KR100958523B1 - 무결함 영역 마진이 확대된 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 초크랄스키법에 의해 도가니에 담긴 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 인상시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법으로서, 실리콘 융액 표면과 갭을 가지고 이격되어 배치되어 상기 도가니 외곽에 배치된 히터와 실리콘 융액으로부터의 복사열을 차단하는 상부 열차폐부재를, 실리콘 단결정 잉곳의 주변부 온도구배를 상승시키는 방향으로 조절함으로써 상부 열공간을 최적화하고, 동시에, 상부 열차폐부재의 조절에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 중심부 온도구배의 변화를 보상하도록 상기 히터의 최대 발열부와 실리콘 융액 표면 간의 거리를 조절함으로써 하부 열공간을 최적화하여, 무결함 영역으로의 인상속도 마진을 확보하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 대구경, 대용량화하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 상호 모순되는 거동을 보이는 G값과 ΔG값을 상호 보완함으로써, 고품질의 실리콘 단결정 잉곳의 무결함 영역으로의 인상속도 마진을 확보하여 대구경 잉곳을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

실리콘 단결정 잉곳, 무결함 영역, 인상속도 마진, G값, ΔG값, 상부 열공간, 하부 열공간

Description

무결함 영역 마진이 확대된 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법{Manufacturing Method for Silicon Single Crystalline Ingot with Enhanced Margin of Perfect Region}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 단결정 잉곳의 제조시 무결함 영역의 마진을 확대하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 높은 효율로 제조할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 일반적으로 초크랄스키법(Czochralski Method)에 의해 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing) 및 연마하여 제조한다.

한편, 보론코프(Voronkov) 이론에 따르면, 잉곳은 인상속도 V와 고액계면 근방의 온도구배 G에 대하여, V/G의 소정 임계치 이상으로 인상할 때(고속 인상)에는 공공(void) 기인의 결함이 존재하는 V(vacancy rich) 영역으로, 또 V/G의 임계치 이하로 인상할 때(저속 인상)에는 OSF(Oxidation Induced Stacking Fault) 영역으로 성장되며, 더욱 저속으로 인상하면 격자간 실리콘이 집합한 전위 루프 기인의 I(interstitial rich) 영역으로 성장된다. 이러한 V 영역과 I 영역의 사이에는 베 이컨시 우세(vacancy rich)도 인터스티셜 우세(interstitial rich)도 아닌 무결함 영역이 존재한다. 이 무결함 영역은 다시 잔류 베이컨시(residual vacancy)성 무결함 영역(Pv 영역)과 잔류 인터스티셜(residual interstitial)성 무결함 영역(Pi 영역)으로 구분된다. 이를 정리하여 도시하면 도 1과 같다.

반도체 소자의 선폭이 점차 축소되고 고집적화 되기 위해서는 단결정 잉곳의 성장 중에 발생하는 결정 결함의 제어가 매우 중요하고, 가능하면 무결함 영역으로 잉곳을 성장시키는 것이 좋다. 따라서, 잉곳을 무결함 영역으로 인상하기 위한 마진을 넓히는 것이 실리콘 단결정 잉곳의 생산성과 웨이퍼의 수율을 높이는 데에 있어서 매우 중요하다.

한편, 반도체 소자의 고집적화와 더불어, 웨이퍼(잉곳)의 대구경화(예컨대, 12인치 이상)가 진행되고 있다. 한 번의 성장으로 대구경의 잉곳을 높은 생산성을 가지고 제조하기 위해서는 도가니에 충전되는 실리콘 고체원료의 양이 증가되어야 한다(예컨대 300kg 이상 500kg까지). 그런데, 이렇게 한 번에 충전되는 고체원료의 양이 증가하고 그에 따라 실리콘 융액의 양이 증가하면 실리콘 융액의 대류 제어가 매우 어렵게 된다. 또한, 잉곳의 직경이 증가함에 따라 반경방향 온도구배 ΔG를 균일하게 제어하는 것이 매우 어려워진다. 도 2는 이렇게 대구경화(12인치), 대용량화(400kg 충전)한 경우 전술한 도 1에 대응되는 도면으로, OSF 영역이 도 1과는 달리 잉곳의 반경방향 바깥으로 갈수록 아래쪽으로 돌출되어(A 참조) 무결함 영역으로의 인상속도 마진이 0.01mm/min 이하로 대폭 감소된 것을 알 수 있다.

정리하면, 무결함 대구경 잉곳을 높은 생산성으로 제조하기 위해서는 G값을 증가시키고, ΔG값을 감소시켜야 한다. 이 G값과 ΔG값을 제어하기 위하여 종래부터 다양한 방안이 제시되었다.

예를 들어, 일본 특허공개 제2006-69803호는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 열차폐부재(heat shield)를 단열 커버(51)와 팽출부(41)로 나누어 단열 커버(51)의 위치를 상하로 조절가능하게 한 구성을 제안하였다. 이렇게 함으로써, 요구되는 다양한 품질 사양에 따라 잉곳의 냉각 열이력을 제어하고자 하였다. 그러나, 이 선행기술에 의하면 요구되는 다양한 품질 사양에 따른 잉곳을 제공할 수 있을지는 모르지만, G값의 향상과 ΔG값의 개선이라는 두 가지 과제를 동시에 해결할 수는 없다. 즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 단열 커버(51)와 팽출부(41)를 이격시킨 경우에는 G값은 향상되지만 ΔG값은 악화되고, 또한 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 단열 커버(51)와 팽출부(41)를 붙이면 ΔG값은 개선되지만 G값은 떨어지게 된다.

또한, 상부 열차폐부재의 형상과 구조를 변경하거나, 융액 표면과 상부 열차폐부재 간의 거리인 멜트 갭, 또는 잉곳 상부에서 공급되는 냉각 가스인 Ar 등의 불활성 가스의 유량을 조절함으로써 G값과 ΔG값을 제어하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 방법은 기본적으로 상부 열공간(hot zone)의 최적화에 그쳐 인상속도 향상이나 무결함 영역 마진 확보에는 한계를 가질 수밖에 없다.

이밖에 대용량 융액의 대류 제어를 위해 자기장을 인가하거나 시드(잉곳) 회전속도와 도가니 회전속도의 비를 최적화하려는 시도도 있었다. 그러나, 이러한 파라미터들의 최적화에 의한 효과는 미미하고, 자기장의 인가는 오히려 G값을 떨어뜨 리거나 ΔG값의 개선에는 한계가 있다.

이상과 같이, G값과 ΔG값을 개선하기 위한 종래 방법의 대부분은 상부 열공간의 최적화에 초점이 맞춰져 있다. 즉, G값은 결정측의 G값인 Gs와 융액측의 G값인 Gl로 구분할 수 있는데, 대부분의 종래의 방법은 Gs값만을 고려한 상부 열공간의 설계에 주안점을 두었기 때문에 고액계면에서의 V/G를 고려했을 때 인상속도의 향상 및 무결함 영역 마진의 확보에는 한계를 가질 수밖에 없다. 또한, 실제 단결정 잉곳의 성장 개시부터 종료시까지는 고화에 따른 융액 잔량의 변화로 고화 잠열, Gs값 및 Gl값의 변화가 수반되어 열평형의 균형이 변하게 되고 열전달 경로가 바뀌는 등 잉곳 길이방향에 따른 G값과 ΔG값의 균일도 유지에도 한계가 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대구경, 대용량의 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 충분한 무결함 영역 마진을 확보하고 높은 생산성으로 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상부 열공간 뿐만 아니라 하부 열공간을 동시에 최적화함으로써, 결정측 G값(Gs) 및 융액측 G값(Gl)을 동시에 향상시키고, 또한 잉곳 중심부와 주변부의 온도구배 균일도(ΔG)를 개선한다.

즉, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 초크랄스키법에 의해 도가니에 담긴 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 인상시키는 실리콘 단결 정 잉곳의 제조방법으로서, 실리콘 융액 표면과 갭을 가지고 이격되게 배치되어 상기 도가니 외곽에 배치된 히터와 실리콘 융액으로부터의 복사열을 차단하는 상부 열차폐부재를, 실리콘 단결정 잉곳의 주변부 온도구배를 상승시키는 방향으로 조절함으로써 상부 열공간을 최적화하고, 동시에, 상부 열차폐부재의 조절에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 중심부 온도구배의 변화를 보상하도록 상기 히터의 최대 발열부와 실리콘 융액 표면 간의 거리를 조절함으로써 하부 열공간을 최적화하여, 무결함 영역으로의 인상속도 마진을 확보하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 상부 열공간의 최적화는, 상기 상부 열차폐부재와 실리콘 단결정 잉곳 간의 거리를 조절함으로써 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 상부 열차폐부재와 실리콘 단결정 잉곳 간의 거리 D1은 5~25mm로 조절되고 상기 히터의 최대 발열부와 실리콘 융액 표면 간의 거리 D2는 170~400mm로 조절되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 D1이 18~22mm로 조절되고 D2가 180~300mm로 조절된다.

본 발명의 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은 대구경(12인치 이상), 대용량(1회 충전량이 300kg 초과)의 잉곳 성장에 특히 적합하다.

본 발명은 잉곳 주변부의 G값 향상을 위해 융액 또는 히터로부터의 복사열을 가능한 한 차단하는 방향으로 상부 열공간을 최적화하고, 이로 인한 잉곳 중심부에서의 G값 변화(상대적 하락)를 융액측 온도구배 Gl의 향상으로써 보상하는 방향으로 하부 열공간을 최적화한다. 따라서, 본 발명에 의하면 대구경, 대용량화하는 실 리콘 단결정 잉곳의 성장시 상호 모순되는 거동을 보이는 G값과 ΔG값을 상호 보완함으로써, 고품질의 실리콘 단결정 잉곳의 무결함 영역으로의 인상속도 마진을 확보하여 대구경 잉곳을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.

먼저, 본 발명에서는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 대구경화, 대용량화했을 때 나타나는 문제 즉, 도 2에서 잉곳 주변부에서의 G값의 하락에 따른 무결함 영역 마진이 감소하는 문제를 해결하고자 하였다. 이를 위하여 상부 열공간을 최적화하여 잉곳 주변부의 G값을 개선해 보았다. 상부 열공간의 최적화는 전형적으로 상부 열차폐부재(30, 도 5 참조)와 융액(40) 표면 사이의 멜트 갭 g를 조절함으로써 이루어진다. 상부 열차폐부재(30)는 실리콘 융액(40) 표면과 멜트 갭 g를 가지고 이격되게 배치되어 도가니(10) 외곽에 배치된 히터(20)와 실리콘 융액(40)으로부터의 복사열이 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(50)으로 전달되는 것을 차단하는 부재로서, 잉곳의 냉각 열이력에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다.

구체적으로, 멜트 갭 g를 종전보다 작게(상부 열차폐부재와 실리콘 단결정 잉곳 간 거리의 3배 이하로) 하여 융액(40)으로부터 잉곳(50)으로의 복사에 의한 열전달을 억제함으로써 잉곳 주변부의 G값을 향상시키고자 하였다. 이렇게 멜트 갭 g를 감소시키고 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 후 V/G에 따른 잉곳의 길이방향 결함 영역을 Cu 헤이즈(haze)법에 따라 분석하였다. 이 분석 결과의 도면인 도 4를 참조하면, 도 2에 비해 잉곳 주변부의 G값은 확실히 개선되었음을 알 수 있다. 그러나, 멜트 갭의 감소에 따라 잉곳 중심부의 G값이 변화되어 잉곳 중심부의 V 영역이 아래로 떨어짐으로써 결과적으로 무결함 영역 마진이 확보되지 않는다는 것도 알 수 있다. 결국, 상부 열공간 만의 최적화로는 잉곳 반경방향 온도구배의 균일도(ΔG)가 달성되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

이에 융액 표면 상부의 상부 열공간과 융액측의 열공간인 하부 열공간을 동시에 최적화하고자 도 5에 도시된 바와 같은 상부 열공간 최적화를 위한 공정 파라미터와 하부 열공간 최적화를 위한 공정 파라미터를 설정하였다. 즉, 상부 열공간 최적화를 위한 공정 파라미터로서 상부 열차폐부재(30)와 실리콘 단결정 잉곳(50)의 이격거리 D1을 설정하고, 하부 열공간 최적화를 위한 공정 파라미터로서는 히터(20)의 최대 발열부(21)와 실리콘 융액(40) 표면 간의 거리 D2를 설정하였다. 상부 열차폐부재(30)가 상부 열공간을 조절하여 결정측의 온도구배 Gs에 가장 큰 영향을 미치는 요소라면, 히터(20)는 도가니(10)에 충전되는 실리콘 고체원료를 용융 시켜 실리콘 융액을 만들고, 이 실리콘 융액에 열을 공급함으로써 융액측의 온도구배 Gl에 가장 큰 영향을 미치는 요소라 할 수 있다. 여기서 히터의 최대 발열부(21)는 히터(20)가 상하방향으로 균일하게 발열하는 경우에는 그 중앙 또는 중앙보다 약간 위쪽이 되겠지만, 상하방향으로 발열량을 조절가능한 히터의 경우에는 임의로 설정할 수 있다.

이상과 같이 상하부 열공간 최적화를 위한 공정 파라미터를 설정하고, D1, D2를 다음 표와 같이 달리하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키고 G값과 ΔG값을 시뮬레이션하였다. 이때, 잉곳의 직경은 12인치, 실리콘 고체원료의 충전량은 400kg으로 하였으며, 멜트 갭 g는 3*D1 이하로 하였다.

구분	D1(mm)	D2(mm)	G(℃/mm)	ΔG	대응도면
실험예 1(참조예)	31	89	20.08	1.84	도 2
실험예 2	26	89	23.81	1.80	도 4
실험예 3	20	89	24.30	1.87
실험예 4	20	190	30.122	1.617	도 5
실험예 5	20	294	30.202	1.647	-

이상의 결과를 보면, D1이 크고(상부 열차폐부재와 잉곳간 거리가 크고) D2가 작은(히터의 최대 발열부와 융액 표면간의 거리가 작은) 참조예의 경우에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 히터와 융액에 의한 복사 효과가 커서 결정측의 온도구배 Gs에서 중심부 G값보다 주변부 G값이 하락하여 ΔG의 개선이 이루어지지 않음을 알 수 있다. 또한, 결정측 온도구배 Gs값의 향상을 위해 D1을 작게 하고 D2는 참조예와 동일하게 한 실험예 2 및 3의 경우는 G값이 향상되었고, 특히 종래 문제시 되었던 잉곳 주변부의 G값이 현저하게 개선되었다. 그러나, 도 4에서 본 바와 같이, 잉곳 중심부의 G값이 개선되지 않음으로 인해 특히 결정 성장 개시시에는 충분한 ΔG값의 개선이 이루어지지 않고, 무결함 영역의 마진이 확보되지 않았다.

반면, D1을 줄이고 D2를 늘린 실험예 4 및 5의 경우는 현저한 G값의 향상과 ΔG값의 개선이 동시에 이루어졌다. 이는, 결정측 온도구배 Gs를 D1을 줄임으로써 향상시킴과 함께, 히터의 최대 발열부를 아래쪽으로 내려(D2를 늘려) 실리콘 융액 저부와 표면 간의 온도구배를 극대화함으로써 하부 열공간에서 히터로부터 실리콘 융액을 통해 열에너지를 고액계면으로 효율적으로 공급할 수 있었기 때문으로 분석된다. 즉, 실험예 2 및 3에 대응되는 도 4에서 잉곳 주변부의 G값은 향상되었지만 잉곳 중심부의 G값이 변화되어(상대적으로 하락하여) 잉곳 중심부의 V 영역이 아래로 떨어졌던 것에 비해, 실험예 4 및 5(특히 도 5에 대응되는 실험예 4)에서는 잉곳 중심부의 G값 변화를 융액측의 온도구배 Gl로써 보상하여 전체적인 G값의 향상과 함께 충분한 ΔG값의 개선이 이루어졌다고 할 수 있다. 그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 무결함 영역으로의 인상속도 마진이 0.2mm/min 이상으로 충분히 확보되고, G값의 향상에 따라 인상속도의 향상도 가능하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 높은 생산성을 가지고 제조할 수 있게 된다.

한편, 표 1에 기재된 D1과 D2의 수치는 어디까지나 예시적인 것으로서 잉곳의 직경이나 고체원료의 1회 충전량이 달라지는 경우 달라질 수 있지만, 12인치 이상의 잉곳 직경과 300kg을 넘는 고체원료의 1회 충전량을 기준으로 바람직한 범위를 예시하면 다음과 같다. 즉, D1은 5~25mm가 바람직하고, 18~22mm가 더욱 바람직하다. 여기서 D1은 전술한 실험 결과로부터 작을수록 바람직하고 그 하한은 특별히 설정할 필요는 없으나 인상되는 잉곳 직경의 편차를 고려하여 안정적인 인상 공정을 위해 하한을 5mm로 설정한 것이다. 또한, D2는 170~400mm가 적절하고 180~300mm가 더욱 바람직하다. 여기서 D2는 전술한 실험 결과로부터 클수록 바람직하나 히터의 최대 발열부의 위치가 너무 내려가는 경우 G값은 향상되지만 잉곳의 반경방향 온도구배 ΔG값이 다시 불균일해 질 수 있어 400mm 정도로 그 상한을 설정한 것이다.

또한, 전술한 실시예에서 상부 열공간을 최적화하는 파라미터로서 상부 열차폐부재(30)와 잉곳(50) 간의 거리 D1을 설정하였으나, 통상적인 멜트 갭 g나 상부 열차폐부재의 구조, 재질 또는 형상을 변경함으로써 상부 열공간의 최적화를 달성할 수도 있고, 이 경우 D1 및/또는 D2의 범위는 상술한 범위를 벗어날 수도 있다. 요컨대, 본 발명의 기술사상은 잉곳 주변부의 G값 향상을 위해 융액 또는 히터로부터의 복사열을 가능한 한 차단하는 방향으로 상부 열공간을 최적화하고, 이로 인한 잉곳 중심부에서의 G값 변화(상대적 하락)를 융액측 온도구배 Gl의 향상으로써 보상하는 방향으로 하부 열공간을 최적화한 데에 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 V/G에 따른 결정 결함 영역을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 대구경, 대용량의 실리콘 단결정 잉곳 성장시 변화된 V/G에 따른 결정 결함 영역을 도시한 도면이다.

도 3은 종래기술에 따른 실리콘 단결정 인상장치의 열차폐부재의 구성을 도시한 단면도이다.

도 4는 상부 열공간 만을 최적화했을 때 V/G에 따른 결정 결함 영역을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치의 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따라 상부 열공간과 하부 열공간을 동시에 최적화했을 때 V/G에 따른 결정 결함 영역을 도시한 도면이다.

Claims (5)

1. 초크랄스키법에 의해 도가니에 담긴 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 인상시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법으로서,

   상기 실리콘 융액 표면과 갭을 가지고 이격되게 배치되어 상기 도가니 외곽에 배치된 히터와 상기 실리콘 융액으로부터의 복사열을 차단하는 상부 열차폐부재를, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 주변부 온도구배를 상승시키는 방향으로 조절함으로써 상부 열공간을 최적화하고,

   동시에, 상기 상부 열차폐부재의 조절에 따른 상기 실리콘 단결정 잉곳의 중심부 온도구배의 변화를 보상하도록 상기 히터의 최대 발열부와 상기 실리콘 융액 표면 간의 거리를 조절함으로써 하부 열공간을 최적화하여,

   무결함 영역으로의 인상속도 마진을 확보하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 상부 열공간의 최적화는, 상기 상부 열차폐부재와 상기 실리콘 단결정 잉곳 간의 거리를 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,

   상기 상부 열차폐부재와 실리콘 단결정 잉곳 간의 거리 D1이 5~25mm로 조절되고, 상기 히터의 최대 발열부와 실리콘 융액 표면 간의 거리 D2가 170~400mm로 조절되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 상부 열차폐부재와 실리콘 단결정 잉곳 간의 거리 D1이 18~22mm로 조절되고, 상기 히터의 최대 발열부와 실리콘 융액 표면 간의 거리 D2가 180~300mm로 조절되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.

Images