

상술한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 CZ법을 이용한 반도체 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세 한 설명은 생략하기로 한다. 상기 반도체 융액(M)은 다결정 실리콘을 용융시킨 실리콘 융액일 수 있는데, 본 발명은 반도체 융액의 종류에 의해 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 CZ법에 의해 성장시킬 수 있다고 알려진 어떠한 종류의 반도체 단결정 성장에도 적용이 가능하다.

본 발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 상술한 구성요소에 더하여 석영 도가니(10)에 수평 자기장을 인가하는 자기장 인가수단(80)을 더 포함한다. 여기서, 수평 자기장이라 함은 단결정 잉곳의 중심 축을 통과하는 자기장의 수직 성분이 실질적으로 0인 자기장을 의미한다.

도 1에서, 자기력 선의 분포와 방향은 화살표로 표시하였는데, 자기력 선의 밀도가 큰 지점일수록 자기장의 세기가 크다. 또한, 수평 자기장은 MGP(Maximum Gauss Plane)를 갖는데, MGP는 자기장의 수직 성분이 실질적으로 0이고, 수직 방향을 기준으로 자기력선의 밀도가 최대인 점들을 모아 놓은 면을 말한다.

상기 자기장 인가수단(80)은 석영 도가니(10)를 기준으로 점 대칭으로 배치된 2n(n은 1 이상의 정수)개의 코일을 포함한다. 상기 코일은 대략 환형의 모양을 가지며, 코일 면의 법선이 단열수단(50)의 외벽과 수직을 이루도록 배치된다. 일 예로, 상기 자기장 인가수단(80)은 도 2a에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10) 주위에 상호 대향하도록 배치된 2개의 코일로 구성될 수도 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10) 주위에 점 대칭에 의해 상호 대향하도록 배치된 4개의 코일로 구성될 수도 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 각 코일에 인가하는 전류의 방향은 코일 중심에서 화살표 방향으로 자기장이 형성되도록 결정한다. 도면에서, 전류 의 방향은 × 기호와 ⊙ 기호로 표시하였다. × 기호는 지면으로 들어가는 전류의 방향을, ⊙ 기호는 지면으로부터 나오는 전류의 방향을 나타낸다.

바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 반도체 단결정의 성장이 이루어지는 고액 계면의 하부에는 약자장을 형성하고, MGP와 석영 도가니(10)의 측벽이 교차하는 지점(이하, MGP 교차 지점이라 함)에는 강자장을 형성한다. 여기서, 고액 계면의 하부는 고액 계면의 직 하부를 의미한다. 그리고, 약자장은 1500 ~ 3000 가우스 정도의 세기를 갖는 자기장을 의미하고, 강자장은 3000 ~ 5500 가우스 정도의 세기를 갖는 자기장을 의미한다. 이러한 자기장의 세기 조건은 고액 계면 중심부의 온도 구배를 상승시키기 위한 목적에서 선택된 것이다. 여기서, 온도 구배는 특별한 언급이 없는 한 고액 계면에서 단결정 방향으로의 수직 온도 구배를 의미한다. 한편, 상기 MGP는 고액 계면 중심을 기준으로 측정한 반도체 융액(M)의 표면 높이 ML(Melt Level)를 기준으로 ML-100 ~ ML-350mm 위치에 MGP(Maximum Gauss Plane)를 위치시키는 것이 바람직하다. 상기 MGP의 위치 조건은 히터(40)로부터 고액 계면 측으로 공급되는 열류의 량을 최대한으로 증가시키기 위한 목적에서 선택된 것이다. 상기 MGP의 높이는 석영 도가니(10)의 측벽중 히터(40)로부터 발생되는 열에 의해 온도가 가장 높게 상승하는 영역과 대략 일치한다. 히터와 인접한 도가니 측벽의 고온 실리콘 융액은 강자장에 의해 자연대류가 억제되고 수평 자기력선을 따라서 고액계면 하부로의 흐름이 촉진된다. 고온 실리콘 융액의 물질 전달에 의해 고액계면 하부로의 전달된 열은 약자장 영역에서는 고액계면 측으로 원활하게 수직 전달될 수 있다.

상기와 같은 수평 자기장은 코일의 위치, 코일에 인가하는 전류의 방향, 코일로부터 발생되는 자기장의 세기 등을 조절하여 형성할 수 있다. 대안적으로, 코일의 크기, 즉 코일의 반경을 조절하여 고액 계면 하부와 MGP 교차 지점에 약자장과 강자장을 형성할 수 있다. 즉, 코일의 반경을 감소시키면 MGP 교차 지점의 자기장은 강화되고 고액 계면 하부의 자기장은 약화된다. 또 다른 대안으로, 환형의 모양을 갖는 코일의 형상을 변경하여 고액 계면 하부와 MGP 교차 지점에 약자장과 강자장을 형성할 수 있다. 일 예로, 코일의 상부를 하부에 비해 굴곡도(Curvature)를 감소시킴으로써 코일의 형상을 변형시키면 고액 계면 하부의 자기장은 약화되고 MGP 교차 지점의 자기장은 강화된다. 또 다른 대안으로, 코일의 상부에서 발생되는 자기장을 차폐하여 고액 계면 하부와 MGP 교차 지점에 약자장과 강자장을 형성할 수 있다. 상술한 각 자기장 형성 방법은 2개 이상 조합되어 사용될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 발명에 따라 수평 자기장이 반도체 융액(M)에 인가되면, 히터(40)로부터 고액 계면 측으로 향하는 열류의 량이 증대된다. MGP 교차 지점에 강자장이 형성되면 온도가 가장 높은 석영 도가니(10) 부분에서 반도체 융액(M)의 대류가 억제되어 고액 계면 하부로 전달되는 열의 량이 증가하기 때문이다. 또한 고액 계면 하부에는 약자장이 형성되므로 히터(40)로부터 열류에 의해 전달된 열이 고액 계면 측으로 원활하게 전달된다. 이에 따라, 고액 계면의 온도 구배, 특히 고액 계면 중심부의 온도 구배가 증가되므로, 무결함 단결정의 인상속도를 향상시킬 수 있다.

한편, 반도체 단결정 성장과 관련된 보론코프 이론에 따르면, 무결함의 반도 체 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 인상속도에 대한 공정 마진은 고액 계면에서 반경 방향으로의 온도 구배 편차와 밀접한 관련이 있다. 즉, 고액 계면 중심부와 엣지부의 온도 구배 편차가 작을수록 인상속도에 대한 공정마진이 증가한다. 본 발명은 수평 자기장을 이용하여 온도 구배를 제어하기 어려운 고액 계면 중심부의 온도 구배를 증가시킬 수 있으므로, 열실드 수단(70)과 반도체 융액(M)과의 간극인 멜트-갭(melt-gap) 등을 제어하여 고액 계면 엣지부의 온도 구배를 제어하면 고액 계면에서 반경 방향의 온도 구배 편차를 감소시켜 인상속도에 대한 공정 마진을 용이하게 확대할 수 있다.

그러면, 이하에서는 상술한 본 발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 과정을 개략적으로 설명한다.

먼저, 제조하고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제원에 맞도록 석영 도가니(10)에 다결정 실리콘을 투입한다. 그런 다음, 히터(40)를 가동시켜 다결정 실리콘을 용융시킨다. 다결정 실리콘의 용융이 완료되면, 회전수단(30)을 이용하여 석영 도가니(10)를 일정한 방향으로 회전시킨다. 그런 다음, 일정 시간이 경과하여 실리콘 융액(M)의 대류가 안정화되면, 인상수단(60)을 제어하여 종자결정을 실리콘 융액(M)에 침지시키고 서서히 회전시키면서 종자결정을 상부로 인상하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다. 성장 초기에는 종자결정의 인상속도를 조절하여 소망하는 지름이 얻어질 때까지 잉곳의 숄더를 형성하며, 숄더의 형성이 완료되면 무결함 인상속도로 잉곳의 바디부를 성장시킨다. 바디부의 성장이 완료되면, 인상속도를 점점 빠르게 하여 잉곳의 지름을 서서히 감소시키면서 잉곳의 하부 끝단을 실리콘 융 액(M)으로부터 이탈시킴으로써 잉곳 성장을 완료한다.

잉곳의 성장이 이루어지는 동안, 실리콘 융액(M)에는 자기장 인가수단(80)을 이용하여 수평 자기장을 인가한다. 수평 자기장은 고액 계면 하부에는 약자장을, MGP 교차 지점에는 강자장을 형성한다. 이러한 조건으로 수평 자기장을 인가하면, 히터(40)로부터 고액 계면 하부로 공급되는 열류의 량을 증대시킴으로써 고액 계면의 온도 구배, 특히 고액 계면 중심부의 온도 구배를 증대시킬 수 있다. 또한, 수평 자기장의 인가와 동시에, 열실드 수단(70)과 실리콘 융액(M) 간의 멜트-갭을 제어하여 고액 계면 엣지부의 온도 구배를 상승시켜 고액 계면 중심부의 온도 구배와 의 편차를 제거한다. 이로써, 고액 계면의 온도 구배가 증가하여 무결함 인상속도가 증가하며, 고액 계면 중심부와 엣지부의 온도 구배 편차가 감소하여 그 만큼 무결함 인상속도의 공정 마진이 확대된다.

<실험 예>

이하에서는 실험 예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 이하의 실험 예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 목적에서 기술하는 것이며, 본 발명이 실험 예에 기재된 용어나 실험 조건 등에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

비교예1

핫-존(hot zone)을 최적화하고 무결함 인상속도 마진을 얻을 수 있도록 멜트-갭을 40mm로 설정한 상태에서 인상속도를 변화시키면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰다. 인상속도는 잉곳 성장 초반부로부터 후반부로 갈수록 서서히 감소시켰 다. 잉곳 성장 시에는 수평 자기장을 인가하여 고액 계면 하부와 MGP 교차 지점에 각각 3300 및 4000 가우스의 자기장을 형성하였다. 수평 자기장은 도 2a에 도시된 바와 같이 2개의 코일을 배치하여 형성하였다. 도 3은 비교예1에 따라 형성된 수평 자기장의 자기력선 분포와 방향을 나타낸다. 도면을 통하여, MGP 교차 지점뿐만 아니라 고액 계면 하부에도 자기력선의 밀도가 조밀하여 강자장이 형성됨을 알 수 있다.

잉곳 성장이 완료되면, 잉곳을 축 방향으로 절단하여 수직 샘플링 검사를 수행하였다. 도 6은 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따른 결함 분포와 영역 별 무결함 인상속도를 표시한 도면이다. 도면에서, Void는 베이컨시로부터 유래하는 결정 결함을, OiSF(Oxide induced stacking fault)는 산화열처리를 시행할 경우 적층결함이 발생하는 영역을, LDP(Large Dislocation Fault)는 인터스티셜이 응집되어 발생하는 결정 결함을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 잉곳 중심부와 엣지부의 무결함 인상속도는 0.47mm/min이고, 무결함 인상속도에 대한 공정마진은 0.02mm/min임을 알 수 있다.

비교예2

멜트-갭을 10mm 감소시킨 점을 제외하고 비교예1과 동일한 조건으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 후 수직 샘플링 검사를 수행하였다. 도 7은 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따른 결함 분포와 영역 별 무결함 인상속도를 표시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 잉곳 중심부의 무결함 인상속도는 0.49mm/min인데 반해 잉곳 엣지부의 무결함 인상속도는 0.52mm/min로서, 무결함 인상속도에 대한 공정마진은 확보할 수 없었다.

실시예1

비교예1에서 사용된 코일의 반경을 70% 감소시켰고. 멜트-갭은 40mm로 설정하였다. 도 4는 실시예1에서 사용된 코일에 의해 형성되는 수평 자기장의 자기력선 분포와 방향을 나타낸다. 코일의 반경이 감소됨으로써 코일과 근접하게 위치한 MGP 교차 지점에는 자기력선의 밀도가 커져 강자장이, 코일로부터 먼 고액계면 하부에는 자기력선의 밀도가 감소되어 약자장이 형성됨을 알 수 있다. 고액 계면 하부에 형성되는 자기장은 2300 가우스, MGP 교차 지점의 자기장은 3700 가우스의 크기를 갖는다. 실시예1에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면은 생략함), 단결정 중심부의 무결함 인상속도는 0.53mm/min, 단결정 엣지부의 무결함 인상속도는 0.53mm이고, 무결함 인상속도의 공정마진은 0.025mm/min임을 확인하였다.

실시예2

도 2a에 도시된 바와 같이 2개의 코일을 배치하되 코일 상부를 평평하게 하여 수평 자기장을 형성하였고, 멜트-갭은 38mm로 설정하였다. 도 5는 실시예2에 따라 형성되는 수평 자기장의 자기력선 분포와 방향을 도시한다. 코일 중심축과 코일 하부는 자기력선의 밀도가 증가하므로 MGP 교차 지점에는 강자장이 형성되는 반면, 고액 계면 하부는 자기력선의 밀도가 감소되어 약자장이 형성된다. 수평 자기장 인가로 인해 고액 계면 하부에는 2400 가우스의 약자장이, MGP 교차 지점에는 3250 가우스의 강자장이 형성된다. 실시예2에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면 생략함), 단결정 중심부의 무결함 인상속도는 0.545mm/min, 단결정 엣지부의 무결함 인상속도는 0.545mm이고, 무결함 인상속도의 공정마진은 0.025mm/min임을 확인하였다.

실시예3

도 2b에 도시된 바와 같이 4개의 코일을 배치하여 수평 자기장을 형성하였고, 멜트-갭은 실시예1과 동일하게 설정하였다. 수평 자기장 인가로 인해 고액 계면 하부에는 2500 가우스의 약자장이, MGP 교차 지점에는 3500 가우스의 강자장이 형성된다. 실시예3에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면은 생략함), 단결정 중심부의 무결함 인상속도는 0.535mm/min, 단결정 엣지부의 무결함 인상속도는 0.53mm이고, 무결함 인상속도의 공정마진은 0.023mm/min임을 확인하였다.

다음 표는 비교예1~2와 실시예1~3에서 얻은 측정 결과를 정리한 것이다.

	Melt-Gap (mm)	자장세기 (상대적 강/중/약)			중심부 V* (mm/min)	에지부 V* (mm/min)	ΔV (mm/min)
	Melt-Gap (mm)	고액 계면 하부	MGP 교차지점	도가니 바닥	중심부 V* (mm/min)	에지부 V* (mm/min)	ΔV (mm/min)
비교예 1	50	강	강	강	0.47	0.47	0.02
비교예 2	40	강	강	강	0.49	0.52	없음
실시예 1	40	약	강	중	0.53	0.53	0.025
실시예 2	38	약	강	강	0.545	0.545	0.025
실시예 3	40	약	강	약	0.535	0.530	0.023

상기 표를 참조하면, CZ법에 의한 단결정 인상 시 고액 계면 하부와 MGP 교차 지점에 각각 약자장과 강자장을 형성할 수 있는 수평 자기장을 인가함으로써 무결함 단결정 인상속도를 증가시킬 수 있고, 나아가 무결함 인상속도에 대한 공정 마진을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

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 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 자기장 인가 수단에 포함되는 코일의 배치 구조를 예시한 도면들이다.

도 3은 비교예1 및 2에 따라 형성되는 수평 자기장의 자기력선분포와 방향을 나타낸 도면이다.

도 4는 실시예1에 따라 형성되는 수평 자기장의 자기력선 분포와 방향을 나타낸 도면이다.

도 5는 실시예3에 따라 형성되는 수평 자기장의 자기력선 분포와 방향을 나타낸 도면이다.

도 6은 비교예1에 따라 성장시킨 잉곳에 대한 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따른 결함 분포와 영역 별 무결함 인상속도를 표시한 도면이다.

도 7은 비교예2에 따라 성장시킨 잉곳에 대한 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따른 결함 분포와 영역 별 무결함 인상속도를 표시한 도면이다.

<도면의 주요 참조 번호>

석영 도가니: 10 도가니 하우징: 20

도가니 회전수단: 30 히터: 40

단열수단: 50 단결정 인상수단: 60

열실드 수단: 70 자기장 인가수단: 80

MGP: Maximum Gauss Plane

Claims

반도체 융액을 수용하는 석영 도가니;

상기 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터;

상기 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단; 및

상기 석영 도가니의 측벽 중 온도가 가장 높게 상승하는 영역에 대응하는 위치에 MGP(Maximum Gauss Plane)를 형성하고, 상기 MGP와 석영 도가니 측벽의 교차 지점(MGP 교차 지점이라 함)에 3000 ~ 5500 가우스의 강자장을, 고액 계면 하부에는 1500 ~ 3000 가우스의 약자장을 인가하는 자기장 인가수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
제1항에 있어서,

상기 자기장 인가수단은 수평 자기장을 상기 석영 도가니에 인가할 수 있도록 상기 석영 도가니 주변에 상호 대향하도록 설치된 코일 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
제1항에 있어서,

상기 자기장 인가수단은 수평 자기장을 상기 석영 도가니에 인가할 수 있도록 상기 석영 도가니 주변에 상호 대향하도록 설치된 복수의 코일 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 코일 쌍을 구성하는 각 코일은 상부가 평평한 환형의 코일임을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 수평 자기장은 상기 코일 쌍을 구성하는 각 코일의 크기, 위치, 또는 코일에 인가하는 전류의 방향과 크기를 조절하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
제1항에 있어서,

상기 MGP 교차 지점은 상기 히터에서 공급되는 열에 의해 가장 높은 온도로 가열되는 석영 도가니의 위치와 일치하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 장치.
석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 반도체 단결정을 인상하는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 방법으로서,

반도체 단결정 잉곳의 성장 중에 상기 반도체 융액에 수평 자기장을 인가하되, 상기 석영 도가니의 측벽 중 온도가 가장 높게 상승하는 영역에 대응하는 위치에 MGP를 형성하고, 상기 MGP와 석영 도가니 측벽의 교차 지점(MGP 교차 지점이라 함)에 3000 ~ 5500 가우스의 강자장을, 고액 계면 하부에는 1500 ~ 3000 가우스의 약자장을 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 성장 중인 반도체 단결정 잉곳의 둘레에 열실드 수단을 제공하여 고액계면의 엣지부로부터 발산되는 열을 차폐하고, 열실드 수단과 반도체 융액 사이의 갭을 조절하여 고액 계면 엣지부의 온도 구배를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 방법.
제8항에 있어서,

상기 고액 계면 엣지부의 온도 구배는 상기 고액 계면 중심부의 온도 구배와 동일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 수평 자기장은 상기 석영 도가니 주위에 코일 쌍을 대향되게 배치하고,

상기 코일 쌍에 포함된 각 코일의 크기, 위치, 형상 또는 코일에 인가되는 전류의 방향과 크기를 조절하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳 제조 방법.