KR100987470B1 - 실리콘 단결정의 제조방법 및 실리콘 단결정과 실리콘웨이퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 대쉬 네킹법을 행하지 않는 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정의 제조방법으로서, 선단부의 각도가 28°이하인 선다이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시키기 전에 실리콘 융액의 직상에서 멈추어 가온하고, 그 후, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시키고, 원하는 직경가지 실리콘 융액에 침적하여, 그 후, 인상과정으로 전환하여 단결정의 인상을 행하는 경우에, 적어도 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시켜 인상과정으로 전환할 때까지의 사이는, 실리콘 융액표면의 온도변동을 ±5℃ 이하로 유지하는 실리콘 단결정의 제조방법이다. 이것에 의해, 대쉬 네킹법을 사용하지 않고 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 무전위로 단결정을 육성할 수 있는 성공율을 높이는 것과 동시에, 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정의 육성에서도, 소정직경이 200mm를 초과하는 대직경 고중량의 실리콘 단결정을 육성을 가능하게 한다.

무전위, <110>, 쵸크랄스키, 대직경고중량, 단결정

Description

실리콘 단결정의 제조방법 및 실리콘 단결정과 실리콘 웨이퍼{METHOD FOR PRODUCING SILICON SINGLE CRYSTAL AND, SILICON SINGLE CRYSTAL AND SILICON WAFER}

본 발명은, 쵸크랄스키법(이하 「CZ 법」 이라고도 칭한다)을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선단부가 뾰족하거나 뾰족한 선단부를 절취한 형상의 종결정(種結晶)을 이용하여, 대쉬 네킹(Dash Necking)법을 이용하지 않고 쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정을 육성제조하는 방법과, 이것에 의해 제조된 실리콘 단결정 및 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.

반도체소자를 형성하는 기판재료인 웨이퍼에는, 주로 CZ법에 의해 육성된 실리콘 단결정을 웨이퍼상으로 가공한, 실리콘 웨이퍼가 이용되고 있다. 일반적으로, CZ 법을 이용한 실리콘 단결정의 육성에서는, 도 2(A)(B)에 도시하는 형상의 종결정을, 융점인 1420℃ 이상으로 가열된 실리콘 융액에 조용히 접촉시키고, 종결정온도가 안정하게 될 때에, 융액 위쪽으로 종결정을 서서히 인상함으로써, 종결정의 아래쪽으로 실리콘 단결정의 육성을 도모한다. 이때, 종결정을 고온의 실리콘 융액에 접촉할 때에 초래되는 열충격으로, 종결정에는 무수한 슬립 전위가 발생하기 때문에, 이 슬립 전위를 제거할 목적으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 종결정 아 래쪽으로 성장하는 결정의 직경을, 일단, 3~5mm까지 서서히 가늘게 하는 단면 감소부를 형성한다. 그리고 나서, 슬립 전위가 육성결정으로부터 제거가능한 시점에서, 이번에는 조용히 원하는 직경까지 결정직경을 확대하여(확경부(擴徑部)의 형성), 필요로 하는 직경이 일정한 부위(정경부(定徑部))의 직경을 유지한 대략 원기둥형상의 실리콘 단결정을 인상한다.

종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때에 생기는 슬립 전위를, 결정직경을 3~5mm 정도까지 가늘게 단면 감소함으로써 제거하는 방법은, 대쉬 네킹법으로 볼리고, CZ법을 이용한 실리콘 단결정의 육성에서는 널리 이용되고 있는 제조방법이다.

한편, 현재의 실리콘 단결정제조에서는, 실리콘 단결정 그것의 생산성을 높이기 위해, 단결정의 정경부를 가능한 한 길게하는 생산형태를 채용하거나, 반도체 소자의 대형화나 실수율 향상을 목적으로 하여, 직경이 큰 실리콘 웨이퍼가 필요로 되고 있기 때문에, 인상하는 단결정의 대직경화, 고중량화가 진행되고 있다.

이러한 대직경, 고중량의 실리콘 단결정을 육성하기에는, 단면 감소부의 직경을 5mm 이하로 하지 않고서는 슬립 전위를 제거할 수 없는 대쉬 네킹 법에 의해서 생산 하고 있는 것은, 스스로의 한계에 직면한다.

그러므로, 최근에는 대쉬 네킹법을 이용하지 않고, 무전위에서 실리콘 단결정을 육성하는 방법도 검토되고 있다. 예를 들면, 특개평 10-203898호 공보에는, 선단이 뾰족한 형상 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 단면 감소부를 형성하지 않고 실리콘 단결정을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.

이 특개평 10-203898호 공보에 개시되어 있는 기술을 이용하면, 종결정 선단 에서 성장하는 결정의 직경을 5mm 이하로 가늘게 단면감소하지 않아도, 무전위의 실리콘 결정을 성장시키는 것이 가능하기 때문에, 대직경결정이나 고중량결정을 육성하기에 유리하게 된다.

그러나, 상술한 특개평 10-203898호 공보에 기재된 실리콘 단결정의 제조기술에서는, 종결정을 실리콘 융액에 착액(着液)시킬 때, 어떻게 슬립 전위를 생기지 않게 하는 조업조건을 정하는 지가 문제로 된다. 예를 들면, 선단의 형상이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정에서도, 실리콘 융액에 착액할 때에 종결정과 실리콘 융액의 온도의 차가 필요이상으로 큰 경우에는, 무수한 슬립전위가 종결정에 들어오고, 네킹을 실시하지 않으면 슬립 전위를 소멸시키는 것이 불가능하게 된다. 또한, 종결정 선단부를 원하는 직경까지 실리콘 융액에 침적하는 사이에도, 실리콘 융액의 온도가 크게 변화하면 종결정에 슬립 전위가 들어와 버리는 등, 조업면에서 검토되어야 할 점도 다수 남아 있다.

또한, 이 실리콘 웨이퍼에는, 물리적인 특징이나 결정성장 또는 반도체 소자를 제조하는 공정에서의 우위성으로 인하여, 반도체 소자를 형성하는 웨이퍼 주면의 면방위가 (100)이나 (111)인 실리콘 웨이퍼가 많이 이용되어 왔다. 단, 최근, 반도체 소자를 형성할 때의 캐리어의 이동이 결정방위에 크게 의존하기 때문에, 반도체소자의 동작속도의 고속화를 목표로 하여, 스위칭 속도의 고속화가 기대가능한 면방위 (110)의 실리콘 웨이퍼가 주목받고 있다(일경 마이크로 디바이스, 2001년 2월호 No. 188, 일경 BP사, 2001년 2월 1일발행).

이 면방위(110)의 실리콘 웨이퍼를 얻기 위해서는, 결정방위가 <100> 이나 <111>인 실리콘 단결정을, (110)면이 웨이퍼 주면으로 되도록 가공을 실시하든가, 처음부터 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 육성하여 실리콘 웨이퍼로 가공하는 방법이 있다. 단, 전자의 결정방위 <100> 이나 <111>인 단결정으로부터, 주면의 면방위가 (110)으로 되는 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에서는, 주면이 (110)면으로 되도록 원통상의 결정을 경사지게 절단할 필요가 있기 때문에, 일반적인 반도체 소자의 기판으로 되는 대략 원형의 실리콘 웨이퍼를 얻기에는, 형상을 조정하기 위한 잘려나가는 부분이 큰 손실로 되고, 가공에 요구되는 시간도 길게 되기 때문에, 공업적으로 실리콘 웨이퍼를 양산하기에는 효율이 좋은 방법은 아니다.

이것에 대하여, 처음부터 결정방위가 <110>인 단결정을 육성하고, (110)면을 주면으로 하는 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에서는, 다른 면방위의 실리콘 웨이퍼와 동일하도록, 실리콘 단결정을 인상축방향에 대하여 수직으로 슬라이스하고, 경면연마가공을 실시하면 (110)면을 주면으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다. 이 방법에 의하면, 단결정을 인상한 후의 가공공정에서는, 면방위가 (100)이나 (111)인 웨이퍼와 동일한 가공을 행할 수 있기 때문에, 웨이퍼 형상을 정할 때에 와서 연삭 손실이나, 형태 조정을 위한 가공시간을 최소한으로 억제하고, 쓸모있고 효율적인 웨이퍼 가공을 행할 수 있다.

단, 이 방법은, 결정방위가 <110>으로 되는 실리콘 단결정을 육성하는 것이 과제이다.

요컨대, 열충격에 의해 종결정에 야기되는 슬립전위는, 결정방위가 <100> 이나 <111>인 결정에서는, 결정성장 계면에 대하여 50~70°전후의 각도에서 도입되는 데, 종결정을 3~5mm 정도까지 가늘게 단면 감소시키면 육성결정으로부터 슬립전위를 빼내는(제거하는) 것이 가능하다. 단, 결정방위가 <110>인 결정에서는, 슬립 전위가 결정성장 계면에 대하여 대략 수직방향 근방에서 들어오기 때문에, 슬립 전위를 육성결정으로부터 간단히 제거하는 것은 어렵고, 특개평 9-165298호 공보 등에 개시되어 있듯이, 단면 감소부 직경을 2mm 미만으로까지 극단적으로 가늘게 하는 방법이나 단면감소부 직경을 3~5mm 정도로 가늘게 단면감소하고, 그 후, 직경을 크게하는 조작을 반복하여, 단면감소부에 다수의 요철을 만들어 슬립 전위를 빼내는 등의 특별한 방법을 이용하여, 실리콘 단결정을 육성하는 것이 요구된다.

특히, 결정방위가 <100>이나 <111>인 실리콘 단결정을 육성하는 경우에서는, 열충격으로 종결정 선단에 생긴 슬립 전위가 적으면, 선단의 형상이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용한 효과에 의해, 원하는 직경까지 종결정을 침적하는 사이에 슬립 전위를 소멸시켜버릴 수 있다. 단, 결정방위가 <110>인 결정에서는, 상술하였듯이 종결정의 용융면에 한번 슬립전위가 들어오면 소멸시키는 것은 극히 어렵다.

따라서, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정에 의해, 대쉬 네킹법을 이용하지 않고 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 육성하기에는, 결정방위가 <100> 이나 <111>인 실리콘 단결정을 육성하는 경우보다도, 한층 더 최적화된 조업조건을 형성할 필요가 있었다.

또한, 결정방위가 <110> 인 실리콘 단결정의 육성에 있어서도, 고중량, 대직경의 실리콘 단결정을 생산하기에는, 슬립 전위를 제거하기 위하여 대쉬 네킹법을 이용하여 단면 감소부를 형성하고, 또한 전위제거를 확실하게 하기 위해 단면 감소부의 최소직경을 2~3mm 정도까지 가늘게 한 것으로는, 최대 직경 200mm 이상의 대직경, 100kg 이상의 고중량의 실리콘 단결정을 인상하는 것은 불가능하다. 이러한 고중량, 대직경의 실리콘 단결정을 지지하여 인상하기 위해서는, 종결정 선단에 형성되는 종결정은, 최소직경부분에서도 5mm 이상인 직경을 확보할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 사용하여, 대쉬 네킹법을 이용하지 않고 CZ 법에 의해 실리콘 단결정을 육성하기에 적합하고, 무전위에서 단결정을 인상할 수 있는 성공율을 높이는 동시에, 결정방위가 <110> 인 실리콘 단결정의 육성에서도, 종결정 선단에 형성되는 결정의 최소직경을 5mm 이상으로 하여, 단결정부의 직경이 200mm, 또는 그 이상의 대직경인 실리콘 단결정을 육성하는 것이 가능한 실리콘 단결정의 제조방법과 실리콘 단결정, 및 직경이 200mm 이상인 면방위 (110)의 직경이 큰 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본발명의 실리콘 단결정의 제조방법은, 대쉬 네킹법을 행하지 않는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조방법에서, 선단부의 각도가 28°이하인 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시키기 전에 실리콘 융액의 직상에서 정지하여 가온(加溫)하고, 그 후, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시켜, 원하는 직경까지 실리콘 융액에 침적하고, 그 후, 인상과정 으로 전환하여 단결정 인상을 행하는 경우에, 적어도 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시켜 인상과정으로 전환할 때까지의 사이는, 실리콘 융액표면의 온도변동을 ±5℃ 이하에서 유지하는 것을 특징으로 한다.

대쉬네킹을 행하지 않음으로써 종결정선단에 형성되는 종결정은, 5mm 이상의 직경을 확보하는 것이 가능하게 되고, 직경 200mm 이상의 대직경, 100kg 이상의 고중량의 실리콘 단결정을 인상하는 것이 가능하다.

특히 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 대쉬네킹(종결정 선단에 형성되는 종결정을, 일단, 3~5mm 정도까지 가늘게 하여 슬립전위를 제거한다)을 행하지 않고 무전위에서 실리콘 단결정을 육성하는 경우에는, 종결정으로서 선단부의 각도가 28° 이하인 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여 결정성장을 행하는 것이 바람직하다. 종결정선단부의 각도가, 28°이하인 종결정을 이용함으로써, 무전위에서 단결정을 인상하는 성공율을 높일 수 있다.

선단부의 각도가 28°이하이면, 실리콘 융액에 종결정을 접촉시킬 때에 생기는 열충격을 완화하기 쉽게 되고, 또한, 슬립 전위가 조금 생긴 경우에도, 종결정 선단부의 각도를 28°이하인 종결정을 이용함으로써, 슬립전위를 종결정 밖으로 제거하는 것이 용이하게 된다. 단, 선단부의 각도가 28°를 초과하는 경우에는, 종결정의 선단부위에서 열용량이 크게 되어, 실리콘 융액에 선단부를 접촉할 때에 온도차가 있을 수 있어 열충격이 생기고, 이것에 의해 슬립 전위가 결정에 도입되게 된다. 또한, 실리콘 융액에 침적한 후의 종결정 선단부의 직경도 자동적으로 크게 되기 때문에, 도입된 슬립 전위도 결정의 밖으로 배출되기 어렵게 되어 버린다.

이러한 이유로부터, 본발명의 제조방법으로는, 실리콘 융액과 종결정을 접촉시킬 때의 열충격을 억제하기 위해, 종결정 선단부의 각도가 28°이하인 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용한다.

그리고, 상술한 종결정을 실리콘 융액에 접촉시키기 전에는, 실리콘 융액의 직상에, 실리콘 융액표면의 온도와 거의 동일한 온도로 될 때까지 가온할 필요가 있다.

실리콘 융액에 종결정을 접촉시키기 전에 가온하고, 충분히 종결정 선단부의 온도를 실리콘 융액의 온도에 가깝게 함으로써, 실리콘 융액에 침적하는 종결정 선단부와 실리콘 융액의 온도차를 없애고, 열충격의 발생을 억제할 수 있다. 이 때, 실리콘 융액 직상에서의 종결정의 가온은, 바람직하게는, 5~60 분 정도, 최적으로는, 20~30분 정도로 하는 것이 적절하다.

5~60분의 범위에서 종결정선단부를 가온하면, 충분히 종결정 선단부의 온도를 실리콘 융액표면의 온도에 가깝게 할 수 있고, 가온을 행함으로써, 실리콘 단결정의 생산성도 손상시키지 않는다. 보다 최적으로는, 종결정의 가온은, 실리콘 융액과 종결정 선단부의 간격을 1~5mm 정도의 범위에서 유지하고, 20~30 분간의 가온을 가하여 실리콘 융액으로의 침적을 행하면, 종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때의 열충격을 가능한한 적게 할 수 있다.

또한, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉하여 원하는 직경으로 될 때까지 실리콘 융액에 담구어 인상과정으로 전환할 때까지의 사이는, 종결정 근방 의 실리콘 융액 표면의 온도변동을 ±5℃ 이하로 유지하여 침적을 행할 필요가 있다.

실리콘 융액은, 그 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 융액으로서 유지되고 있기 때문에, 실리콘 융액은 일반적으로 열대류를 발생시키고, 끊임없이 온도가 미묘하게 변화하고 있다. 이 열대류에 의한 온도변화가 너무 크면, 실리콘 융액의 온도에 맞추어 종결정을 가온하여 착액시켜도, 종결정의 선단부에 열충격이 가해져 슬립전위가 발생하게 된다. 또한, 종결정의 선단부를 실리콘 융액중에 담구어 넣어도, 선단부를 담구어 넣는 도중에 종결정 근방의 실리콘 융액온도가 크게 변화하면, 종결정과 융액온도의 온도차에 의해 종결정에 열적인 변형이 생기고, 슬립 전위가 종결정에 들어와서, 그 이후, 무전위에서 단결정을 성장시키는 것이 어렵게 된다.

이러한 슬립 전위의 도입을 가능한 한 억제하기 위해서는, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정의 선단부를, 실리콘 융액에 접촉할 시점부터, 원하는 직경으로 할 때까지 선단부를 실리콘 융액에 담구어 인상과정으로 전환할 때까지의 사이의 종결정 선단부 근방의 융액 표면온도의 변동을, 종결정 접촉시의 온도로부터 ±5℃ 이하로 되도록 유지하여 단결정 인상을 행할 필요가 있다. 실리콘 융액의 온도변동이 ±5℃ 를 초과하면, 착액할 때나 침적시에 슬립 전위가 종결정에 들어가기 쉽게 되고, 무전위에서 실리콘 단결정을 인상하는 것이 가능한 성공율이 저하되어 버린다.

특히, 한번 슬립 전위가 도입되면 전위소멸을 이루기가 어려운 결정방위 <110>의 실리콘 단결정에서는, 종결정을 침적하는 부분의 실리콘 융액의 온도변동이 ±5℃를 넘으면, 무전위에서 실리콘 단결정을 육성할 수 있는 가능성이 극히 작아진다. 적어도, 결정방위가 <110> 인 실리콘 단결정을, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 대쉬 네킹을 행하지 않고 인상하기 위해서는, 종결정 선단부를 침적하는 근방의 실리콘 융액의 온도변동을, 종결정을 융액에 접촉할 때의 융액온도에 대하여 ±5℃ 이하로 유지하고, 종결정의 온도직경으로 될 때까지의 침적을 행할 필요가 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 실리콘 융액의 온도변동을 ±3℃이하로 억제하는 것이 최적이다. 종결정의 침적부 부근의 융액온도변동을 더욱 작게 하여, 종결정을 접촉할 때의 융액온도에 대하여 ±3℃이하로 유지하여 인상을 행하면, 결정방위가 <110>인 단결정에서도, 실리콘 융액의 온도변동에 의해 야기되는 슬립 전위가 발생하는 것이 거의 없어지므로, 거의 확실히 무전위로 원하는 직경을 가지는 실리콘 단결정을 인상하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시킬 때의 실리콘 융액의 온도를, 대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법에서 종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때의 적정 온도보다도, 10~20℃ 높은 실리콘 융액온도로 하여 종결정을 실리콘 융액에 접촉시켜 담구어 넣는 것을 행하고, 적어도 상기 종결정의 강하를 멈추고 인상과정으로 전환한 직후부터, 종결정 아래쪽에 형성되는 종결정이 확대하기 시작되는 사이의 감경부의 형성에서는, 인상속도를 0.5mm/min 이하로 하여, 단결정을 인상하는 것이 좋다.

대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법으로 종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때에 적당한 온도인 온도보다도, 실리콘 융액의 온도가 낮은 경우 또는 높더라도 차가 10℃ 미만이면, 종결정을 실리콘 융액에 침적할 때에, 침적부위가 스무드(smooth)하게 실리콘 융액에 용해되지 않고, 그 결과, 고화가 생기는 등, 이상한 결정 성장이 일어날 가능성이 있다.

다른 한편, 실리콘 융액의 온도가, 대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법으로 종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때의 적당한 온도로 되는 온도보다도 20℃를 초과하여 너무 높게 되면, 이번에는 종결정을 실리콘 융액에 접촉시키기 전에 선단부가 용해되고, 종결정을 실리콘 융액에 잘 접촉킬 수 없게 될 가능성이 있다.

이상의 사실을 고려하면, 종결정을 침적시킬 때의 실리콘 융액의 온도는, 대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법으로 종결정을 실리콘 융액에 접촉할 때에 적당한 온도인 온도보다도, 10~20℃ 높은 온도범위로 유지하고, 종결정을 실리콘 융액에 접촉하여 담구어 넣는 것이 바람직하다.

그리고, 원하는 직경까지 종결정 선단부를 실리콘 융액으로 담구어 넣는 것이 종료되고, 종결정의 강하를 멈추고 인상과정으로 전환한 직후부터, 종결정 아래쪽에 형성되는 종결정이 확대되기 시작할 때까지의 사이의 감경부의 형성에서는, 인상속도를 0.5mm/min 이하로 유지하여 실리콘 단결정의 육성을 행하는 것이 바람직하다.

원하는 직경까지 종결정 선단부를 담구어 넣는 것을 종료하고, 인상과정으로 전환한 직후는, 종결정 아래쪽으로 형성되는 결정은, 일단, 결정직경이 종결정을 담구어 넣는 종료시점의 직경보다도 약간 가늘어져 결정성장이 행해진다(감경부(減徑部)의 형성). 이 때, 필요이상으로 빠른 속도로 인상을 행하면, 종결정 아래쪽에 성장하는 결정 직경이 원하는 직경보다도 너무 가늘게 되거나, 경우에 따라서는 결정이 실리콘 융액으로부터 떨어져버리는 등의 문제가 생긴다.

이러한 문제를 억제하기 위해서는, 종결정을 담구어 넣는 것을 멈추고 인상과정으로 전환한 후, 종결정 아래쪽에 형성된 결정 직경의 확대가 시작되는 사이의 감경부의 형성시에는, 인상 속도를 0.5mm/min 이하로 유지하여 결정성장을 행하는 것이 적절하다.

또한, 상술한 종결정의 착액침적조건을 형성하기 쉽게 하기 위해서는, 적어도 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉하는 시점부터, 종결정 아래쪽에 형성되는 감경부의 형성이 종료하여 결정 직경의 확대가 시작될 때까지의 사이는, 실리콘 융액에 중심자장강도가 1000G 이상으로 되는 수평자장을 인가하고, 실리콘 단결정을 육성하면 좋다.

본발명에서는, 종결정선단부를 침적하는 근방의 실리콘 융액의 온도변동을, 종결정을 융액에 접촉할 때의 융액온도에 대하여 ±5℃ 이하로 유지하여 육성하는 것이 중요하다. 이러한 도가니에 수용되는 실리콘 융액의 온도변동을 억제하기 위해서는, 도가니 외주에 배치된 히터로부터의 가열에 의해 생기는 실리콘 융액의 열대류를 가능한한 적게 억제할 필요가 있다. 이 열대류를 효율적으로 억제하기 위해서는, 실리콘 융액에 자장을 인가하면서 단결정의 육성을 도모하는 자장인가 CZ 법(이하, MCZ 법이라 칭한다)을 이용하는 것이 적합하다. 그 중에서도, 종결정을 접촉하여 침적할 때의 종결정 근방의 실리콘 융액온도를 안정시키기 위해서는, 도가니내의 실리콘 융액의 온도구배를 적게 하는 효과가 큰 수평 자장을 실리콘 융액에 인가하여, 종결정의 접촉부터 침적까지를 행하는 것이 바람직하다. 이러한 실리콘 단결정의 육성방법으로서는, 수평자장인가 CZ 법(이하, HMCZ 법이라 칭한다)이 있다.

이 HMCZ 법을 이용하여, 실리콘 융액에 자장강도가 1000G(가우스) 이상의 자장을 인가하면서, 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉하여 원하는 직경까지 융액중에 침적을 행하면, 그 사이는 침적부위 부근의 실리콘 융액의 온도변동을 ±5℃ 이하로 억제하는 것이 용이하게 된다. 단, 이러한 억제방법에 제한되지 않고, 자장강도가 1000G보다 작은 경우, 또는 자장을 인가하지 않는 경우에도, 기타의 억제수단, 예를 들면 실리콘 융액의 표면을 램프 가열에 의해 가열하여 실리콘 융액내의 상하방향의 온도구배를 완만하게 하는 것으로 열대류가 억제가능하고, 실리콘 융액량을 적게 설정하여, 융액 깊이를 얕게 하는 것에 의해 실리콘 융액의 열대류를 억제하는 것이 가능하며, 또한, 자장인가와 병용하는 등으로, 종결정을 침적하는 부분의 실리콘 융액의 온도변동을 ±5℃ 이하로 억제하여 육성하면 동일한 효과는 얻어진다.

실리콘 융액에 자장을 인가하여, 적절하게 실리콘 융액의 온도변동을 억제하도록 할 때에는, 중심의 자장강도가 1000G 이상으로 되는 수평자장을 실리콘 융액에 인가하여, 선단이 뾰족하거나 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 접촉하여 침적을 도모하는 것이 적절하다.

또한, 실리콘 융액에 인가하는 자장의 최대강도는, 장치구성이나 실용적인 범위에서의 자장인가를 고려하면, HMCZ 법으로 하면 현재는 최대로 하여도 중심 자장강도가 9000~10000G 정도가 상한이다.

이 HMCZ 법을 이용하여, 실리콘 융액에 1000G 이상의 수평자장을 인가하여 실리콘 단결정을 인상하는 방법에서는, 특히 결정직경이 200mm를 넘도록 대형 실리콘 단결정을 육성하는 경우에도 효과적으로 작용한다. 결정직경이 큰 단결정을 육성하는 경우, 생산성이나 실수율을 고려하여, 실리콘 융액을 유지하는 도가니로 대형의 도가니를 사용하고, 100kg을 초과하는 다량의 원료를 한번에 도가니에 넣어 단결정 육성을 행하는 것이 일반적이다.

도가니에 유지하는 원료, 즉 실리콘 융액의 양이 증가하면, 히터에 가까운 실리콘 융액의 바깥 가장자리부와 융액 중심 부근에서의 온도차가 크게 되고, 열대류가 활발하게 되어 종결정 침적부분 근방의 융액 온도를 안정시키는 것이 어렵게 된다. 이 때, 실리콘 융액에 1000G 이상의 원하는 자장을 인가하면, 도가니 내의 열대류가 억제되고, 종결정의 침적부분 근방에서의 융액온도의 안정을 도모할 수 있다.

또한, 실리콘 융액에 인가하는 수평자장의 강도는, 실리콘 융액의 온도안정에 더하여, 육성하는 단결정의 직경이나 품질조건에 따라 적절히 선택하면 된다.

이러한 실리콘 단결정의 제조방법을 이용함으로써, 선단이 뾰족하거나 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 실리콘 융액에 접촉하여 침적할 때의 융액온도가 안정하고, 열충격에 의한 슬립전위의 발생을 가능한 한 저감하고, 또는 완전히 발생시키지 않고 종결정을 원하는 직경까지 침적시킬 수 있게 된다.

이것에 의해, 무전위에서 원하는 정경부(定徑部) 직경을 가지는 실리콘 단결정을 인상할 수 있는 성공율을 높임과 동시에, 이것까지는 대쉬 네킹 법에 의한 제약때문에, CZ법을 이용한 실리콘 단결정의 육성에서는 곤란하다고 생각되었던, 결정방위가 <110>인 상기 종결정을 이용하여, 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 인상하는 것이 가능하게 되고, 또한 쵸크랄스키법을 이용하여 육성한 실리콘 단결정으로서, 실리콘 단결정의 결정방위가 <110>이고, 동시에 직경이 200mm 이상인 단결정 정경부를 가지는 실리콘 단결정, 또는 이러한 실리콘 단결정으로서, 실리콘 융액으로부터 인상되는 결정의 총중량이 100kg 이상, 더 많게는 300kg을 초과하는 실리콘 단결정도 인상이 가능하게 된다.

그리고, 상술한 제조방법에 의해 육성된 결정방위 <110>인 실리콘 단결정을, 결정방위가 <100>이나 <111>인 결정과 같은 제조공정에 의해, 원통연삭을 행하여 슬라이스하고 경면연마가공을 실시하면, 반도체 소자를 제작할 때의 주재료로 되는 웨이퍼 주면(柱面)의 면방위가 (110)인 실리콘 웨이퍼를, 공업적으로 효율좋게 생산할 수 있게 된다.

특히, 종래의 방법에서는 육성이 곤란하다고 생각되었던, 정경부 직경이 200mm를 초과하는 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정이 얻어지게 됨으로써, 웨이퍼의 주직경이 200mm 이상이고, 동시에 웨이퍼의 주면의 면방위가 (110) 인 실리콘 웨이퍼를 용이하게 생산하는 것이 가능하게 된다. 또한, 여기서 실리콘 웨이퍼의 주직경은, 오리엔테이션 플랫(flat) 또는 오리엔테이션 노치를 포함하지 않는 웨이퍼 주면의 직경을 가리킨다.

이 면방위 (110)에서 직경이 200mm 이상인 실리콘 웨이퍼를 이용하면, 높은 기능을 가지는 반도체소자를, 실수율 좋게 대량으로 생산할 수 있게 된다.

결정축방위가 <110>인 실리콘 단결정의 육성은, 종결정을 실리콘 융액에 착액할 때의 열충격에 의해 초래되는 슬립 전위가, 결정성장계면에 대하여 대략 수직으로 들어가기 때문에, 대쉬 네킹법을 이용한 방법에서는 슬립 전위를 소멸시키는 것이 어렵고, 대량으로 생산하는 것은 곤란하다. 또한, 대쉬 네킹법을 이용한 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정의 육성에서는, 슬립 전위를 소멸시키기 위해, 단면감소부의 직경을 2mm 이하까지 가늘게 할 필요가 있고, 결정직경이 큰 200mm 또는 300mm 이상인 대직경 고중량의 결정을, 효율 좋게 생산하는 것은 어렵다고 생각된다.

그러나, 본발명의 제조방법을 이용함으로써, 결정방위가 200mm를 초과하는 대직경의 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정, 또는 정경부 직경을 가능한한 길게 인상한 중량이 100kg 이상인 결정방위 <110>의 실리콘 단결정도, 안전하게 효율 좋게 생산하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 동시에 결정방위 <110> 이외의 대쉬 네킹법에 의하지 않고 실리콘 단결정을 육성하는 무전위 종부(種付)법을 채용한 실리콘 단결정의 육성에서는, 무전위로 단결정을 인상하는 성공율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은, 본발명에 의한 실리콘 단결정의 제조방법을 실시하기 위한, 자장인가장치를 설치한 CZ법 단결정 제조장치의 개략도이다.

도 2는, 대쉬 네킹법에서 사용하는 종결정과, 본발명의 제조방법에서 사용하는 선단이 뾰족하거나 뾰족한 선단부를 절취한 형상의 종결정을 도시한 도면이다.

도 3은, 본발명의 제조방법을 이용하여 육성한 결정방위 <110>에서 직경이 약 200mm인 실리콘 단결정의 일부를 도시한 사진이다.

도 4는, 대쉬 네킹법에 의한 슬립전위의 제거를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본발명의 실시 형태를, 첨부하는 도면을 참조하면서 설명한다. 도 2의 (C)(D)(E)(F)에 나타낸 도면은, 본발명에 의한 실리콘 단결정의 육성에 이용하는 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 나타내는 개략도이다.

도 2의 (C)(D)는, (C)가 원기둥 형상의 직통부(3c)를 가지는 원뿔상의 선단부(4c)를 가지는 종결정(1c)를 나타낸 것이고, (D)는 각기둥 형상의 직통부(3d)를 가지는 각뿔상의 선단부(4d)를 가지는 종결정(1d)를 나타낸 것이다.

또한, 도 2 (E) 및 (F)는, 도 2 (C)의 종결정의 선단부(4c)를 절취한 형상의 종결정 선단부를 도시한 것으로, (E)는 종결정(1c)의 선단부(4c)를 수평으로 절취한 선단부(4e)를 도시하고, (F)는 선단부(4c)를 경사지게 절취한 선단부(4f)를 도시하고 있다. 선단부를 절취한 형상의 종결정에서는, 도 2 (E)(F)에 나타낸 선단부(4e, 4f)의 최하단의 면적이 너무 크면, 종결정을 융액에 접촉할 때에 열충격을 발생시키기 용이하게 되므로, 종결정이 최초에 실리콘 융액에 좁촉할 때의 면적이 5mm²이하로 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본발명에서 말하는 종결정 선단부의 각도로는, 도 2 (E)나 (F)에 나타낸 선단부(4c)를 절취한 형상의 종결정인 경우는, 선단부(4c)를 절취하기 전의 선단형상을 상정할 때의 종결정 선단부의 정각(頂角)을 가리킨다.

그리고, 이들 종결정은, 단결정 육성시에는 종결정 직통부(3c 및 3d)에 설치된 걸기부(係止部)(2c, 2d)를 통하여, 직통부(3c, 3d)가 도 1에 나타낸 단결정 제조장치(10)의 씨드홀더(28)내에 걸려 단결정의 제조에 이용된다.

본 발명의 실리콘 단결정의 제조방법으로는, 도 2의 (C)(D)(E) 및 (F)에 도시하였듯이, 종결정을 실리콘 융액에 착액할 때에, 열충격으로 종결정에 슬립전위가 들어가지 않도록, 예를 들어 적었듯이 종결정 선단부(4c~4f)가 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상으로 하고 있고, 대쉬 네킹법을 이용한 제조방법에서 사용하는 종결정과는, 명확히 다른 형상을 하고 있다.

대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 육성에서 이용하는 종결정의 예시로서, 도 2 (A)에 대략 원기둥형상의 종결정, (B)에 각기둥 형상의 종결정을 나타낸다.

또한, 실리콘 단결정의 육성에서는, 육성하는 실리콘 단결정의 결정방위를 원하는 것으로 하기 위해서, 육성하는 단결정과 같은 결정방위를 가진 종결정을 사용하여 단결정의 육성을 도모한다. 예를 들면, 결정방위가 <110>인 단결정을 육성 하려면, 인상축방향의 결정방위가 <110>인 종결정을 이용하면 좋다.

그리고, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 실리콘 융액에 착액할 때에는, 도 2에 도시한 종결정(1c 또는 1d)을 실리콘 융액(M)과 거의 동일한 온도까지 융액직상에서 가열하고, 종결정의 온도가 안정할 때 조용히 선단부(4c. 4d 또는 4e, 4f)를 실리콘 융액(M)에 담그고, 선단부가 원하는 직경까지 잠길 때 인상과정으로 전환하는 것에 의해, 임의의 감경부(S0)를 가지는 도 1에 도시한 실리콘 단결정(S)가 육성된다.

도 1은, 본 발명의 방법에 의해 실리콘 단결정을 육성하기 위한 제조장치를 나타내는, 개략도이다. 단결정 제조장치(10)는, 실리콘 융액(M)을 유지하여 단결정육성이 행해지는 육성로(12)와, 실리콘 융액(M)으로부터 인상되는 실리콘 단결정(S)를 수용하여 빼내기 위한 상부 육성로(14)로 이루어진다.

상부 육성로(14)의 위쪽에는, 단결정을 육성할 때에 결정을 회전 인상하기 위한 권취 회전기구(26)이 설치되고, 이 권취 회전기구(26)부터 말려 빼내어지는 와이어(24)의 선단에는, 종결정(27)(도 2에 예시한 종결정 1c 또는 1d)를 걸기위한 씨드홀더(seed holder)(28)이 있다. 단결정육성시에는, 종결정(27)의 직통부를 씨드홀더(28)에 걸고, 권취 회전기구(26)으로부터 와이어(24)를 풀어 내어, 종결정 선단부를 원하는 위치까지 실리콘 융액(M)에 침적하고, 종결정(27)을 회전시키면서 소정의 속도로 인상하는 것에 의해, 종결정(27) 아래쪽에 실리콘 단결정(S)의 육성을 도모하는 것이다.

한편, 육성로(12)의 내부에는 실리콘 융액(M)을 유지하기 위한 도가니(18)이 구비되고, 고온의 실리콘 융액(M)을 유지하기 때문에, 도가니(18)의 안쪽은 석영제 도가니(18a)로, 그 바깥쪽은 석영제 도가니(18a)를 보호하기 위해 흑연제 도가니(18b)로 구성되어 있다. 이 도가니(18)은, 도가니 지지축(16)에 의해 육성로(12)의 대략 중앙에 배치되고, 도가니 지지축(16)의 아래쪽에는, 단결정을 육성할 때에 융액면을 일정하게 유지하는 것이나, CZ법 또는 MCZ법에서는 도가니(18)을 회전시키면서 결정육성을 행하기 위하여, 도가니 구동기구(20)이 취부되어 있다.

또한, 도가니(18)의 바깥쪽에는 원료인 다결정 실리콘을 융해하여, 실리콘 융액(M)으로 유지하기 위한 흑연제 히터(23)이 설치되고, 히터(23)의 발열량을 조정함으로써, 실리콘 융액(M)의 온도를 결정육성에 적합한 온도로 유지하는 조업이 행해진다.

히터(23)의 바깥쪽과 육성로(12)의 저부에는, 단열재(22) 및 저부 단열재(21)을 구비하고, 육성로(12) 내부를 보온함과 동시에, 히터(23)으로부터의 복사열이 직접 육성로(12) 노벽에 미치는 것을 방지하고 있다.

그리고, 도 1의 단결정 제조장치(10)에는, 실리콘 융액(M)의 대류를 억제하고 온도의 안정을 도모하는 것을 목적으로 하여, 육성로(12)의 바깥족에는, 수평자장을 실리콘 융액(M)에 인가하기 위한 장치인 전자석(33)이 설치되어 있다.

이 단결정 제조장치(10)에는, 융액온도의 변동을 효율적으로 억제하기 위하여, 수평자장의 중심을 실리콘 융액(M)에 배치하고, 종결정(27) 침적시에는 원하는 자장강도인 중심자장강도가 1000G 이상으로 되는 수평자장이 실리콘 융액(M)내에서 얻어지도록 하고 있다.

또한, 단결정육성개시부터 노내가 상온으로 돌아올때까지는, 실리콘 융액(M)이나 단결정 제조장치(10)내에 배치된 구조물이 산화하는 것을 방지하는 등의 목적으로, 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 노내에 흘려 조업을 행할 필요가 있다. 이를 위하여, 상부 육성로(14)에는 제조장치(10)내에 흐르는 불활성 가스유량을 제어하기 위한 가스유량 제어장치(30)와, 육성로(12)의 저부에 내부의 압력을 조정하기 위한 압력제어장치(32)가 취부되어 있다. 조업시는, 단결정의 육성조건에 맞추어, 이들 장치에 의해 단결정 제조장치(10)내로 흐르는 불활성 가스의 유량이나 압력의 조정을 도모한다.

다음에, 본발명의 방법에 의한 실리콘 단결정의 육성방법을 상술한다.

우선, 원료인 다결정 실리콘을 도가니(18)에 장입하고, 히터(23)를 발열시켜 다결정 실리콘을 용융한다. 다결정 실리콘이 전부 용해하여 융액으로 될 때, 실리콘 융액(M)을 단결정육성에 적합한 온도까지 온도를 낮춘다. 이때, 도프제의 투입, 실리콘 융액(M) 면의 위치조정 등, 종결정(27)을 융액에 접촉하여 침적하기 위하여 필요한 조건을 조정하고, 전자석(33)에 의해 중심 자장강도가 1000G 이상으로 되는 수평자장이 실리콘 융액(M)에 가해지도록 자장인가를 개시한다. 또한, 이 자장은 적어도 종결정(27)의 선단부를 실리콘 융액(M)에 접촉하는 시점부터, 종결정(27) 하부에 형성되는 감경부(S0)의 형성이 종료하여 종결정의 확대가 시작할 때까지의 사이에는, 인가된다.

실리콘 융액(M)의 온도가 소정온도(바람직하게는, 대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법에서 종결정을 실리콘 융액에 접촉하는 것에 적합한 온도인 온도보다도, 10~20℃ 높은 온도)에 도달하면, 안정하는 것을 기다려, 선단부의 정각이 28°이하인 종결정(27)을 실리콘 융액(M) 직상까지 낮추고, 종결정(27) 선단부의 온도가 실리콘 융액(M)의 온도와 거의 동일한 정도까지 가온(加溫)되는 것을 기다린다.

그 후, 종결정(27)이 실리콘 융액(M)의 온도와 거의 동일한 온도까지 가온되고, 또한 종결정(S)를 침적하는 도가니(18) 중심부근의 실리콘 융액(M) 표면의 온도가, ±5℃ 이하의 변동으로 추이를 나타낼 때까지 온도안정이 이루어지면, 조용히 종결정(27)을 실리콘 융액(M)에 접촉시켜 침적한다. 적어도, 이 종결정(27)의 선단부를 실리콘 융액(M)에 접촉시켜 인상과정으로 전환할 때까지의 사이에는, 슬립 전위의 도입을 억제하기 위하여, 종결정(S)이 침적하는 부분의 실리콘 융액(M) 표면의 온도변동을 ±5℃ 이하, 바람직하게는 ±3℃ 이하로 유지하는 것이 좋다.

그리고, 선단부가 소정직경까지 실리콘 융액(M)에 침적할 때에 종결정(27)의 강하속도를 낮추어 멈추고, 종결정(27)의 상승속도와 실리콘 융액의 온도를 조정하면서 인상단계로 넘어간다.

또한, 종결정(27)을 인상과정으로 전환할 때에, 인상속도가 너무 빠르거나 융액온도가 적절하지 않으면 종결정(27)의 선단이 융액으로부터 떨어지거나, 선단에 형성되는 종결정이 원하는 직경보다 가늘게되어 버린다. 종결정(27)을 인상과정으로 바꿀 때는, 종결정 선단에 형성되는 종결정을 보면서, 육성되는 종결정이 원하는 직경이하로 되지 않도록 인상속도를 조정하면서 조용히 인상한다.

특히, 종결정(27)을 인상과정으로 전환한 직후는, 종결정 선단부의 침적후의 선단부 직경보다도, 종결정(27) 하단으로 성장하는 종결정이 가늘게 되는 경향을 보이면서 결정이 형성되어 간다. 이때, 무리하게 결정직경을 확대하려고 하면, 종결정(27)에 슬립 전위가 도입되거나 육성결정이 융액으로부터 떨어져버리는 등의 문제가 일어나므로, 침적부터 인상과정으로 전환한 직후는, 종결정(27) 선단에 형성되는 결정이, 침적한 종결정(27) 선단부의 침적 직경보다도 조금 감소하도록, 인상속도를 조정하여 인상을 행할 필요가 있다(감경부(S0)의 형성). 바람직하게는, 이 때의 인상속도는 0.5mm/min 이하로 유지하여 인상하면 좋다.

또한, 종결정(27)의 선단부의 침적 직경은, 인상과정으로 전환할 때에 선단에 형성되는 결정이, 일단 가늘어지는 것을 고려하여 넣어서 침적을 행할 필요가 있다.

종결정(27)의 하단에 선단부의 침적 직경보다 가는 결정이 형성되는 것을 확인하면, 인상속도 및/또는 융액온도를 서서히 변화시켜, 결정직경을 확대할 확경공정으로 이행(移行)한다(확경부(S1)의 형성).

확경공정에 의해 종결정(27) 아래쪽에 형성되는 단결정(S)의 직경을 원하는 직경까지 확대하고, 소정 직경에 도달할 때에 확경부(S1)의 형성을 멈추고, 다시 한번, 인상속도 및/또는 융액온도를 조정하여 단결정 정경부(S2)의 형성으로 이행한다. 정경부(S2)의 형성에서는, 육성되는 결정의 품질이나 노내 환경에 맞추어 조업조건을 조정하면서, 정경부(S2)의 길이를 소정길이까지 인상한다(정경부(S2)의 형성).

그리고, 소정길이의 정경부(S2)의 형성이 완료한 시점에서 육성조건(인상속 도, 융액온도, 등)을 변경하고, 결정직경을 서서히 적게하여 꼬리부(S3)를 형성한다(꼬리부(S3)의 형성).

꼬리부 형성이 완료하면 육성 결정을 실리콘 융액(M)으로부터 분리하고, 상부육성로(14)까지 끌어올리고, 상온으로 결정온도가 낮아지는 것을 기다려 단결정 제조장치(10)으로부터 외부로 실리콘 단결정(S)를 빼내어 육성을 종료한다.

그리고, 상술한 방법에 의해 육성된 단결정에 절단/원통연삭가공을 실시하고, 그 후, 공지된 방법에 의해 경면 웨이퍼로 가공하면, 반도체소자를 만들기 위한 주재료인 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

이하에 실시예와 함께 본발명을 구체적으로 설명하지만, 본발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

(실험1)

먼저, 제조하기 어려운 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 육성하기 위해서는, 어떠한 조업조건이 바람직한지 검토하기 위해, 도 1에 도시한 실리콘 단결정 제조장치를 이용하여, 실리콘 융액에는 자장을 인가하지 않고, 대쉬 네킹법을 이용한 인상방법을 채용하여, 결정 정경부의 직경이 약 150mm(6 인치)인 실리콘 단결정을 제조하였다.

종결정에서는, 대쉬 네킹법을 이용하여 전위제거를 도모하여 실리콘 단결정을 육성하는 것으로부터, 실리콘 융액과 접촉하는 면이 평평한, 한변이 15mm인 각 기둥형상의 결정방위가 <110>인 종결정(도 2 (b))에 도시한 형상의 종결정)을 이용하였다.

우선, 실리콘 단결정의 제조장치에 구경이 450mm인 석영 도가니를 넣고, 그 도가니에 원료인 다결정 실리콘을 60kg 충전하고, 제조장치의 내부를 아르곤(Ar) 가스로 치환한 후에 흑연제 히터를 발열시켜, 다결정 실리콘을 실리콘 융액으로 하였다.

전체 원료가 용해완료한 것을 확인한 다음에, 육성 단결정의 저항율이 p형으로 10Ωcm 전후의 저항율로 되도록 도프(dope)제를 조정투입하고, 그 후, 실리콘 융액을 단결정의 육성에 적합한 온도로 낮추어 조정하면서, 융액의 온도가 안정하는 것을 기다렸다. 그 사이, 제조장치에 흐르는 불활성 가스(Ar 가스)의 양과 내부의 압력, 및 도가니 회전등의 조업조건을, 단결정을 육성하기 위한 제조조건으로 조정하면서 융액온도의 안정화를 기다렸다.

융액온도의 안정에 대해서는, 단결정 제조장치의 밖에서, 제조장치의 내부를 육안으로 관찰하기 위해 설치한 유리창을 통하여, 방사온도계(CHINO 제 IR-02C)에 의해, 종결정을 침적하는 도가니 중심의 융액표면의 온도를 측정함으로써 확인하였다. 단결정 육성에 적합한 온도로 되었다고 생각될 때에, 온도를 측정하였다.

결과는, 표 1의 「융액온도변동폭」에 나타난 대로이며, 온도가 안정하다고 생각되는 시점에서, 도가니 중심의 융액표면온도를 반복 계측하였지만, 계측점에서의 온도변동은 ±6℃의 범위에서 상하 이동을 반복하는 정도이고, 그 이상 온도변동이 적게되지는 않았다.

이 시점에서 온도계측을 멈추고, 종결정을 5분정도 실리콘 융액직상에서 가열한 후에 조용히 실리콘 융액에 접촉하고, 대쉬 네킹법을 이용하여 슬립 전위의 제거를 시도하였다.

그러나, 대쉬 네킹법에서는 결정방위 <110>의 종결정의 슬립 전위를 소멸시키는 것은 어렵고, 5회 정도 전위제거법에서 실패한 후에, 6회째의 대쉬 네킹법으로 결정 단면감소부의 최소직경을 2mm 까지 가늘게 한 때에 슬립 전위가 소멸하고, 단면감소부에서의 무전위화에 성공하였다.

단, 실리콘 융액의 온도변동이 컸기 때문인지, 대쉬 네킹법에 의해 단면 감소부에서의 전위소멸에는 성공한 것의 결정 정경부를 60cm 까지 육성할 때에 슬립전위가 단결정에 들어오고, 결국, 무전위의 형상으로 결정을 인상하는 것은 가능하지 않았다(표 1의 「인상 성공의 유무」란을 참조, ○표는, 무전위에서 실리콘 단결정을 인상한 경우이고, ×표는, 무전위에서 단결정을 육성하지 못한 경우를 나타낸다).

또한, 실험1과 후술하는 실험2 및 실시예1의 인상 결과에 붙여서, 비교를 위해 상세를 표 1에 정리했다.

(결정방위 <110> 실리콘 단결정의 육성결과)

	인가자장강도(평균자장)	육성결정직경	씨드단면 감소방법	씨드 부착 실패수	융액온도 변동폭	결정인상 성공의 유무
실험1	무인가	15cm	대쉬 네킹법	6회	±6℃	×
실험2	무인가	20cm	무전위 씨드 부착법	9회	±8℃	×
실시예1	4000G	20cm	무전위 씨드 부착법	0회	±1.5℃	○

(실험2)

실험1에 의해, 대쉬 네킹법에 의한 슬립 전위의 제거는, 결정방위가 <110>인 단결정에서는 성공율이 낮고, 더하여, 무전위화를 도모하기에는 단면감소부분의 최소직경을 2mm 정도까지 가늘게 할 필요가 있어, 중량이 있는 대직경 결정을 인상하는 방법으로서는 한계가 있는 것이 판명되었다.

그래서, 대쉬 네킹법을 이용하지 않고 선단이 뾰족한 종결정을 이용하여, 무전위에서 실리콘 단결정을 육성하는 방법(이하, 무전위 씨드(seed) 부착법이라고 칭한다)에 의해 결정직경이 큰 단결정을 육성하는 것이 가능한지를, 실제로 정경부 직경이 약 200mm(8 인치)인 단결정을 인상하여 확인하였다.

단결정 육성에 이용한 장치는, 실험1과 동일한 장치를 이용하여, 실리콘 융액으로의 자장인가는 행하지 않고 제조를 실시하였다. 단, 실험2에서는, 결정직경이 약 200mm인 결정방위 <110>의 실리콘 단결정을 육성하기 때문에, 제조장치에 들어가는 석영 도가니는 구경이 약 600mm의 것이고, 원료인 다결정 실리콘을 150kg 장입하여, 실험 1과 동일하게 가열을 행하여 실리콘 융액으로 하였다.

그리고, 실리콘 융액이 단결정 육성에 적합한 온도로 안정할 때까지의 사이에, 융액에 결정저항율이 p형 10Ωcm 전후의 값으로 되도록 도프제를 투입하고, Ar 가스량, 제조장치내의 압력등의 조업조건을 조정하여 온도의 안정을 기다렸다.

또한, 실험2에서 사용한 종결정에는, 대쉬 네킹을 행하지 않고 열충격에 의한 슬립 전위의 도입을 배제하여 인상을 행할 필요가 있기 때문에, 도 2 (C)에 도 시한 형상의 종결정으로, 종결정 직통부의 직경이 15mm인 원기둥 형상으로, 선단부의 정각이 15°인 뾰족한 원뿔 형상의 것을 사용하였다.

그리고, 실리콘 융액의 온도가, 실험1에서 종결정을 실리콘 융액에 접촉시킬 때의 온도보다도 13℃ 높은 온도로 안정한 시점에서, 실험1과 동일하도록 방사온도계를 이용하여, 육성장치의 밖으로부터 도가니 중심의 실리콘 융액 표면온도를 측정하였을 때, 표 1에 나타내었듯이 ±8℃ 정도의 변동폭에서 오르내림을 반복하고 있었다. 그러나 이것 이상의 온도변동폭을 작게하여, 융액 온도가 안정하도록 조정하는 것은 불가능하였다.

이 상태에서, 종결정을 조용하게 실리콘 융액면의 직상 1mm의 장소까지 낮추고, 약 20분 정도, 종결정의 온도가 대략 융액온도와 동일하게 될 때까지 가온한 후에, 종결정을 실리콘 융액에 접촉시켜 융액에 원하는 직경까지 침적하고, 그 후, 인상속도를 0.5mm/min 이하로 유지하면서 서서히 인상함으로써 종결정 아래쪽에 실리콘 단결정의 형성을 시도하였다.

그러나, 대부분의 경우, 종결정선단부를 원하는 직경까지 융액중에 침적하고 있는 사이에, 열충격에 의한 것으로 생각되는 슬립 전위가 종결정에 들어오고, 종결정을 교환하면서 9회까지 동일한 무전위 seed 부착법에 의한 결정 육성을 시도하였지만, 9회까지도 무전위에서 단결정을 인상하는 것은 불가능하였다.

이 이유로서, 도가니가 크게 되어 수용하는 실리콘 융액의 양이 증가하였기 때문에, 도가니 내의 실리콘 융액의 온도차가 커지고, 전체적으로 융액온도가 불안정하게 되어, 침적도중 종결정으로 슬립 전위가 야기되는 것이라고 생각된다.

실험2의 결과로부터, 선단부가 뾰족한 종결정을 이용하여, 대쉬 네킹을 행하지 않고 열충격에 의한 슬립 전위의 도입을 없애고 실리콘 단결정의 육성을 행하기 위해서는, 종결정 침적시의 실리콘 융액의 온도변동을 더욱 작게 억제할 필요가 있다는 것이 판명되었다.

(실험3~5)

종결정 침적시의 실리콘 융액의 온도변동의 종결정으로의 슬립전위의 영향에 관해서 확인하였다. 이 온도 제어방법은, 실험예의 표 2에 나타낸 것과 같은 일정한 육성 조건을 설정하고, 실험 3에서는 자장강도를 500G, 실험4에서는 자장강도를 750G, 또한 실험5에서는 실리콘 융액의 깊이방향의 온도차를 작게하여 열팽창에 의한 자연대류를 억제하고, 온도변동을 저감시킬 목적으로 램프가열에 의해 적외선을 실리콘 융액표면에 조사하였다. 종결정으로의 슬립 전위의 유무는 종결정을 소정의 길이까지 침적한 후에 감경부를 형성한 후에 직경 200mm까지 확경하고, 단결정의 상태를 나타내는 정벽선(晶癖線)의 확인에 의해 무전위 판명을 행하였다. 이것은, 전위가 종결정에 잔류하고 있는 경우에는 단결정인 표면에 나타나는 특징적인 정벽선이 소멸하여 버려서 용이하게 단결정화가 판명가능한 일반적인 방법이다. 또한, 용이한 종결정은 상기, 도 2 (C)에 도시한 형상의 종결정으로, 종결정 직통부의 직경이 15mm 인 원주상이고, 선단부의 정각이 15°인 뾰족한 원뿔형상인 것을 사용하였다.

(결정방위 <110> 실리콘 종단결정의 유전위화의 결과)

	자장인가강도 (수평자장)	석영 도가니 구경	실리콘 멜트의 양	융액온도 변동폭	유전위화의 상황
실험3	500G	600mm	150kg	±10℃	유전위
실험4	750G	600mm	150kg	±5.6℃	유전위
실험5	0G	600mm	150kg	±4.3℃	무전위

표 2의 실험 4 및 실험 5로부터 융액온도 변동폭이 5℃를 초과한 조건에서는 확경부에서 결정표면의 정벽선이 소멸하여 버려서 유전위화(宥轉位化) 하는 것이 판명되었다. 또한, 실험 5 처럼 융액온도변동폭이 5℃ 이하이면, 유전위화하지 않는 단결정으로 육성하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 실험2와 같은 육성조건에서 자장을 인가하여 실리콘 융액의 온도변동을 제어하는 경우, 1000G 이상의 자장을 인가하면, 용이하게 ±5℃ 이내로 제어할 수 있었다. 육성조건 등에 따라 최적인 자장강도 등은 약간 다르지만, 이러한 레벨의 자장을 인가하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다. 또한, 본발명에서는 실리콘 융액의 온도변동을 제어하는 것, 특히 ±5℃ 이내로 제어하는 것이 중요하고, 이러한 조건으로 제어할 수 있으면, 자장을 인가하는 방법이외에도 유효하였다.

(실시예1)

따라서, 실험2와 동일하게 결정직경이 약 200mm이고 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 육성함에 있어서, 실리콘 융액에 수평자장을 인가하면서 종결정의 용액으로의 접촉과 침적을 행하는 실리콘 단결정의 육성을 시도하였다.

우선, 실험2에서 사용한 장치와 동일한 장치를 이용하여, 구경이 600mm인 석영제 도가니를 장치에 넣어 다결정 실리콘 150kg을 충전하고, 흑연제 히터를 발열 시켜 원료를 가열하여 실리콘 융액으로 하였다.

다결정 실리콘이 전부 용해 종료한 때에, 단결정 육성에 적합한 원하는 온도로 온도 강하를 행하고, 융액에 결정저항율이 p형 10Ωcm으로 되도록 도프제를 투입하고, 융액온도가 안정화 되는 것을 기다렸다. 그 사이에, 실리콘 단결정의 제조장치 바깥쪽에 배치된 자장인가장치(전자석)을 동작시켜, 자장중심의 강도가 4000G로 되는 수평자장을 실리콘 용액에 인가하였다.

또한, 실시예1에서는, 용융이 완료하여 융액온도의 안정을 도모하는 시점으로부터, 실리콘 단결정육성이 종료하고, 결정 꼬리부가 융액으로부터 떨어질때까지 자장인가를 계속하였다.

실리콘 융액에 자장인가후, 융액온도가 실험2의 융액온도와 거의 동일한 온도로 안정하다고 생각될 때에, 도가니 중심부근의 융액표면온도를 실험2와 동일하게 방사온도계로 계측하였을 때, ±1.5℃ 범위에서 온도변동이 안정되어 있고, 종결정을 융액에 착액하기에 양호한 상태로 유지되고 있는 것을 확인하였다.

제조 장치의 씨드 홀더에는, 종결정의 직통부 직경이 15mm, 선단부의 정각이 15°인 원뿔형상으로 뾰족하게 한 실험2와 동일한 형상인 결정방위가 <110>인 종결정을 장착하였다.

융액온도의 안정을 확인한 후, 조용히 종결정을 실리콘 융액직상 1mm까지 낮추고, 20분 후, 종결정이 가온되는 것을 기다렸다. 그리고, 종결정온도가 실리콘 융액의 온도와 동일한 정도까지 가온되었을 때, 서서히 종결정선단을 융액중으로 낮추어, 종결정 선단의 원뿔부(선단부)가 원하는 직경으로 될 때까지 실리콘 융액 에 침적하였다.

종결정을 원하는 직경까지 침적하였을 때에 종결정의 하강을 멈추고, 조용히 인상단계로 전환하였다. 그리고, 이 종결정을 실리콘 융액에 접촉시키면서, 인상단계로 전환할때까지의 사이의 실리콘 융액표면의 온도변동을, 방사온도계로 계측하였을 때, ±1.5℃의 범위로 온도변동이 유지되고 있는 것을 확인하였다. 그리고, 종결정의 인상속도를 0.5mm/min 이하로 유지하면서 실리콘 융액의 온도를 조정하면서 종결정 아래쪽에 감경부를 형성하고, 그 후, 종결정을 원하는 직경까지 넓혀서, 정경부 직경이 약 200mm로 되는 실리콘 단결정을 육성하였다.

단결정 정경부 길이가 소정 길이로 될때까지 정경부를 육성한 후, 결정 직경을 서서히 가늘게 하여 꼬리부를 형성하고, 실리콘 융액으로부터 육성한 결정을 분리하는 것으로 실리콘 단결정의 육성을 종료하였다.

육성한 실리콘 단결정을 조용히 냉각하여, 제조장치 밖으로 취출하여 무게를 측정하였을 때, 도 3에 도시한 직경 208mm, 중량 120kg인 대직경 고중량 단결정이 얻어지고 있었다. 그리고, 육성 도중에 슬립 전위가 들어옴으로써 처음부터 결정육성을 다시하는 것과 같은 손실도 없이, 무전위에서 목적하는 결정방위가 <110>인 대직경 고중량 결정을 문제 없이 육성할 수 있었다. 또한, 인상후의 측정결과, 도 3에 나타난 종결정의 하단에 형성된 감경부의 최소직경은 5mm 이상이고, 대쉬 네킹법에 의하지 않고도 단결정이 육성가능한 것이 확인되었다.

이것에 의해, 본 발명의 제조방법을 이용함으로써, 대직경 고중량의 단결정을 육성하는 것은 불가능하다고 생각되는, 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정에서 도, MCZ 법을 포함한 CZ법에서, 최적으로 제조하는 것이 가능하다는 것이 판명되었다.

또한, 본발명의 방법에 의하면, 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 사용하여, 대쉬 네킹법에 의하지 않는 실리콘 단결정을 육성하는 무전위 씨드부착법을 채용하는 경우에, 그 성공율을 높이는 것이 가능하다는 것도 판명되었다.

또한, 본 발명의 방법은, 상기의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기의 실시형태는 예시이고, 본발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들면, 본발명의 실시형태에서는, 직경이 200mm(8 인치)인 실리콘 단결정의 제조육성을 예로 들어 설명하였지만, 이것 이하의 직경의 실리콘 단결정을 육성하는 경우도 충분히 그 효과를 가지는 것이고, 대쉬 네킹법에 의한 종결정의 단면감소를 행할 필요가 없기 때문에, 고중량화에 대해서도 유효하며, 예를 들면 본 발명에서는 종결정 선단에 형성되는 종결정이 최소직경부분에서도 5mm 이상인 직경을 확보하는 것이 가능하기 때문에, 근년, 이용이 확대되고 있는 300mm(12 인치) 또는 그것 이상의 대직경 실리콘 단결정, 특히 결정중량이 300kg을 초과하는 고중량의 실리콘 단결정의 제조에도, 적용할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 결정방위에 관해서는 가장 인상이 곤란한 <110>을 예로 설명하였지만, 다른 결정방위의 인상에도 당연히 적용할 수 있다. 결정방위 가 <100> 이나 <111>인 결정의 인상은, <100> 결정의 인상만큼 곤란성은 없지만, 그것에서도 본 발명방법에 의하여 씨드부착의 실패 횟수는 감소하여 유효하다.

본 발명은, 대쉬 네킹법을 사용하지 않고 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 본 발명에 의하면 무전위로 단결정을 육성할 수 있는 성공율을 높이는 것과 동시에, 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정의 육성에서도, 소정직경이 200mm를 초과하는 대직경 고중량의 실리콘 단결정을 육성을 가능하게 한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 대쉬 네킹법을 행하지 않고 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 선단부의 각도가 28°이하인 선단이 뾰족하거나 또는 뾰족한 선단을 절취한 형상의 종결정을 이용하여, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시키기 전에 실리콘 융액의 직상에서 멈추어 가온(加溫)하고, 그 후, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시켜서, 원하는 직경까지 실리콘 융액에 침적하고, 그 후, 인상과정으로 전환하여 단결정의 인상을 행하는 경우에, 적어도 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시켜 인상과정으로 전환할 때까지의 사이는, 실리콘 융액표면의 온도변동을 ±5℃ 이하로 유지하고, 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉시킬 때의 실리콘 융액의 온도를, 대쉬 네킹법을 이용한 실리콘 단결정의 제조방법으로 종결정을 실리콘 융액에 접촉하기에 적합한 온도로 되는 온도보다도, 10~20℃ 높은 실리콘 융액온도로 하여 종결정을 실리콘 융액에 접촉시켜 침적을 행하고, 적어도 상기 종결정의 강하(降下)를 멈추어 인상과정으로 전환한 직후부터, 종결정 아래쪽에 형성되는 결정직경의 확대가 개시되는 사이의 감경부의 형성에서는, 인상속도를 0.5mm/min 이하로 하여, 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 적어도 상기 종결정의 선단부를 실리콘 융액에 접촉하는 시점부터, 종결정 아래쪽에 형성되는 감경부의 형성이 종료하여 결정직경의 확대가 시작될 때까지의 사이는, 중심자장강도가 1000G 이상으로 되는 수평자장을 실리콘 융액에 인가하여, 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 결정방위가 <110>인 상기 종결정을 이용하여, 결정방위가 <110>인 실리콘 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
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