KR100991088B1 - 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및제조방법 - Google Patents

커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치는, 반도체 융액을 수용하는 도가니, 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 도가니 측벽 주위에 설치된 히터 및 종자결정에 의해 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 도가니 주변에 설치되고, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)의 중앙 위치가 단결정 잉곳의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜에 위치하며 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율을 나타내는 R값이 1보다 큰 커스프(CUSP) 자기장을 인가하고 상기 고액 계면에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 인가하는 자기장 인가수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
쵸크랄스키(CZ)법, 커스프(CUSP) 자기장, 고액 계면, ZGP(Zero Gauss Plane)

Description

커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 제조방법{Apparatus and Method for manufacturing semiconductor single crystal ingot using CUSP magnetic field}
본 발명은 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(Czochralsky, 이하 CZ라 함) 법을 이용한 반도체 단결정 제조 시 인가되는 커스프(CUSP) 자기장의 형태를 변경하여 단결정의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 단결정 잉곳은 CZ 법에 의해 제조된다. CZ 법은 다결정 실리콘을 석영 도가니에 투입하여 1400 ℃ 이상에서 용융시킨 후 종자결정을 용융된 반도체 융액(melt)에 담갔다가 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법이다. 이에 대한 상세한 설명은 S.wolf와 R.N. Tauber의 논문 'Silicon Processing for the VLSI Era', volume 1, LatticePress (1986), Sunset Beach, CA에 잘 기재되어 있다.
CZ 법에서는 도가니 측면에 설치된 히터를 이용하여 반도체 융액을 가열하기 때문에 반도체 융액 내에서 자연대류가 발생한다. 또한, 베이컨시(vacancy) 또는 인터스티셜(self-interstitial)에 기인하는 결함이 없는 고품질의 반도체 단결정을 얻기 위하여 단결정 또는 도가니의 회전 속도를 조정하므로, 반도체 융액 내에는 상기 회전 속도 조절에 의한 강제 대류도 발생하게 된다. 이러한 반도체 융액의 자연대류와 강제대류는 자기장을 이용하여 제어할 수 있다고 알려져 있다. 이 때 이용되는 자기장은 자기력선의 분포에 따라 크게 수평 자기장, 수직 자기장 및 커스프(CUSP) 자기장으로 구분된다. 이중 커스프 자기장은 도가니 둘레에 환영의 상부 코일과 하부 코일을 설치하고 상부 코일과 하부 코일에 서로 반대 방향(또는 다른 극성)의 전류를 공급하여 형성한다. 커스프 자기장의 분포는 각 코일에 인가하는 전류의 세기, 상부 코일과 하부 코일의 권선 수, 상부 코일과 하부 코일의 위치 등을 조절하여 다양한 형태로 제어할 수 있다. 한편, 최근 반도체 디바이스의 고집적화에 따라 제조업체에서 요구하는 웨이퍼의 품질 수준이 향상되고 있다. 주요 품질특성 인자인 산소농도는 요구 범위의 폭이 좁아지고, 산소농도 또한 과거에 비해 크게 낮아졌으며 단결정 결함 역시 존재하지 않는 웨이퍼를 요구하고 있다.
미국등록특허 제5938836호(선행기술1)는 상부 코일과 하부 코일 사이에 중간 코일을 부가하여 대칭적인 커스프 자기장을 형성하고 반도체 융액 표면에서 자기장 세기를 조정하여 단결정 내로 유입되는 산소의 양을 조절하는 반도체 단결정 제조방법을 개시하고 있다. 또한 일본공개특허 제2003-055092호(선행기술2)는 반도체 융액 표면 이하 1500㎜ 내에서 적용할 수 있는 광범위한 커스프 자기장 사용법을 제시하고 이를 이용하여 반도체 단결정의 산소 농도를 제어하는 방법을 개시하고 있다.
그런데, 상기 선행기술1은 커스프 자기장의 분포와 세기를 제어하기 위해 중간 코일을 별도로 설치해야 한다는 단점이 있다. 따라서 기존에 설치된 중간 코일 만으로 원하는 커스프 자기장의 분포를 만들기 어려운 상황이 발생되면 기존의 중간 코일을 교체하는 과정에서 많은 시간과 비용이 소요되는 문제가 있다. 그리고 상기 선행기술2는 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 제어하는 방법 이외에 단결정의 결정결함을 제어하는 것에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다.
한편, 반도체 소자의 디자인 룰이 급격하게 감소함에 따라 반도체 소자 제조용으로 사용되는 반도체 단결정은 무결함 단결정으로 성장될 필요가 있다. 단결정의 결함 정도는 단결정 인상 속도에 따라 좌우되는데, 무결함 단결정의 성장을 가능하게 하는 단결정 인상 속도는 고액 계면 근처에서 융액의 온도 분포와 대류 형태에 의해 영향을 받는다.
상기 선행기술1 및 2에 개시되어 있듯이, 커스프 자기장은 융액의 온도 분포와 대류 형태를 제어할 수 있는 적절한 수단임에는 틀림이 없다. 하지만 무결함 단결정 성장을 위해 요구되는 융액의 온도 분포와 대류 형태를 형성하기 위해서는 커스프 자기장의 빈번한 변화가 요구되는데 상기 선행기술1은 무결함 단결정을 성장하기 위해 필요한 커스프 자기장의 제어 조건을 자세하게 기술하고 있지 않다. 또한, 상기 선행기술2는 커스프 자기장의 사용법을 포괄적으로 기재하고는 있지만 커스프 자기장의 최적 제어 조건은 제시하고 있지 못하다. CZ 법에서 커스프 자기장을 사용할 경우 커스프 자기장의 세기와 분포에 따라 단결정의 결함 정도는 매우 다르게 나타난다. 예를 들어 자기장의 비율 R(하부 자기장 세기/상부 자기장 세기)이 1인 커스프 자기장을 사용할 때 ZGP(Zero Gauss Plane)를 반도체 융액 표면에 두었을 때와 융액 내부에 두었을 때, 융액 온도 분포 및 대류 형태, 단결정 내로 유입되는 산소 농도와 결함 농도 등이 큰 차이를 보인다.
따라서, 커스프 자기장을 사용하여 단결정을 성장시킬 때에는 반도체 디바이스 제조에서 요구되는 무결함 조건을 충족시키기 위해 커스프 자기장의 제어 조건을 최적화시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, CZ 법에 의한 반도체 단결정 성장 시 이용되는 커스프 자기장의 형태를 변경하여 단결정의 무결함 인상 속도를 증가시킴과 아울러 무결함 인상 속도에 대한 공정 마진을 확대하여 단결정의 생산성 향상과 함께 무결함 제어의 오차를 줄일 수 있는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치는, 반도체 융액을 수용하는 도가니, 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 도가니 측벽 주위에 설치된 히터 및 종자결정에 의해 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 도가니 주변에 설치되고, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)의 중앙 위치가 단결정 잉곳의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜에 위치하며 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율을 나타내는 R값이 1보다 큰 커스프(CUSP) 자기장을 인가하고 상기 고액 계면에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 인가하는 자기장 인가수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 자기장 인가수단은, 커스프 자기장 생성을 위해 상기 도가니의 둘레에 설치된 상부 코일과 하부 코일을 포함하고, 상기 하부 코일에 인가하는 전류를 상부 코일에 인가하는 전류보다 크게 제어한다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단은, R값이 1.66 내지 2.1 인 커스프 자기장을 상기 도가니에 인가한다.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단은, 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기가 100%인 경우, 상기 고액 계면에서는 자기장 세기가 0 내지 50%가 되도록 자기장을 인가한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법은, 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율인 R값이 1보다 큰 비대칭 커스프 자기장을 도가니에 인가한 상태에서 상기 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 상부로 서서히 인상시켜 반도체 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법에 있어서, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)의 중앙 위치를 단결정 잉곳의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜ 사이에 위치시키고 상기 고액 계면에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, CZ 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳의 성장 시 인가되는 커스프 자기장의 형태를 제어함으로써 단결정을 무결함 상태로 성장할 수 있는 인 상속도의 최고치를 상승시키고 동시에 무결함 인상 속도의 공정마진을 확대시킬 수 있다. 이에 따라, 반도체 단결정의 생산성 향상과 무결함 제어의 오차를 줄일 수 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 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치는, 고온으로 용융된 반도체 융액(M)이 수용되는 도가니(10), 상기 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 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 거 리 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 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 CZ 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치의 통상적인 구성 요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 반도체 융액(M)은 다결정 실리콘을 용융시킨 실리콘 융액이다. 하지만 본 발명은 반도체 융액의 종류에 의해 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명은 CZ 법에 의해 성장시킬 수 있다고 알려진 어떠한 종류의 반도체 단결정 성장에도 적용이 가능하다.
본 발명에 따른 반도체 단결정 잉곳 제조장치는, 상술한 구성 요소에 더하여 도가니(10) 주변에 설치되어 커스프 자기장(Gupper, Glower: 이하, G라고 통칭함)을 인가하는 자기장 인가수단(80a, 80b: 이하, 80으로 통칭함)을 더 포함한다. 여기서, 커스프 자기장(G)이란 상하 방향이 반대인 두 개의 수직 방향의 자기장으로 구성된 형태의 자기장을 말한다. 커스프 자기장(G)의 형태는 자기장의 수직성분이 0이 되는 위치를 2차원적으로 나타낸 ZGP(Zero Gauss Plane)와 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower) 세기의 비율로 계산된 R(Glower/Gupper)로 설명할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower)의 세기가 동일할 경우(R=1), 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower) 중간에 자극(magnetic pole)이 대립되어 상부 자기장(Gupper)과 하부 자기장(Glower)의 중심에 ZGP가 수평면 형태로 형성된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 자기장(Glower)의 세기가 상부 자기장(Gupper)의 세기보다 큰 경우(R>1), ZGP는 대략 상부가 볼록한 포물선 형태로 형성된다. 이때, 상기 커스프 자기장(G)의 형태는 동일한 R이 유지될 경우 자기장의 세기를 증가하더라도 ZGP의 형태는 변경되지 않는다.
다시 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장 인가수단(80)은 커스프 자기장(G)을 생성하기 위해 상기 도가니(10)의 둘레에 설치된 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)을 포함한다. 그리고, 상기 자기장 인가수단(80)은 하부 코일(80b)에 인가하는 전류를 상부 코일(80a)에 인가하는 전류보다 크게 제어하여 ZGP(90)가 위로 볼록한 포물선 형태를 가지도록 커스프 자기장(G)을 인가한다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 도가니에 인가되는 커스프 자기장의 ZGP 중앙 위치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 커스프 자기장(G)이 도가니(10)에 인가됨에 있어서 ZGP(90)의 중앙 위치는 단결정 잉곳의 고액 계면에 위치시킨다. 다만 ZGP(90) 중앙 위치는 단결정 성장이 이루어지는 과정에서 단결정의 인상 속도, 단결정의 회전 속 도, 도가니의 회전 속도 등에 따라 약간의 위치 변경이 가능해야 하므로 ZGP(90)의 중앙 위치는 반도체 융액(M)의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ +60㎜ 범위(H) 내에 위치시키는 것이 가능하다. 여기서, - 기호는 ZGP(90)의 중앙 위치가 고액 계면의 하부에 있음을 나타내고, + 기호는 ZGP(90)의 중앙 위치가 고액 계면의 상부에 있음을 나타낸다. 이하 설명의 편의를 위해 상기 수치범위 내의 범위를 '고액 계면 근방'이라 명명한다. 아울러, 커스프 자기장(G)에서 상부 및 하부 자기장 세기의 비율을 나타내는 R값은 1.66 내지 2.1인 것이 바람직하다.
위와 같이 ZGP(90)의 중앙 위치와 R값을 제어하면, 고액 계면에서는 자기장 세기를 약화시켜 약자기장을 형성할 수 있고, 그 외 지점의 반도체 융액(M)에는 강자기장을 인가할 수 있다. 그러면 반도체 융액(M) 전체적으로 대류 안정성을 향상시킬 수 있고 고액 계면에서 반경 방향의 온도 균일화를 이룰 수 있다. 그 결과, 반도체 단결정의 무결함 인상 속도 증대와 무결함 인상 속도의 공정 마진을 확대할 수 있다. 이에 대해서는 실험예를 통하여 후술될 것이다.
한편, 본 발명에서 약자기장은 고액 계면에서 인가되는 자기장의 세기로 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기보다 상대적으로 약한 세기를 갖는 자기장을 말하고, 강자기장은 도가니와 융액이 만나는 지점에서 인가되는 자기장의 세기로 고액 계면에서 인가되는 자기장 세기보다 상대적으로 강한 세기를 갖는 자기장을 말한다. 상기 약자기장의 세기는 고액 계면의 중심 지점에서 측정한 값을 기준으로 하고, 강자기장의 세기는 반도체 융액(M)과 도가니 내벽이 접촉하는 지점 중 가장 강한 자기장이 형성되는 지점에서 측정한 값을 기준으로 한다. 상기 자기 장 인가수단은, 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기가 100%이라 할 경우, 상기 고액 계면에서는 자기장 세기가 0 내지 50%가 되도록 자기장을 인가하는 것이 바람직하다.
그러면, 이하에서는 상술한 본 발명에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 과정을 개략적으로 설명한다.
먼저, 제조하고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제원에 맞도록 도가니(10)에 다결정 실리콘을 투입한다. 그런 다음, 히터(40)를 가동시켜 다결정 실리콘을 용융시킨다. 다결정 실리콘의 용융이 완료되면, 회전수단(30)을 이용하여 도가니(10)를 일정한 방향으로 회전시킨다. 그런 다음, 일정 시간이 경과하여 반도체 융액(M)의 대류가 안정화되면, 단결정 인상수단(60)을 제어하여 종자결정을 반도체 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 반도체 융액(M)으로부터 이탈시킴으로써 잉곳 성장을 완료한다.
잉곳의 성장이 이루어지는 동안, 반도체 융액(M)에는 자기장 인가수단(80)을 이용하여 커스프 자기장(G)을 인가한다. 커스프 자기장(G)은 ZGP(90)의 중앙 위치가 단결정 잉곳의 고액 계면 근방에 위치하도록 인가하고, 고액 계면에서는 약자기 장을, 그 외 지점에서는 강자기장이 형성될 수 있도록 한다.
이러한 조건으로 커스프 자기장(G)을 인가하면, 전체적으로 반도체 융액(M)의 유동이 안정화되고, 고액 계면에서 반경 방향의 온도 균일화가 이루어진다. 그 결과, 무결함 인상 속도가 증가하여 무결함 단결정의 생산성을 향상시킬 수 있고 무결함 인상 속도의 공정마진 또한 증가하여 무결함 제어의 오차를 감소시킬 수 있다.
상술한 조건으로 커스프 자기장(G)을 형성하기 위해, 커스프 자기장(G)의 상부 및 하부 자기장 세기의 비율 R값은 1.66 내지 2.1의 범위로 제어한다. 그리고 ZGP(90)의 중앙 위치는 상기 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜ 범위로 제어한다.
<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.
도 4는 실리콘 단결정을 성장시킬 때 인가되는 커스프 자기장의 R값과 ZGP 중앙 위치를 고액 계면을 기준으로 변화시키고, 이에 따른 무결함 인상 속도의 마진을 측정하여 나타낸 그래프이다.
본 실험예에서, 커스프 자기장의 R값은 1.6에서 2.1까지 변화시켰다. 그리고 커스프 자기장의 ZGP 중앙 위치는 고액 계면을 기준으로 -50㎜ ~ +80㎜로 제어하였다. 이 때, 커스프 자기장을 이루는 상부 및 하부 자기장의 세기는 상기 고액 계면 에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 형성할 수 있도록 조절하는데, 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기가 100%이라 할 경우, 상기 고액 계면에서는 자기장 세기가 0 내지 50%가 되도록 자기장을 인가하였다.
실리콘 단결정의 무결함 인상 속도 마진은 주어진 커스프 자기장 조건에서 단결정 인상 속도를 서서히 증가시키면서 단결정을 성장시키고 난 후, 단결정의 성장 축 방향으로 단결정을 절단하여 절단 단면에서 결함의 분포를 분석하고 보이드 또는 격자간 결함이 존재하지 않는 단결정 구간이 성장되는 동안 적용된 인상 속도 범위를 산출하여 구하였다.
도 4를 참조하면, CZ 법에 의한 단결정 성장 시에는 0.02mm/min 이상의 무결함 인상 속도 마진을 확보하는 것이 필요한데, 이에 부합되는 구간은 사각 박스로 표시하였다. 사각 박스 내의 커스프 자기장 제어 조건은 R값이 1.66 ~ 2.1이고, 커스프 자기장의 ZGP 중앙 위치가 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ +60㎜ 범위 내일 경우이다. 그리고 무결함 인상 속도 마진이 최대가 되는, 즉 단결정 생산성이 최대가 되는 R값은 1.8임을 확인할 수 있다.
무결함 인상 속도의 마진이 최대가 되는 조건은 R값을 1.8로 설정하고 고액 계면과 ZGP의 중앙 부위가 일치하였을 때였다. 한편, R이 1.8보다 높은 수치로 인가하였을 때 무결함 인상 속도 마진이 0.02mm/min 이상이 되기 위해서는 ZGP 중앙 위치가 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 0의 범위 내에 있을 때였다. 그리고 R값이 1.8보다 작은 수치로 인가하였을 때 무결함 인상 속도 마진이 0.02mm/min 이상이 되기 위해서는 ZGP 중앙 위치가 고액 계면을 기준으로 0 ~ +60㎜의 범위 내에 있을 때였다.
상기와 같은 실험 결과를 통해, 커스프 자기장을 인가하면서 CZ 법에 의해 단결정을 성장시킬 때에는 커스프 자기장의 R값과 ZGP 중앙 위치를 적절히 제어하여 고액 계면과 그 주변부의 자기장 세기를 조절하면 융액의 대류가 안정화되고 고액 계면에서의 온도 균일도가 향상되어 무결함 인상 속도의 증가와 무결함 인상 속도 마진의 확대가 가능하다는 것을 알 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 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.
도 2 및 도 3은 자기장 세기의 비율(R)에 따른 커스프 자기장 단면과 ZGP 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 도가니에 인가되는 커스프 자기장의 ZGP 중앙 위치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 실리콘 단결정을 성장시킬 때 인가되는 커스프 자기장의 R값과 ZGP 중앙 위치를 고액 계면을 기준으로 변화시키고, 이에 따른 무결함 인상 속도의 마진을 측정하여 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
M : 반도체 융액 10 : 도가니
20 : 도가니 하우징 30 : 도가니 회전수단
40 : 히터 50 : 단열수단
60 : 단결정 인상수단 70 : 열실드 수단
80(80a, 80b) : 자기장 인가수단 90 : ZGP

Claims (8)

  1. 반도체 융액을 수용하는 도가니, 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 도가니 측벽 주위에 설치된 히터 및 종자결정에 의해 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치에 있어서,
    상기 도가니 주변에 설치되고, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)의 중앙 위치가 단결정 잉곳의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜에 위치하며 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율을 나타내는 R값이 1보다 큰 커스프(CUSP) 자기장을 인가하고 상기 고액 계면에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 인가하는 자기장 인가수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 인가수단은,
    커스프 자기장 생성을 위해 상기 도가니의 둘레에 설치된 상부 코일과 하부 코일을 포함하고,
    상기 하부 코일에 인가하는 전류를 상부 코일에 인가하는 전류보다 크게 제어하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 인가수단은, R값이 1.66 내지 2.1 인 커스프 자기장을 상기 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 인가수단은,
    상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기가 100%이라 할 경우, 상기 고액 계면에서는 자기장 세기가 0 내지 50%가 되도록 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조장치.
  5. 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율인 R값이 1보다 큰 비대칭 커스프 자기장을 도가니에 인가한 상태에서 상기 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 상부로 서서히 인상시켜 반도체 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법에 있어서,
    자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)의 중앙 위치가 단결정 잉곳의 고액 계면을 기준으로 -30㎜ ~ 60㎜ 사이에 위치시키고 상기 고액 계면에서의 자기장이 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 보다 상대적으로 약자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제 조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커스프 자기장은 상기 도가니의 둘레에 설치된 상부 코일과 하부 코일을 이용하여 형성하고,
    상기 하부 코일에 인가하는 전류를 상부 코일에 인가하는 전류보다 크게 제어하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커스프 자기장은 R값이 1.66 내지 2.1로 제어되어 상기 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 커스프 자기장은 상기 도가니와 융액이 만나는 지점에서의 자기장 세기가 100%이라 할 경우, 상기 고액 계면에서는 자기장 세기가 0 내지 50%가 되도록 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조방법.
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