KR100983195B1

KR100983195B1 - 2차원 선결함이 제어된 실리콘 잉곳, 웨이퍼, 에피택셜웨이퍼와, 그 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR100983195B1
Application number: KR1020070140430A
Authority: KR
Inventors: 송도원; 김영훈; 최영규; 지은상; 조화진
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2010-09-20
Also published as: KR20090072342A; US20090169460A1; US8114215B2; US20120141808A1; US8349075B2; US20120132131A1

Abstract

본 발명자들은 실리콘 단결정에 대하여 기존에 보고되어 있지 않은 결함을 발견하고, 이 결함이, 강한 수평 자기장을 인가하는 HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법에 기인하여 발생되는 나선 전위(screw dislocation)가 조그 나선 전위(Jogged Screw Dislocation)로 전이되며, 결정이 냉각되는 열이력 과정에서 교차 슬립(cross slip)을 형성하면서 전파됨으로써 생성된 결정 결함임을 규명하였다. 이에 본 발명에서는, 실리콘 융액 상부에 히터와 잉곳 사이에 구비되는 상부 열차폐체의 형상과 구조를 변경함으로써, 강한 수평 자기장에 기인하는 나선 전위의 발생을 저감하고 발생되는 나선 전위가 교차 슬립으로 전파·확산되는 것을 방지한다. 또한, 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 의하면 실리콘 단결정 잉곳 성장시의 공정 초기조건 또는 운전조건을 제어하여, 강한 수평 자기장에 기인하는 나선 전위의 발생을 저감하고 발생되는 나선 전위가 교차 슬립으로 전파·확산되는 것을 방지한다.

실리콘 단결정, HMCZ법, 2차원 선결함, 나선 전위(screw dislocation), 교차 슬립 전위(Cross Slip Dislocation), 열차폐체(heat shield)

Description

2차원 선결함이 제어된 실리콘 잉곳, 웨이퍼, 에피택셜 웨이퍼와, 그 제조방법 및 제조장치{2-Dimensional Line-Defects Controlled Silicon Ingot, Wafer, Epitaxial Wafer, and Manufacturing Process and Apparatus Therefor}

본 발명은 실리콘 잉곳, 웨이퍼, 에피택셜 웨이퍼와, 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 특히 결정 결함 중 2차원 선결함을 제어하여 저감하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 웨이퍼는 크게, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 공정, 잉곳을 원반형의 웨이퍼로 슬라이싱(slicing)하는 슬라이싱 공정, 웨이퍼 표면을 경면화하는 연마(폴리싱) 공정을 통해 제조되어, 반도체 소자의 제조에 제공되게 된다. 그런데, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 과정에서 성장 이력에 따른 결정 결함 및 결정 성장 이력에 기인하지 않는 원하지 않는 불순물들이 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼에 포함되게 된다. 이러한 결정 결함이나 불순물은 반도체 소자의 불량을 유발하므로 가능한 한 제거하여야 한다.

도 1은 현재까지 보고된 결정 결함들을 도식적으로 도시한 도면이다. 도면에서 작은 원으로 표시된 것은 실리콘 원자를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳 또는 웨이퍼에는 다양한 종류의 결정 결함이 포함될 수 있는데, 이들은 결정 내에 존재하는 형태에 따라 점결함(poing defect), 선결함(line defect), 면결함(plane defect), 체결함(volume defect)으로 분류될 수 있다.

점결함은 다시 내부적인 것(intrinsic)과 외부적인 것(extrinsic)으로 분류될 수 있고, 내부적인 것에는 공공(vacancy, 도 1에서 (a)), 자기침입형 원자(self-interstitial atom, (b)) 등이 있고, 외부적인 것에는 대체형 불순물 원자(substitutional impurity atom, (c)), 침입형 불순물 원자(interstitial impurity atom, (d)), 끊어진 결합(dangling bond, (e)) 등이 있다. 선결함에는 에지 전위(edge dislocation, (f))와 나선 전위(screw dislocation, 도 1에는 미도시)가 있다. 또한, 면결함에는 침입형 적층 결함(interstitial stacking fault, (g)), 공공형 적층 결함(vacancy-type stacking fault, (g)), 쌍정(twin, 도 1에는 미도시), 결정립계(grain boundary, 도 1에는 미도시) 등이 있다. 또한, 체결함에는 석출물(precipitate, (i)), 보이드(void, (j)) 등이 있다.

한편, 이러한 결정 결함은 원자 수준의 것에서 분자 수준의 것까지 다양하며 그 결정학적 구조의 파악과 검출이 용이하지 않다. 게다가 결정 성장 이력에 기인하지 않는 불순물까지 고려하면 웨이퍼 상 또는 웨이퍼 내부의 결함이나 불순물을 파악하고 검출하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 이러한 결함이나 불순물 들은 결정학적 구조의 물리화학적 특성에 따라서, 또한 검출 장비의 발전에 따라서 새로운 결함들이 발견되고 명명되고 있다. 이러한 기준에 따라 결함들을 분류하면 다음 표 1과 같다.

구분	공공 관련 결함			침입 관련 결함			비고
구분	체결함	면결함	점결함	점결함	면결함	체결함	비고
에칭, 가시광선	COP FPD SEPD LSTD					LDP EPD SEPD
열처리, 에칭, 가시광선		P-밴드 (OiSF)			B-밴드
열처리, 전기적측정	V-클러스터	P-밴드	P_V	P_I	B-밴드	I-클러스터	금속불순물
수동	버블(air pocket)

COP : Crystal Originated Particle

FPD : Flow Pattern Defect

SEPD : Secco Etch Pit Defect

LSTD : Laser Scattering Tomography Defect

LDP : Large Dislocation Pit

EPD : Etch Pit Dislocation

또한, 새롭게 발견되는 결함들은 대개 완성된 웨이퍼를 검사하는 과정에서 발견되거나 웨이퍼 상에 반도체 소자를 형성하고 검사하는 과정에서 발견되며, 특히 갈수록 대구경화되고 엄격해지는 결함 수준에 따라 기존에는 문제시되지 않거나 검출되지 않았던 결함들이 문제시되거나 발견되고 있다. 이렇게 발견된 결함은, 그것이 기존에 보고되어 있지 않은 결함이라면, 그 원인이나 발생 메커니즘을 찾고 분석하는 지난한 과정을 거쳐 새로운 결함으로서 명명되고 보고되게 된다.

본 발명자들은 실리콘 단결정에 대하여 기존에 보고되어 있지 않은 결함을 발견하고, 그 발생 메커니즘을 분석함으로써, 이 결함을 저감할 수 있는 기술을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 새롭게 발견된 결정 결함에 대해 그 발생 메커니즘을 규명함으로써, 그 결함을 저감한 실리콘 단결정 잉곳, 웨이퍼, 에피택셜 웨이퍼와, 그 제조방법 및 제조장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명자들은 실리콘 단결정에서 새롭게 발견된 결정 결함이, 강한 수평 자기장을 인가하는 HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법에 기인하여 발생되는 나선 전위(screw dislocation)가 조그 나선 전위(Jogged Screw Dislocation)로 전이되며, 결정이 냉각되는 열이력 과정에서 교차 슬립(cross slip)을 형성하면서 전파됨으로써 생성된 결정 결함임을 규명하였다(상세히는 후술함). 이에 본 발명자들은 실리콘 단결정에서 본 발명자들이 새롭게 발견한 결정 결함을 교차 슬립 전위(Cross Slip Dislocation; CSD)로 명명하고, 이 CSD를 저감하기 위한 수단으로서, 다음과 같은 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 제공한다.

즉, 본 발명의 일측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는, HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치로서, 도가니에 담긴 실리콘 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되며, 실리콘 융 액으로부터 인상되는 실리콘 단결정 잉곳의 주위에 배치되는 상부 열차폐체의 잉곳 길이방향으로 잘라본 단면 형상이, 실리콘 융액의 표면과 수직하게 또는 경사지게 하방으로 연장된 외벽면; 상기 외벽면과 대향하여 잉곳을 면하며, 상방에서 하방으로 갈수록 잉곳쪽으로 접근하는 내벽 사면과, 이 내벽 사면의 하단부에서 실질적으로 수직하게 하방으로 연장된 내벽 수직면을 가지는 내벽면; 및 상기 외벽면의 하단부에서 상기 내벽면을 향하여 연장되되 실리콘 융액의 표면과 제1각도를 이루며 실리콘 융액 표면으로부터 멀어지는 하부 사면과, 이 하부 사면의 내벽면쪽 단부에서 하방으로 꺾여 연장되는 하부 하방면과, 이 하부 하방면의 하단부에서 내벽 수직면을 향해 실질적으로 수평하게 연장되어 내벽 수직면과 만나는 하부 수평면을 가지는 하부면;을 포함하고, 상기 제1각도가 2~8도를 이루어, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 외벽면과 하부 사면이 만나는 지점이 라운드 처리 또는 모따기 처리되어 있을 수 있다. 이 경우 상기 모따기 처리된 부분이 상기 실리콘 융액 표면과 이루는 제2각도가 49~74도인 것이 바람직하다.

또한, 상기 내벽 사면이, 상부 열차폐체의 상단부로부터 실질적으로 수직하게 하방으로 연장된 제1사면과, 이 제1사면의 하단부에서 상기 내벽 수직면을 향해 경사지게 연장된 제2사면을 포함하는 형상을 취할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 상기 상부 열차폐체와 실리콘 융액 표면의 갭을 20~50mm로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 실리콘 융액의 표면으로부터 도가니 외곽에 배치된 히터의 상단부까지의 높이를 100~150mm로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안, 도가니를 0.01~1.0rpm의 속도로 회전시키고, 잉곳을 도가니의 회전방향과 반대방향으로 5.0~10.0rpm의 속도로 회전시켜, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 잉곳의 회전속도와 상기 도가니의 회전속도의 비가 5 ~ 50인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 실리콘 융액에 인가되는 수평 자기장의 세기를 1000~4000Gauss로 하여, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 융액에 불순물로서 탄소, 질소 또는 산소를 첨가하여, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위의 확산을 방지하는 것을 특징으로 한다. 첨가하는 불순물 탄소, 질소 또는 산소의 농도는 각각 5E14~2E16, 5E13~3E14, 1E17~1E18 atoms/cc의 범위가 되도록 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서, 실리콘 단결정 잉곳의 인상속도를 0.5~1.0mm/min으로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘 단결정 잉곳은 전술한 제조장치를 이용하여 제조됨으로써, HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 단결정 잉곳이다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 이렇게 교차 슬립 전위가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 및 연마하여 제조됨으로써, HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼이다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼는, 이렇게 교차 슬립 전위가 실질적으 로 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층을 성장시켜 얻음으로써, HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 에피택셜 웨이퍼이다.

본 발명에 의하면, 특유의 상부 열차폐체를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용함으로써, 강한 수평 자기장에 기인하는 나선 전위의 발생을 저감하고 발생되는 나선 전위가 교차 슬립으로 전파·확산되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 의하면 실리콘 단결정 잉곳 성장시의 공정 초기조건 또는 운전조건을 제어하여, 강한 수평 자기장에 기인하는 나선 전위의 발생을 저감하고 발생되는 나선 전위가 교차 슬립으로 전파·확산되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 갈수록 대구경화되는 실리콘 웨이퍼의 제조에 필수적인 HMCZ법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하더라도 교차 슬립 전위가 억제되어 고품질 대구경 실리콘 단결정 잉곳, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 에피택셜 웨이퍼를 제공할 수 있어, 완성된 반도체 소자의 불량률을 저감할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명자들이 발견한 실리콘 단결정에서의 새로운 결함과, 이 결함을 저감하기 위한 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 발명자들이 새롭게 발견한 실리콘 단결정에서의 결함에 대하여 설명한다.

본 발명자들은 특정한 실리콘 에피택셜 웨이퍼에서 일정한 규칙을 가지는 결함이 발생하는 것을 발견하였다. 즉, 실리콘 에피택셜층 성장 전의 실리콘 웨이퍼에서는 특별한 결함이 발견되지 않았으나, 4㎛ 두께의 실리콘 에피택셜층을 성장시켰더니 일정한 파티클 패턴이 발견되었다. 이에 라이트 에칭액(Wright Etchant)으로 5분간 에칭한 후 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰하였더니, 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 특정 위치에 사각형의 에칭 피트(etched pit, 도 2의 (b) 참조)가 관찰되었으며, 이 에칭 피트들은 웨이퍼의 앞면과 뒷면에서 동일한 개수가 동일한 분포를 보였다. 이는 단일 웨이퍼 수준에서의 결함이 아니라 잉곳의 길이 방향으로 연속된 결함일 가능성이 큼을 의미한다.

그래서, 본 발명자들은 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing)하고 연마(polishing)하여 얻은 실리콘 웨이퍼들에 대하여 원자력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)으로 관찰하였다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같은 결함의 분포 와 형상을 얻었으며, 복수의 웨이퍼에서 동일한 지점에 분포된 결함들을 잉곳의 길이 방향을 z축으로 한 원통 좌표로 나타내었더니 도 4와 같았다. 도 4의 (a)는 복수의 웨이퍼에서 동일한 지점에 분포된 결함들이 잉곳의 길이 방향을 따라 중심축으로부터의 거리가 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이며, 도 4의 (b)는 복수의 웨이퍼에서 동일한 지점에 분포된 결함들이 회전각 θ에 따라 중심축으로부터의 거리가 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에서 1 내지 15의 숫자는 웨이퍼 상에서 발견된 결함들에 번호를 붙인 것이다. 한편, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)와 (b)로부터 하나의 결함에 대해 잉곳의 길이 방향을 따라 분포되는 위치를 이은 결과이다. 도 4로부터, 이 결함은 잉곳의 길이 방향을 따라 중심축과의 거리가 감소하다 증가하며, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 분포를 보임을 알 수 있다.

이어서, SEM 사진에서 확인된 에칭 피트를 다음과 같이 여러 결정학적 면방향으로 절단하여 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)으로 관찰하였다.

먼저, 도 5는 결함이 발생한 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 에피택셜층을 성장시키고 {010}면 방향으로 절단하여 TEM으로 관찰한 사진이다. 도 5의 좌측 상단의 검은 사각형이 에칭 피트이다. 도 5로부터 알 수 있듯이, {111}면이 {010}면과 만나는 선 상에 전위가 존재하며 적층 결함(stacking fault) 형상을 띠고 있다. 또한, 기판(웨이퍼)과 에피택셜층의 전위의 방향성이 다르며 기판에 기인한 전위임을 확인할 수 있다.

또한, 도 6은 도 5와 동일한 웨이퍼에 대하여 {110}면 방향으로 절단하여 TEM으로 관찰한 사진이다. 도 6의 좌측 상단의 검은 사각형이 에칭 피트이다. 도 6에 나타난 바와 같이, {111}면이 {110}면과 만나는 선 상에서 (111)면과

면의 교차 슬립(Cross Slip)이 발견되었다. 따라서, 버거 벡터(Burgers Vector)와 슬립면(Slip Plane)이 동일 평면에 존재하지 않음을 알 수 있고, 상술한 결함은 조그 나선 전위(Jogged Screw Dislocation)가 부동 프랑크 부분 전위(sessile Frank Partial Dislocation)의 교차 슬립으로 전이 및 상승(climb)되면서 잉곳의 길이방향으로 전파된 전위임을 확인할 수 있다. 도 7에 상술한 결함의 각 결정학적 면방향으로 절단하여 관찰한 TEM 사진들을 나타내고, 도 8에 교차 슬립 부위의 고해상도 TEM 사진을 나타낸다.

이상의 분석으로부터 본 발명자들이 실리콘 단결정에서 새롭게 발견한 결함은, 결정성장 과정에서 형성된 나선 전위의 3차원적 라인 특성과 실리콘의 3차원적 배열 상의 차이로 인해 나선 전위가 조그 나선 전위로 전이되고, 결정이 냉각되는 열이력 과정에서 교차 슬립을 형성하면서 전파된 결함이라 할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 상술한 결함을 교차 슬립 전위(Cross Slip Dislocation)라 명명하며, 이하 CSD로 약칭하기로 한다.

한편, 상기 CSD는 전술한 과정을 통해 검출할 수 있지만, 웨이퍼에 편광된 적외선을 조사·투과시켜 결함 부위에서 편광 특성이 변화되는 것을 검지하는 SIRD(Scanning Infra Red Depolarization) 방법을 사용하면, 더 간편하고 효과적으 로 검출할 수 있다. 이에 도 9에 SIRD 방법으로 CSD를 검출한 사진을 나타낸다. 도 9에서 'D'로 표시된 부분이 CSD가 검출된 위치이다.

또한, 본 발명자들은 상술한 CSD가 반도체 소자의 불량에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 CSD가 발생한 웨이퍼를 이용하여 GOI(Gate Oxide Integrity) 테스트를 행하였으며, 그 결과 도 10에 도시된 바와 같이, CSD가 존재하는 지점(A)의 소자 셀에서 기판(웨이퍼)에 존재하는 결정 결함에 의한 B 모드 불량(B-mode Fail) 또는 표면에 존재하는 결함에 의한 A 모드 불량(A-mode Fail)이 발생함을 확인하였다. 즉, CSD는 반도체 소자의 불량에 직접적인 영향을 미치는 결함으로서 제거, 또는 적어도 저감시켜야 하는 결함임을 확인하였다.

이에, 본 발명자들은 CSD가 발생하는 메카니즘을 규명하고 이를 저감할 수 있는 수단을 강구하였다.

먼저, 상술한 바와 같이 CSD는 결정성장 과정에서 형성되는 나선 전위(Screw Dislocation)에서 출발한다. 초크랄스키법(Czochralski Method)에 의한 실리콘 단결정의 성장과정에서 나선 전위가 보고된 바는 없지만, 일반적인 결정성장 과정에서 나선 전위의 형성에 관한 이론적인 모델은 알려져 있다. 예를 들어, 다음의 문헌들을 들 수 있다.

문헌 1 : Stanislaw Mrowec, "Defects and Diffusion in Solids and Introduction", Elsevier, 1980.

문헌 2 : D. Hull and D. J. Bacon, "Introduction to Dislocations", Pergamon, 1984.

문헌 3 : W. A. Tiller, "The Science of Crystallization: Macroscopic Phenomena and Defect Generation", Cambridge University, 1991.

한편, 근래 실리콘 단결정 웨이퍼의 대구경화에 따라, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 때 실리콘 융액의 대류를 제어하기 위하여 도가니 주위에 강한 수평 자기장을 인가하는 HMCZ법(Horizontal Magnetic Czochralski Method)이 널리 사용되고 있다. 그런데, 이 HMCZ법에 의해 인가되는 강한 자기장의 효과로 자기장 인가방향의 좌측과 우측의 융액은 서로 잘 섞이지 않는 비혼합 유체(immiscible fluid) 특성을 가지게 된다. 한편, 단결정 시드(seed)에 의해 인상되는 잉곳과 도가니는 각각 소정의 속도로 회전하게 되므로, 비혼합 유체 특성을 가지는 실리콘 융액에는 나선형 전단 왜곡(Spiral Shear Distortion)이 발생된다. 도 11은 이를 설명하기 위한 도면으로, 도 11의 (a)는 나선형 전단 왜곡을 개념적으로 도시한 도면이고, (b)는 실제 웨이퍼 상에 나타난 나선형 전단 왜곡을 경면 이미지화한 것이다.

이렇게 나선형 전단 왜곡이 존재하는 계면에서 결정의 면(crystal surface) 성장 방법은 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 나선 전위를 형성하면서 성장하는 방법을 따르게 된다(보다 상세히는 아래 문헌 4 참조).

문헌 4 : Oleg Weinstein et. al., "Estimation of surface energy effects in partially faceted melt/crystal interfaces during directional growth of single crystals from their melt", Journal of Crystal Growth 306(2007), pp.480-490.

이렇게 형성된 나선 전위의 3차원적 라인 특성과 실리콘의 3차원적 배열상의 차이로 인해여, 나선 전위는 전술한 바와 같이, 도 13의 (a)와 같이 조그 나선 전위(Jogged Screw Dislocation)로 전이되며, 결정이 냉각되는 열이력 과정에서 도 13의 (b) 및 (c)와 같이 교차 슬립을 형성하면서 전파된다(보다 상세히는 상기 문헌 2 참조).

결국, 실리콘 단결정에서 CSD가 형성된 것은 HMCZ법에 의한 수평방향의 강한 자기장과 시드 및 도가니의 회전에 기인한 나선형 전단 왜곡 하에서 결정 면(crystal surface)이 형성되었기 때문이라고 할 수 있다. 따라서, 실리콘 단결정에서 CSD 결함의 발생을 억제하기 위해서는 단결정 잉곳의 성장공정에서 나선 전위에 의한 선결함의 성장을 억제하여야 한다. 근본적으로는 HMCZ법을 사용함에 따라 실리콘 융액의 유동 특성이 변화하여 나선 전위가 형성되었으므로, HMCZ법을 사용하지 않는 것이 유리할 것이다. 그러나, 실리콘 웨이퍼의 대구경화에 따른 실리콘 융액의 대용량화는 거스를 수 없는 추세이고, 이러한 대용량의 실리콘 융액의 대류를 제어하기 위해서는 HMCZ법의 사용이 필수적이다. 따라서, HMCZ법을 사용하면서도 나선 전위를 억제하기 위한 방법이 필요하다.

이에, 본 발명자들은 CSD 결함을 제어하는 데에는, 실리콘 단결정이 성장되는 계면의 온도, 성장속도, 도펀트를 포함한 불순물의 농도, 성장계면의 곡률반경이 중요함을 후술하는 실험과 문헌 2 및 문헌 5를 통하여 확인하였다.

문헌 5 : S. H. Davis, "Theory of Solidification", Cambridge University, 2001.

정리하면, CSD의 제어에 관련된 상기 인자들은 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.

여기서, T^I 및 T_m은 각각 성장계면 및 실리콘의 녹는점에서의 온도이고, H는 성장계면의 곡률, γ는 표면에너지, L_v는 응고잠열, C는 도펀트의 농도, V_n은 결정의 성장속도, m과 μ는 비례상수이다.

이하, 상기의 관계식에 나타난 각 인자들을 제어하기 위하여 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 개선, 실리콘 단결정 잉곳 성장시의 초기조건, 성장 중의 운전조건, 실리콘 단결정 잉곳의 냉각과정에서 나선 전위의 확산을 방지할 수 있는 방법 등에 대해 행한 다양한 실험을 기술함으로써 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 상기 관계식에서 인자 H를 제어하기 위하여 실리콘 융액 상부에 설치되는 상부 열차폐체의 구조를 개선하였다.

본래, 상부 열차폐체는 도가니 주위에 설치된 히터와 실리콘 융액으로부터의 열이 잉곳 특히, 성장계면 근방으로 전달되는 것을 차단하여 성장계면 근방의 온도구배와 성장계면의 높이 즉, 곡률을 제어하고 잉곳의 냉각속도를 제어하는 요소이다.

도 14의 (a)와 (b)는 각각 기존의 상부 열차폐체(10)와 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체를 사용하여 잉곳을 성장시킬 때, 잉곳 및 융액의 온도구배를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다. 도 14의 (a)와 (b)에 도시된 상부 열차폐체(10,100)의 기본적인 형상과 구조는 큰 차이가 없어 보이지만, 상부 열차폐체의 미세한 변경으로도 성장된 잉곳의 결함 특성 등에 상당한 영향을 미침을 이하의 실험예에서 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)의 구체적인 형상과 구조에 대해서는 후술하겠지만, 일단 기존의 상부 열차폐체(10)와 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)가 다른 점은 실리콘 융액과 대면하는 하부의 형상이다. 한편, 도 14에서 'P/S'는 실리콘 단결정 잉곳을 인상하는 속도(pulling speed)로서, 기존의 상부 열차폐체(10)를 사용한 경우에는 인상속도를 0.7mm/min의 한 가지로 설정하고(비교예), 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)를 사용한 경우에는 인상속도를 0.6, 0.7, 0.8mm/min의 세 가지로 설정하였다(각각 실시예 1, 2, 3).

도 15는 이상과 같은 시뮬레이션 결과에 따라 형성되는 실리콘 단결정 잉곳의 성장계면의 높이를 나타낸 그래프이다. 도 15에서 알 수 있듯이, 기존의 상부 열차폐체(10)를 사용한 비교예에 비해 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)를 사용한 실시예 1 내지 3의 모든 경우에서 성장계면의 높이가 낮아졌다. 다시 말해 성장계면의 곡률반경 H가 커졌다. 이에 따라, 실리콘 단결정 잉곳의 성장계면으로부터의 거리에 따른 냉각속도를 나타낸 도 16에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 경우가 비교예에 비해 냉각속도가 빠름 즉, 성장계면 근방의 온도 구배가 큼을 알 수 있다.

한편, 모든 공정조건을 동일하게 하고 상부 열차폐체만을 도 14의 (a)와 (b)에 나타낸 두 가지로 달리 하여 실제 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 후, 이를 슬라이싱 및 연마하여 얻은 웨이퍼에 대하여, 전술한 바와 같은 방법으로 CSD를 검출해 보았다. 그 결과, 도 14의 (a)에 도시된 기존의 상부 열차폐체(10)를 이용한 경우에는 20로트(lot)의 잉곳들 중에서 7로트에서 CSD가 검출되었다(도 18의 (a) 참조). 한편, 도 14의 (b)에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)를 이용한 경우에는 5로트 중 1로트에서 CSD가 검출되어(도 18의 (b) 참조), 상부 열차폐체의 형상과 구조를 변경함으로써 CSD 저감에 상당한 효과가 있음을 알 수 있다. 결국, 상부 열차폐체의 형상과 구조의 변경에 따라 전술한 성장계면의 곡률반경 H가 변화하고, 그에 따라 결정의 면 성장 방법을 결정하는 △T(=T_m-T^I)가 변화하여 나선 전위를 형성하지 않으면서 결정이 성장하였다고 생각된다.

그러면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)의 형상과 구조에 대해 도 17을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)는 통상의 상부 열차폐체와 마찬가지로, 도가니에 담긴 실리콘 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되며, 실리콘 융액으로부터 인상되는 실리콘 단결정 잉곳의 주위에 링 상으로 배치되어, 히터(200) 및 실리콘 융액으로부터의 열을 차단한다. 본 실시예의 상부 열차폐체는 통상의 상부 열차폐체와 마찬가지로, 그래파이트(graphite) 재질로 이루어지며 상부 열차폐 체의 형상을 이루는 외곽부와, 이 외곽부 내의 공간에 충전된 펠트(felt)와 같은 단열재로 이루어진다. 본 실시예의 상부 열차폐체가 기존의 상부 열차폐체와 주로 다른 점은 그 형상에 있다.

즉, 본 실시예의 상부 열차폐체(100)는 그 단면 형상이, 상부면, 외벽면(110), 내벽면(121~124) 및 하부면(131~134)을 가진다.

먼저, 상부 열차폐체(100)의 상부 구조를 이루는 상부면과 이에 인접한 부분의 형상은 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치에 장착되는 부분으로서 기본적인 구조가 거의 고정되어 있다. 또한, 이 부분은 하부면(131~134)을 포함한 하부 구조에 비해 히터(200)로부터의 열을 차단한다는 그 기능에서 중요도가 떨어진다. 따라서, 상부면, 외벽면(110)과 상부면이 만나는 부분, 내벽면과 상부면이 만나는 부분은 잉곳 성장장치의 구조 및 상부 열차폐체의 성장장치에의 장착 구조에 따라 그 형상과 구조가 변경될 수 있다.

본 실시예에서 외벽면(110)은 실리콘 융액의 표면에 실질적으로 수직하게 하방으로 연장된다. 또한, 본 실시예에서 외벽면(110)은 상부 열차폐체(100)의 상부에서부터 차례로 소정의 각도 θ₁, θ₂를 이루며 경사지게 하방으로 연장되다 수직하게 하방으로 연장된다. 그러나, 전술한 바와 같이 상부 열차폐체(100)의 상부 구조는 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기의 각도 θ₁, θ₂를 이루며 경사지게 하방으로 연장된 부분이 존재하지 않고, 외벽면 전체가 소정의 각도를 이루며 경사지게 또는 수직 하방으로 연장될 수도 있다.

본 실시예에서 내벽면은 네 개의 면(121~124)으로 이루어진다. 이중 상기 외벽면(110)과 대향하는 부분인 제1사면(122)은 외벽면과 마찬가지로 실질적으로 수직 하방으로 연장되고, 제2사면(123)은 제1사면(122)의 하단부에서 잉곳을 향하여 수평면으로부터 소정의 각도 θ₅를 이루며 경사지게 하방으로 연장된다. 또한, 내벽면은 제2사면(123)의 하단부에서 잉곳과 실질적으로 평행하게(융액과 실질적으로 수직하게) 하방으로 연장되는 내벽 수직면(124)을 포함한다. 아울러, 본 실시예에서 제1사면(122)과 상부면이 만나는 부분(121)은 소정의 각도 θ₆을 이루며 모따기 처리되어 있다.

한편, 전술한 바와 같이 상부 열차폐체(100)의 하부 구조를 제외한 부분인 세 개의 면(121~123)은 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1사면(122)과 상부면이 만나는 부분(121)은 모따기 처리되지 않을 수 있고, 나아가, 세 개의 면(121~123) 전체가 하나의 경사진 사면을 이루거나 도 14의 (a)에 도시된 기존의 상부 열차폐체(10) 처럼 소정의 곡률을 가지고 형성될 수도 있다. 다만, 대부분의 잉곳 성장장치에서, 성장되는 잉곳과 융액의 경계부분은 그 온도나 잉곳 직경을 측정하기 위해 CCD 카메라나 온도 센서에 의해 관찰되어야 하는 부분이므로, 내벽면은 기본적으로 잉곳을 향해 경사지게 하방으로 연장되는 구조를 가지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 가장 중요한 부분인 하부면(131~134)은, 외벽면(110)의 하단부에서 내벽면(124)을 향하여 연장되되 실리콘 융액의 표면(수평면)과 제1각도 θ₄를 이루며 실리콘 융액 표면으로부터 멀어지는 하부 사면(131)과, 이 하부 사면의 내벽면쪽 단부에서 하방으로 꺾여 연장되는 하부 하방면(132)과, 이 하부 하방면의 하단부에서 내벽 수직면(124)을 향해 실질적으로 수평하게 연장되어 내벽 수직면과 만나는 하부 수평면(133)을 가진다. 또한, 하부면에서 외벽면(110)과 하부 사면(131)이 만나는 부분(132)은 제2각도 θ₃을 이루며 모따기 처리되어 있거나 라운드 처리되어 있는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 실시예에 따른 상부 열차폐체(100)의 형상 및 구조에 대하여 도 17에 나타낸 각 설계변수들의 바람직한 범위와, 실제 본 실시예에서 제작하여 실험한 값을 아래 표 2에 정리한다. 다만, 아래 표 2는 실리콘 단결정 잉곳이 300mm인 경우의 바람직한 범위로서 잉곳 직경이 달라지는 경우 표 2에 기재된 바람직한 범위는 변경가능하며, 또한 전술한 바와 같이, 상부 열차폐체(100)의 상부 구조를 이루는 상부면과 그 근방의 형상과 구조는 얼마든지 변경가능함을 이해해야 한다.

구분(단위)	바람직한 범위		실시예에서의 값
구분(단위)	최소값	최대값	실시예에서의 값
D_O(mm)	645	789	717
D_I(mm)	566	692	629
H_T(mm)	378	463	421
H₁(mm)	233	285	258.6
H₂(mm)	59	72	65.5
W_T(mm)	236	289	262.5
W₁(mm)	113	139	126
W₂(mm)	129	157	143
θ₁(degree)	38	58	48
θ₂(degree)	10	14	12
θ₃(degree)	49	74	61.2
θ₄(degree)	2	8	5
θ₅(degree)	20	53	33.4
θ₆(degree)	17	26	21.6

한편, 전술한 본 발명에 따른 상부 열차폐체(100)를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 다음과 같은 초기조건 또는 운전조건을 아래 표 3과 같이 조절하면 CSD가 실질적으로 발생하지 않음을 확인하였다. 단, 아래 표 3은 실리콘 단결정 잉곳이 300mm인 경우의 바람직한 범위로서 잉곳 직경이 달라지는 경우 표 3에 기재된 바람직한 범위는 변경가능함을 이해해야 한다.

구분(단위)	바람직한 범위		실시예에서의 값	비고
구분(단위)	최소값	최대값	실시예에서의 값	비고
g(mm)	20	50	35	융액 표면과 상부 열차폐체(100) 간의 거리 (도 17(a) 참조)
L(mm)	100	150	115	융액 표면과 히터(200) 상단부 간의 거리 (도 17(a) 참조)
도가니 회전속도 (rpm)	0.01	1.0	0.3~0.5	실리콘 융액 용기의 회전속도
시드 회전속도(rpm)	5.0	10.0	5.0~10.0	실리콘 잉곳의 회전속도
회전속도비	5	50	10~33	(시드 회전속도) / (도가니 회전속도)
자기장 세기(Gauss)	1000	4000	1500~2000	수평 자기장의 최대 세기
인상 속도(mm/min)	0.5	1.0	0.75~0.85	실리콘 잉곳의 인상 속도

도 18의 (c)에 나타낸 바와 같이, 전술한 실시예의 상부 열차폐체(100)를 사용하고, 위 표 3과 같은 공정 초기조건 및 운전조건을 설정하여 300mm 직경의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키고 이를 슬라이싱 및 연마하여 얻은 15로트의 실리콘 잉곳에서는, CSD가 전혀 검출되지 않았다. 이 역시 공정조건의 변화에 따라 △T(=T_m-T^I)가 변화하여 CSD가 발생되지 않았다고 생각된다.

한편, 도 19는 표 3에 나타낸 초기조건 또는 운전조건을 각각 독립적으로 제어했을 때의 효과를 나타낸 그래프이다. 도 19에서 (a)는 상부 열차폐체를 어느 것을 사용했는지를 나타내고, (b)는 실리콘 융액과 상부 열차폐체 간의 거리 g를 나타내며, (c)는 실리콘 잉곳의 인상시 몸통부 이전의 초기 부분(네크부에서 숄더부까지)을 인상할 때 수평 자기장을 인가할 것인지의 여부를(On, Off 모두 몸통부 이후는 수평 자기장 인가), (d)는 잉곳의 인상 속도를, (e)는 수평 자기장의 최대 세기를, (f)는 시드 회전속도에 대한 도가니 회전속도의 비를 각각 나타낸다. 한편, 각 그래프의 중간 수평선은, 도 18의 (a) 및 (b)에 도시된 평균 CSD 발생율(25로트 중 8로트에서 CSD가 발생했으므로 0.32)을 나타내는 선이다.

도 19로부터, (c)의 인상 초기(숄더부까지의 인상시) 수평 자기장의 인가 여부를 제외하고, 상부 열차폐체의 구조나 각 공정조건들을 상술한 본 발명의 범위로 조절함으로써 CSD가 현저하게 저감되는 것을 알 수 있다.

한편, 상부 열차폐체의 구조나 각 공정조건들 이외에, 실리콘 단결정 잉곳의 재료인 실리콘 융액에 전위의 전파를 막는 불순물을 주입함으로써도 CSD를 방지할 수 있다. 즉, 전술한 수학식 1에서 도펀트의 농도 C를 조절함으로써, △T(=T_m-T^I)를 변화시켜 CSD의 발생을 제어하는 것이다. 이러한 전위의 전파를 막는 불순물로서는 탄소, 질소 또는 산소를 들 수 있으며, 그 농도는 각각 5E14~2E16, 5E13~3E14, 1E17~1E18 atoms/cc의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 불순물을 실리콘 융액에 주입하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만, 불순물을 탄소나 질소로 하는 경우, 실리콘 융액을 만들기 위한 다결정 실리콘 고체 원료에, 각각 SiC나 SiN이 코팅된 실리콘 웨이퍼를 상기한 소정의 농도 범위가 되도록 첨가하는 방법이 간편하다. 또한, 상기 불순물로서 산소를 이용하는 경우에는, 다결정 실리콘 고체 원료를 용융시키는 과정에서 석영 도가니로부터 공급되므로 별도의 공급수단은 필요 없다.

이렇게 전위의 전파를 막는 불순물을 첨가한 경우에는 얻어진 실리콘 웨이퍼에 대해 도 20에 도시된 바와 같은 열처리를 행하는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 실리콘 웨이퍼를 열처리로에 로딩하고 로 내 온도를 1050~1180℃까지 3~5℃/sec의 승온율로 상승시킨 후, 목표 온도(본 실시예에서는 1150℃)에서 5~10분간 열처리한다. 열처리 후 다시 로 내 온도를 예컨대 700℃까지 3~5℃/sec의 강온율로 낮추고 웨이퍼를 언로딩한다. 이때, 웨이퍼의 로딩 및 언로딩 시에는 아르곤과 같은 불활성 기체로 열처리로 내부를 환기한다. 또한, 승온시, 열처리시, 및 강온시에는 수소, 산소, 질소, 및 아르곤 가스와 같은 분위기 가스를 100~760 Torr 정도의 압력이 되도록 공급할 수 있다.

이렇게 열처리를 행함으로써, 상기와 같이 첨가된 불순물이 전위 방지 사이트(Dislocation Locking site)로 작용하여, 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 발생되었을 수 있는 CSD가 제거된 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면 강한 수평 자기장에 기안하여 발생된 나선 전위(screw dislocation)로 인한 교차 슬립 전위(CSD)가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 단결정 잉곳을 얻을 수 있다. 또한, 이 본 발명에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 및 연마함으로써 CSD가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있고, 나아가 이 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층을 성장시킴으로써 CSD가 실질적으로 존재하지 않는 실리콘 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.

한편, 실리콘 단결정 잉곳으로부터 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법이나, 실리콘 웨이퍼로부터 실리콘 에피택셜 웨이퍼를 얻는 방법은 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 통상의 방법을 이용하면 되므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

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 일반적인 결정 결함을 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함에 대하여 5분간 라이트 에칭(Wright Etching)한 후 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰한 사진이다.

도 3은 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함에 대하여 원자력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)으로 관찰한 사진이다.

도 4는 동일한 실리콘 단결정 잉곳으로부터 얻어진 복수의 웨이퍼들에 대하여 동일한 지점에서 발견되는 결함들의 위치를 잉곳의 길이방향을 z축으로 한 원통 좌표 상에 나타낸 그래프로서, (a)는 잉곳 길이방향의 거리 z와 잉곳 중심축으로부터의 거리 r의 관계를, (b)는 잉곳 중심축을 중심으로 회전한 각도 θ와 잉곳 중심축으로부터의 거리 r의 관계를 나타내며, (c)는 (a) 및 (b)의 결과로부터 웨이퍼 상의 일 지점에 위치한 결함을 잉곳 길이방향을 따라 그 위치를 플로팅한 그래프이다.

도 5는 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함에 대하여 SEM 사진에서 확인된 에칭 피트(etched pit)를 {010}면 방향으로 절단하여 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)으로 관찰한 사진이다.

도 6은 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함에 대하여 SEM 사진에서 확인된 에칭 피트를 {110}면 방향으로 절단하여 TEM으로 관찰한 사진이다.

도 7은 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함에 대하여 SEM 사진에서 확인된 에칭 피트를 여러 결정학적 면방향으로 절단하여 TEM으로 관찰한 사진들이다.

도 8은 도 6 및 도 7에 나타난 교차 슬립(Cross Slip) 부위를 고해상도 TEM으로 관찰한 사진이다.

도 9는 본 발명자들이 발견한 실리콘 웨이퍼 상의 결정 결함(CSD; Cross Slip Dislocation)을 SIRD(Scanning Infra Red Depolarization) 방법으로 검출하여 나타낸 사진이다.

도 10은 CSD를 가지는 웨이퍼에 대하여 GOI(Gate Oxide Integrity) 테스트 결과를 도시한 맵이다.

도 11은 HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법에서 시드 회전과 도가니 회전에 의해 발생하는 나선형 전단 왜곡(Sprial Shear Distortion)을 설명하기 위한 도면이다.

도 12는 결정의 면성장 메커니즘을 도식적으로 도시한 도면이다.

도 13은 나선 전위가 교차 슬립을 형성하면서 전파되는 과정을 도식적으로 도시한 도면이다.

도 14는 상부 열차폐체의 구조에 따른 실리콘 단결정 잉곳과 융액의 온도구배를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면으로서, (a)는 종래의 상부 열차폐체를 이용한 경우이고 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체를 이용한 경우이다.

도 15는 도 14의 (a) 및 (b)에 도시된 시뮬레이션 결과에 따라 형성되는 실 리콘 단결정 잉곳의 성장계면의 높이를 나타낸 그래프이다.

도 16은 도 14의 (a) 및 (b)에 도시된 시뮬레이션 결과에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 성장계면으로부터의 거리에 따른 냉각속도를 나타낸 그래프이다.

도 17은 도 14의 (b)에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 상부 열차폐체를 보다 상세히 도시한 단면도로서, 상부 열차폐체의 각 설계변수 및 일부 공정조건을 나타낸 도면이다.

도 18은 본 발명에 따른 효과를 도시한 그래프로서, (a)는 기존의 상부 열차폐체와 공정조건에서 제조된 실리콘 웨이퍼의 CSD 발생율을, (b)는 상부 열차폐체를 도 14의 (b)에 도시된 것으로 변경한 경우의 CSD 발생율을, (c)는 상부 열차폐체의 변경과 함께 공정조건을 표 3에 나타낸 바와 같이 변화시킨 경우의 CSD 발생율을 나타낸다.

도 19는 본 발명에 따라 상부 열차폐체의 구조를 변경하거나 실리콘 단결정 성장공정의 공정조건을 변화시킨 경우에 있어서 CSD의 감소여부를 도시한 그래프들이다.

도 20은 본 발명의 실시예에 따라 나선 전위의 확산을 방지하기 위해 불순물을 도핑한 경우 그 열처리 공정을 나타낸 공정 다이어그램이다.

Claims

HMCZ(Horizontal Magnetic Czochralski)법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치로서,

도가니에 담긴 실리콘 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되며, 상기 실리콘 융액으로부터 인상되는 실리콘 단결정 잉곳의 주위를 둘러싸도록 배치되는 상부 열차폐체(100)의 상기 잉곳 길이방향으로 잘라본 단면 형상이,

상기 실리콘 융액의 표면과 수직하게 또는 경사지게 하방으로 연장된 외벽면(110);

상기 외벽면(110)과 대향하여 상기 잉곳을 면하며, 상방에서 하방으로 갈수록 상기 잉곳쪽으로 접근하는 내벽 사면(121~123)과, 이 내벽 사면의 하단부에서 수직하게 하방으로 연장된 내벽 수직면(124)을 가지는 내벽면(121~124); 및

상기 외벽면(110)의 하단부에서 상기 내벽면(121~124)을 향하여 연장되되 상기 실리콘 융액의 표면과 제1각도(θ₄)를 이루며 실리콘 융액 표면으로부터 멀어지는 하부 사면(131)과, 이 하부 사면의 상기 내벽면(121~124)쪽 단부에서 하방으로 꺾여 연장되는 하부 하방면(132)과, 이 하부 하방면의 하단부에서 상기 내벽 수직면(124)을 향해 수평하게 연장되어 상기 내벽 수직면과 만나는 하부 수평면(133)을 가지는 하부면(131~133);을 포함하고,

상기 제1각도(θ₄)가 2~8도를 이루어, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 외벽면(110)과 하부 사면(131)이 만나는 지점(134)이 라운드 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 외벽면(110)과 하부 사면(131)이 만나는 지점(134)이 모따기 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제3항에 있어서,

상기 모따기 처리된 부분(134)이 상기 실리콘 융액 표면과 이루는 제2각도(θ₃)가 49~74도인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 하부면(131~133)의 폭(W₂)이 129~157mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 내벽 수직면(124)의 높이(H₂)가 59~72mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 내벽 사면(121~123)이, 상기 상부 열차폐체(100)의 상단부로부터 수직하게 하방으로 연장된 제1사면(122)과, 이 제1사면의 하단부에서 상기 내벽 수직면(124)을 향해 경사지게 연장된 제2사면(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제7항에 있어서,

상기 제2사면(123)이 상기 실리콘 융액 표면과 이루는 각도(θ₅)가 20~53도인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제7항에 있어서,

상기 상부 열차폐체(100)의 상면과 제1사면(122)이 만나는 지점(121)이 모따기 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제9항에 있어서,

상기 모따기 처리된 부분(121)의 연장선과 상기 제1사면(122)이 이루는 각도(θ₆)가 17~26도인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 상기 상부 열차폐체와 실리콘 융액 표면의 갭을 20~50mm로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 실리콘 융액의 표면으로부터 상기 도가니 외곽에 배치된 히터의 상단부까지의 높이를 100~150mm로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안, 상기 도가니를 0.01~1.0rpm의 속도로 회전시키고, 상기 잉곳을 상기 도가니의 회전방향과 반대방향으로 5.0~10.0rpm의 속도로 회전시켜, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 잉곳의 회전속도와 상기 도가니의 회전속도의 비가 5 ~ 50인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 단결정 잉곳이 인상되는 동안 상기 실리콘 융액에 인가되는 수평 자기장의 세기를 1000~4000Gauss로 하여, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 융액에 불순물로서 탄소, 질소 또는 산소를 각각 5E14~2E16, 5E13~3E14, 1E17~1E18 atoms/cc의 농도가 되도록 첨가하여 HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위의 확산을 방지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제16항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 얻어진 웨이퍼에 대하여, 1030~1180℃의 온도에서 5~10분간 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼의 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로서,

상기 실리콘 단결정 잉곳의 인상속도를 0.5~1.0mm/min으로 유지하여, HMCZ법에 기인하여 상기 실리콘 단결정 잉곳에 발생될 수 있는 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 제조된 실리콘 단결정 잉곳으로서,

HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 단결정 잉곳.
제19항에 기재된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 및 연마하여 얻은 실리콘 웨이퍼로서,

HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼.
제20항에 기재된 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층을 성장시켜 얻은 실리콘 에피택셜 웨이퍼로서,

HMCZ법에 기인하여 발생된 나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 에피택셜 웨이퍼.
실리콘 단결정 잉곳으로서,

나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 단결정 잉곳.
실리콘 웨이퍼로서,

나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼.
실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층이 형성된 실리콘 에피택셜 웨이퍼로서,

나선 전위로 인한 교차 슬립 전위가 존재하지 않는 실리콘 에피택셜 웨이퍼.