KR101022933B1 - 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치는, 반도체 융액을 수용하는 석영 도가니, 석영 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터 및 종자결정에 의해 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 제조장치에 있어서, 상기 석영 도가니의 둘레에 설치되어 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단; 및 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 설치되어 자기장 인가수단으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 석영 도가니 내벽의 자기장 세기보다 고액 계면의 자기장 세기를 감소시키는 자기 차폐수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

쵸크랄스키(CZ) 법, 커스프(Cusp) 자기장, 고액 계면, 자기 차폐

Description

선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법{Apparatus and Method for manufacturing semiconductor single crystal using selective magnetic shielding}

본 발명은 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법을 이용한 반도체 단결정 제조 시 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 반도체 융액에 인가되는 자기장의 세기를 영역별로 이원화시킬 수 있는 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 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.

일본공개특허 제1998-279394호(선행기술1)는 커스프 자기장을 형성하는 상부 코일과 하부 코일 사이에 자기 유도부재를 설치하고 단결정의 성장에 따라 자기 유도부재를 이동시켜 커스프 자기장의 수평부분을 단결정 인상 방향으로 집중시킴으로써 단결정 길이 방향에서 산소 농도 분포를 균일하게 할 수 있는 반도체 단결정 제조방법을 개시하고 있다.

또한, 대한민국등록특허 제10-0793950호(선행기술2)는 핫-존(hot zone, H/Z)의 변경이나 공정 파라미터(parameter)의 변경 없이 커스프 자기장을 구성하는 상부 및 하부 자기장의 세기 비율을 제어함으로써 단결정의 품질 변동 없이 단결정 길이 방향에서 원하는 수준의 산소 농도 제어가 가능한 반도체 단결정 제조방법을 개시하고 있다.

그런데, 상기 선행기술1에서와 같이 자기 유도부재를 사용하여 자기장의 수평성분을 단결정의 인상 방향으로 집중시키면 커스프 자기장에 의해 형성된 고액 계면 중심부의 대류 셀 분포와 융액의 대류 속도에 변화가 생기게 된다. 그 결과 무결함 단결정과 같은 고품질의 결정 제조 시 무결함 공정 마진이 감소하고 타겟 인상속도가 변화되어 결국은 단결정 생산성이 저하되는 문제가 있다.

그리고 선행기술2에서와 같이 커스프 자기장을 제어하면 단결정 품질의 변화 없이 단결정 내로 유입되는 산소의 농도를 원하는 수준으로 제어할 수 있지만 충분한 공정 마진 확보와 인상속도 향상을 통해 생산성을 극대화하기 위해서는 융액 내에서의 자기장 구배에 대한 최적화가 여전히 필요하다. 하지만 선행기술2는 융액 내의 자기장 구배를 최적화시켜 생산성을 향상시키는 방안에 대해서는 별도의 언급을 하고 있지 않다.

한편, 반도체 소자의 디자인 룰이 나노급으로 더욱 미세화되면서 수십 나노 크기의 결정 결함 조차도 디바이스 수율 악화의 원인이 되고 있다. 보론코프의 이론에 의하면, 무결함 단결정의 공정 마진은 반경방향 온도 구배에 따라 좌우된다. 즉, 무결함 단결정의 공정 마진을 증가시키기 위해서는 단결정의 반경방향에서 고 액 계면의 온도 구배를 균일화시켜야 한다. 하지만 최대의 무결함 단결정 공정 마진을 얻는 조건에는 잉곳 중심부와 엣지부의 온도 구배가 감소되어 단결정의 무결함 인상속도가 감소됨으로써 단결정의 생산성이 저하되는 단점이 있다. 또한 무결함 단결정을 제조 하더라도 디바이스 메이커들이 요구하는 산소 농도 조건이 각기 다르므로 각 공정 조건별로 새로운 파라미터 최적화와 H/Z변경이 수반되어야 하는데, 산소 농도 조건과 무결함 조건을 충족시키기 위한 공정조건이 일정 부분 서로 상충되어 공정 조건 제어에 있어 어려움이 따르게 된다. 따라서, 무결함 조건과 산소 농도 조건을 충족시키면서도 충분한 공정 마진과 무결함 인상속도의 증가를 통해 단결정 생산성을 극대화시킬 수 있는 단결정 제조방법이 본 발명이 속한 기술분야에서 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, CZ 법에 의한 반도체 단결정 성장 시 다양한 수준의 산소 농도를 제어할 수 있고 단결정의 반경방향으로 크고 균일한 온도 구배를 실현하여 단결정의 품질과 생산성을 동시에 향상시킬 수 있는 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치는, 반도체 융액을 수용하는 석영 도가니, 석영 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터 및 종자결정에 의해 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 제조장치에 있어서, 상기 석영 도가니의 둘레에 설치되어 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단; 및 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 설치되어 자기장 인가수단으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 석영 도가니 내벽의 자기장 세기보다 고액 계면의 자기장 세기를 감소시키는 자기 차폐수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자기장 인가수단은 상기 석영 도가니 주변에 비대칭 커스프 자기장을 형성하는 상부 코일과 하부 코일을 포함한다.

바람직하게, 상기 자기 차폐수단은 상기 상부 코일 측에 근접하도록 설치된다.

바람직하게, 상기 자기 차폐수단은 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 판형, 원통형 또는 코일형으로 설치된다.

바람직하게, 자기 차폐수단은 퍼멀로이(permalloy), 규소강판 및 Fe-Co-Ni합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된 강자성체 물질로 이루어지거나, 수은, 구리, 납, 은 및 안티모니로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된 반자성체 물질로 이루어질 수 있다.

대안적으로, 상기 자기 차폐수단은 상기 자기장 인가수단으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장의 세기를 감소시키는 반자기장 유도 코일일 수도 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조방법은, 석영 도가니 주변에 설치된 자기장 인가수단에서 인가되는 자기장을 석영 도가니에 인가한 상태에서 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 상부로 서서히 인상시켜 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 반도체 단결정 제조방법에 있어서, 상기 자기장 인가수단으로부터 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 고액 계면 하부에 인가되는 자기장 세기를 석영 도가니 내벽에 인가되는 자기장 세기보다 상대적으로 약화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, CZ 법을 이용한 반도체 단결정 제조 시 반도체 융액 내 자기장 프로파일 및 자장 분포를 이원화 시킴으로써, 석영 도가니 내벽에는 강자기장을 형성하여 산소 농도 제어를 용이하게 하고, 고액 계면 하부에는 약자기장을 형성하여 히터로부터 발산되는 열을 효과적으로 고액 계면 하부로 전달할 수 있어 무결함 인상속도를 개선시킬 수 있다. 특히, 본 발명은 단결정 잉곳 중심부의 온도 구배가 증가시키는데 효과가 있으므로 멜트 갭이나 아르곤 플로우 등의 다른 공정 변수를 제어하여 단결정 엣지부의 온도 구배를 증가시키면 무결함 인상속도 마진도 크게 향상시킬 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 제1실시예에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치는, 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 석영 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 단결정을 인상하는 단결정 인상수단(60), 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70) 및 단결정의 외주면을 따라 반도체 융액(M)의 상부 표면으로 불활성 가스(예컨대, Ar 가스)를 공급하는 불활성 가스 공급수단(미도시)을 포함한다.

상술한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술분야에서 잘 알려진 CZ 법을 이용한 반도체 단결정 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 발명의 제1실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치는, 상술한 구성 요소에 더하여 상기 석영 도가니(10) 주변에 설치되어 석영 도가니(10)에 수용된 반도체 융액(M)으로 자기장을 인가하는 자기장 인가수단(80a, 80b: 이하, 80으로 통칭함)과, 반도체 융액(M) 표면 상부에 설치되어 상기 자기장 인가수단(80)으로부터 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하는 자기 차폐수단(90)을 더 포함한다.

상기 자기장 인가수단(80)은 석영 도가니(10) 내에 수용된 고온의 반도체 융액(M)에 비대칭 자기장(G_upper, G_lower: 이하, G라고 통칭함)을 인가한다.

바람직하게, 상기 비대칭 자기장(G)은 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부의 자기장(G_upper) 세기보다 하부의 자기장(G_lower) 세기가 더 큰 자기장이다. 즉 R = G_lower/G_upper 가 1보다 큰 자기장이다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서, 상기 ZGP는 대략 상부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다. 그리고 ZGP를 중심으로 상부와 하부에 형성되는 자기장의 분포는 비대칭을 이룬다.

대안적으로, 상기 비대칭 자기장(G)은 하부의 자기장(G_lower) 세기보다 상부의 자기장(G_upper) 세기가 더 큰 자기장일 수도 있다. 즉 비대칭 자기장(G)은 R = G_lower/G_upper가 1보다 작은 자기장일 수 있다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서는, 도면으로 도시하지 않았지만, 상기 ZGP(90)는 대략 하부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다.

바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장(G)을 석영 도가니(10)에 인가한다. 이러한 경우, 상기 자기장 인가수단(80)은 단열수단(50)의 외주면과 소정 거리 이격되어 설치된 환형의 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)을 포함한다.

바람직하게, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)은 실질적으로 석영 도가니(10)와 동축적으로 설치된다. 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)은 일반적인 전자석 코일일 수도 있고 초전도 코일일 수도 있다. 하지만 본 발명이 코일의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 비대칭 자기장(G)을 형성하기 위해, 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)의 권선수, 각 코일에 인가되는 전류의 크기, 각 코일의 직경 또는 이들의 선택적 조합을 적절하게 조절할 수 있다. 일 예로 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)의 권선수와 직경은 동일하게 하고, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)에 서로 다른 크기의 전류를 인가한다. 즉, 상부 코일(80a)보다 하부 코일(80b)에 더 큰 전류를 인가하거나 그 반대로 전류를 인가한다. 대안적으로, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)에 인가되는 전류의 크기와 코일의 직경은 같게 하고, 각 코일의 권선수를 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 또 다른 대안으로, 코일의 직경은 동일하게 유지한 상태에서 코일에 인가되는 전류와 코일의 권선수를 동시에 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다. 또 다른 대안으로, 코일에 인가되는 전류와 권선수를 동일하게 하고 상부 코일(80a)과 하부 코일(80b)의 직경을 달리하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다.

상기 자기 차폐수단(90)은 상기 자기장 인가수단(80) 내측과 석영 도가니(10) 외측 사이에 원통형으로 설치된다. 자기 차폐수단(90)은 자기장 인가수 단(80)과 석영 도가니와 동축적으로 설치된다. 자기 차폐수단(90)은 1 ~ 100mm의 두께, 바람직하게는 20 ~ 80mm의 두께를 가진다. 또한, 자기 차폐수단(90)은 10 ~800mm의 길이, 바람직하게는 10 ~ 600mm의 길이를 가진다. 한편, 본 발명이 자기 차폐수단(90)의 형태에 의해 한정되는 것은 아니므로 자기 차폐수단(90)은 판형 또는 코일형과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 자기 차폐수단(90)은 투자율이 높은 퍼멀로이(permalloy), 규소강판 및 Fe-Co-Ni 합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된 강자성체 재료로 이루어진다. 대안적으로, 자기 차폐수단(90)은 자기장에 놓일 때 자기장과 반대되는 방향으로 자화되는 물질인 수은, 구리, 납, 은 및 안티모니로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 된 반자성체 재료로 이루어진다. 하지만, 본 발명이 자기 차폐수단(90)을 구성하는 재료에 의해 한정되는 것은 아니다. 따라서 자기 차폐수단(90)을 구성하는 물질로는 자기장의 세기를 국소적으로 감소시킬 수 있는 기능을 하는 물질이라면 어떠한 것이라도 사용이 가능하다.

상기 자기 차폐수단(90)은 석영 도가니(10)와 자기장 인가수단(80) 사이에 위치하여 자기장 인가수단(80)으로부터 고액 계면 측으로의 자기장 성분을 선택적으로 차폐시킨다. 그 결과, 고액 계면 하부에 인가되는 자기장의 세기가 석영 도가니(10) 내측 벽에 인가되는 자기장 세기보다 상대적으로 작다. 구체적으로 자기장 인가수단(80)과 가까운 위치에 있는 석영 도가니(10) 내측 벽은 자속밀도가 높아져 강자기장이 형성되고, 상대적으로 먼 위치에 있는 고액 계면 하부는 자속밀도가 낮 아짐에 따라 약자기장이 형성된다. 여기서, 약자기장은 0G ~ 100G 가우스의 자기장을 말하고, 강자기장은 50G ~ 800G 가우스의 자기장을 말한다. 하지만, 본 발명이 약자기장과 강자기장의 세기에 의해 한정되는 것은 아니며, 약자기장과 강자기장은 상하 코일부에 인가되는 전류치의 세기, 비율, 자기장 인가수단의 위치뿐만 아니라 자기 차폐수단의 위치 및 디자인에 따라 충분히 달라질 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 발명의 제1실시예에서 상기 석영 도가니(10)에 수용된 반도체 융액(M)으로 인가되는 자기장의 세기 분포는, 상기 자기 차폐수단(90)과 자기장 인가수단(80)의 상대적 위치, 자기 차폐수단(90)의 크기, 두께 및 형태 또는 이들의 선택적 조합에 따라 변화된다. 예컨대, 자기 차폐수단(90)과 자기장 인가수단(80)의 상대적 위치와 자기 차폐수단(90)의 크기를 조절하면 자기장 인가수단(80)으로부터 인가되는 자기장의 차폐 범위를 결정할 수 있다. 또한, 자기 차폐수단(90)의 두께를 조절하면 자기장 인가수단(80)으로부터 인가되는 자기장의 자속밀도의 저감 정도를 결정할 수 있다. 그리고, 자기 차폐수단(90)의 상대적 위치, 크기 및 두께가 결정된 상태에서 자기장 인가수단(80)을 제어하여 자기장의 세기 및 상부와 하부 자기장 비율을 조절하면 선택적 자기 차폐효과를 더욱 극대화 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치는 자기 차폐수단(100)을 제외하고는 도 1에 도시된 반도체 단결정 제조장치와 실질적으 로 동일한 구성을 갖는다. 본 발명의 제2실시예에서는 자기 차폐수단(90)으로 반자기장 생성 수단을 채용한다. 여기서, 반자기장 생성 수단은 반자기장 유도 코일로 구성한다. 상기 반자기장 유도 코일은 고액 계면 부근에 형성되는 자기장 세기를 저감시킬 수 있도록 자기장을 형성한다.

바람직하게, 상기 자기 차폐수단(100)은 자기장 인가수단(80)의 상부 코일(80a) 주위에 설치된다. 그리고 자기 차폐수단(100)에는 자기장 인가수단(80)의 상부 코일에 인가되는 전류와 반대 방향의 전류를 인가한다. 이에 따라, 자기장 인가수단(80)으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장의 세기가 감소됨으로써, 결과적으로 고액 계면 하부에 인가되는 자기장의 세기가 석영 도가니(10) 내측 벽에 인가되는 자기장 세기보다 상대적으로 감소되어 고액 계면 하부에는 약자기장이 석영 도가니(10) 내측 벽에는 강자기장이 형성된다. 이는 상술한 제1실시예에 따른 자기 차폐수단(90)에 의한 선택적 자기 차폐 효과와 실질적으로 동일하다.

상술한 제1 및 제2실시예에 따르면, 석영 도가니(10) 내에 수용된 반도체 융액(M)으로 인가되는 자기장 중 특히 고액 계면 부근으로 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐함으로써, 반도체 융액(M)에 인가되는 자기장의 세기를 영역별로 즉, 고액 계면 하부와 석영 도가니(10)의 내측 벽의 자기장 세기를 개별적으로 제어할 수 있다.

본 발명에 따라 석영 도가니(10) 내측 벽에 강자기장이 인가되면 석영 도가니(10)로부터 반도체 융액(M)에 유입되는 산소의 양을 감소시켜 단결정 내의 산소 농도를 원하는 수준으로 제어할 수 있다. 또한 고액 계면에는 석영 도가니(10) 내 측 벽에 비해 세기가 약한 약자기장이 형성되므로 히터(40) 측으로부터 고액 계면 측으로 자기장 구배가 형성되어 히터(40)로부터 발산되는 열이 효과적으로 고액 계면 하부로 전달될 수 있다. 그 결과, 고액 계면, 특히 고액 계면 중심부의 온도 구배가 증가함으로써 무결함 인상속도를 증가시킬 수 있다. 따라서 불활성 가스 공급과 멜트 갭과 같은 다른 공정조건을 제어하여 고액 계면 엣지부의 온도 구배를 고액 계면 중심부의 온도 구배와 동일한 수준으로 제어하면 무결함 단결정 인상속도에 대한 공정 마진을 확대하여 단결정 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고액 계면에 약자기장이 형성되면 히터(40)로부터 전달된 열이 단결정의 반경방향으로 원활하게 전달되므로 단결정의 반경방향에서 발생되는 온도 구배의 편차를 용이하게 제거할 수 있다.

그러면, 이하에서는 본 발명에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치를 이용하여 반도체 단결정을 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 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 자기장을 인가한다. 이 때, 자기장 인가수단(80)과 석영 도가니(10) 사이에 설치된 자기 차폐수단(90, 100)이 자기장 인가수단(80)으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐한다. 그러면, 석영 도가니(10)의 내측 벽에는 강자기장이 고액 계면에는 약자기장이 형성된다.

이러한 조건으로 자기장을 인가하면, 단결정에 유입되는 산소 농도 제어가 용이하고, 히터(40)로부터 고액 계면 하부로 공급되는 열류의 양을 증대시킴으로써 고액 계면의 온도 구배, 특히 고액 계면 중심부의 온도 구배를 증대시킬 수 있다. 또한, 자기장의 선택적 차폐와 동시에, 자기장 이외의 다른 공정조건을 제어하여 고액 계면 엣지부의 온도 구배를 상승시키면 무결함 인상속도는 물론 무결함 인상속도에 대한 공정 마진도 확대할 수 있어 단결정의 생산성 향상을 기대할 수 있다.

<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 본 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

비교예1

핫-존(hot zone)을 최적화시키고 무결함 공정 마진을 얻을 수 있도록 인상속도 범위를 설정한 다음 설정된 범위 내에서 인상속도를 서서히 증가시키는 인상속도 가변 테스트를 실시하면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰다. 단결정 성장 시에는 상부 자기장보다 하부 자기장의 세기가 큰 비대칭 타입의 커스프 자기장을 인가하였다. 그리고 커스프 자기장의 ZGP를 반도체 융액의 표면보다 높은 곳에 위치시켜 반도체 융액 전체에 강자기장이 인가되도록 하였다.

도 3은 비교예1에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조 장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸다. 도면을 참조하면, 석영 도가니의 내벽뿐만 아니라 고액 계면 하부에도 자기밀도가 높아 강자기장이 형성됨을 알 수 있다. 단결정 잉곳 성장이 완료되면, 잉곳을 축 방향으로 절단하여 수직 샘플링 검사를 수행하였다. 도 7은 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따라 결함 분포를 표시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 단결정 잉곳 중심부의 무결함 인상속도는 0.66mm/min, 단결정 잉곳 엣지부의 무결함 인상속도는 0.64mm/min이므로 무결함 인상속도와 무결함 인상속도에 대한 공정 마진은 각각 0.65mm/min 및 0.02mm/min임을 알 수 있다.

도 8은 비교예1에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따라 산소 농도 프로파일을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 비교예1의 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도는 결정 길이별로 약 1.5ppma의 차이를 보이는 것을 알 수 있다.

실시예1

비교예1과 동일한 자기장 인가 조건에서 석영 도가니와 자기장 인가수단 사이에 자기 차폐수단을 설치하고 인상속도 가변 테스트를 시행하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰다.

도 4는 실시예1에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸다. 도면을 참조하면, 석영 도가니 내벽에는 높은 자기밀도가 유지되어 강자기장이 형성되지만, 고액 계면 하부에는 자기 차폐수단에 의해 자기밀도가 약화되어 약자기장이 형성됨을 알 수 있다.

실시예1에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면은 생략함), 단결정 잉곳 중심부의 무결함 인상속도는 0.69mm/min, 단결정 잉곳 엣지부의 무결함 인상속도는 0.665mm/min이였다. 따라서 무결함 인상속도와 무결함 인상속도의 공정 마진은 각각 0.6775mm/min 및 0.025mm/min임을 알 수 있다.

실시예2

석영 도가니와 자기장 인가수단 사이에 자기 차폐수단을 설치한 상태에서 자기장 인가수단과 자기 차폐수단의 상대적 위치 또는 커스프 자기장의 상부 자기장과 하부 자기장의 세기 비율 등을 조절하여 고액 계면 근처에 ZGP를 위치시켜 고액 계면에는 자장이 거의 형성되지 않도록 하였다. 이 상태에서 인상속도 가변 테스트를 시행하면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰다.

도 5는 실시예2에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸다. 도면을 참조하면, 석영 도가니 내벽에는 높은 자속밀도가 유지되어 강자기장이 형성되고, 고액 계면 하부에는 ZGP의 위치 조절 및 자기 차폐수단에 의한 자기장 차폐 효과에 의해 자기장이 거의 형성되지 않는 것을 알 수 있다.

실시예2에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면은 생략함), 단결정 잉곳 중심부의 무결함 인상속도는 0.72mm/min, 단결정 잉곳 엣지부의 무결함 인상속도는 0.69mm/min이였다. 따라서 무결함 인상속도와 무결함 인상속도의 공정 마진은 각각 0.69mm/min 및 0.03mm/min임을 알 수 있다.

실시예3

석영 도가니와 자기장 인가수단 사이에 반자기장 유도 코일을 설치한 상태에서 비교예1과 동일한 조건에서 인상속도 가변 테스트를 시행하면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰다.

도 6는 실시예3에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸다. 도면을 참조하면, 반자기장 유도 코일에 의한 반자기장의 형성으로 단결정 잉곳의 중심축 하부와 석영 도가니 내벽에는 자속밀도가 증가하여 강자기장이 형성되지만, 고액 계면 하부에는 반자기장에 의한 자속밀도 감소로 약자기장이 형성됨을 알 수 있다.

실시예3에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 수직 샘플링 검사 결과(도면은 생략함), 단결정 잉곳 중심부의 무결함 인상속도는 0.74mm/min, 단결정 잉곳 엣지부의 무결함 인상속도는 0.71mm/min이였다. 따라서 무결함 인상속도와 무결함 인상속도의 공정 마진은 각각 0.71mm/min 및 0.03mm/min임을 알 수 있다.

도 9는 실시예1 ~ 3에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따라 산소 농도 프로파일을 측정하여 나타낸 그래프이고, 하기 표 1은 비교예1과 실시예1 ~ 3에서 얻은 측정 결과를 정리한 것이다.

	자장세기(상대적 강/중/약)			중심부 V* (mm/min)	에지부 V* (mm/min)	ΔV (mm/min)
	고액계면 하부	도가니 벽	도가니 바닥
비교예 1	강	강	강	0.66	0.64	0.02
실시예 1	중	강	강	0.69	0.665	0.025
실시예 2	약	강	강	0.72	0.69	0.03
실시예 3	약	강	강	0.74	0.71	0.03

(V*: 무결함 인상속도, ΔV: 무결함 인상속도 마진)

상기 표 1과 도 9를 참조하면, 실시예1 ~ 3에 따라 제조된 단결정의 산소 농도는 결정 길이별로 약 1ppma 이하의 균질한 산소 농도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 반도체 융액에 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 고액 계면 하부와 석영 도가니 벽면의 자기장 세기를 이원화시켜 고액 계면 하부의 자기장 세기를 석영 도가니 벽면의 자기장 세기보다 상대적으로 약화시킴으로써 무결함 단결정 인상속도를 증가시킬 수 있고, 나아가 무결함 인상속도에 대한 공정마진을 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 기재된 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 제1실시예에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 3은 비교예1에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조 장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸 도면이다.

도 4는 실시예1에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조 장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸 도면이다.

도 5는 실시예2에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조 장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸 도면이다.

도 6는 실시예3에 따른 조건에서 반도체 단결정 제조 장치에 형성된 자기장의 자기력선 분포를 나타낸 도면이다.

도 7은 수직 샘플링 검사를 통해 얻은 인상속도 변화에 따라 결함 분포를 표시한 도면이다.

도 8 및 도 9는 비교예1 및 실시예1 ~ 3에 따라 각각 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향에 따라 산소 농도 프로파일을 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, 100 : 자기 차폐수단

Claims (11)

1. 반도체 융액을 수용하는 석영 도가니, 석영 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 석영 도가니를 가열시키는 히터 및 종자결정에 의해 석영 도가니에 수용된 반도체 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 쵸크랄스키(Czochralsky) 법을 이용한 반도체 단결정 제조장치에 있어서,

   상기 석영 도가니의 둘레에 설치되어 자기장을 석영 도가니에 인가하는 자기장 인가수단; 및

   상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 설치되어 자기장 인가수단으로부터 고액 계면 측으로 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 석영 도가니 내벽의 자기장 세기보다 고액 계면의 자기장 세기를 감소시키는 자기 차폐수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자기장 인가수단은 상기 석영 도가니로 비대칭 커스프 자기장을 형성하는 상부 코일과 하부 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 자기 차폐수단은 상기 상부 코일 측에 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 자기 차폐수단은 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 판형, 원통형 또는 코일형으로 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 자기 차폐수단은 퍼멀로이(permalloy), 규소강판 및 Fe-Co-Ni합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된 강자성체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 자기 차폐수단은 수은, 구리, 납, 은 및 안티모니로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된 반자성체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 자기 차폐수단은 상기 자기장 인가수단으로부터 고액 계면 측으로 인가 되는 자기장의 세기를 감소시키는 반자기장 유도 코일인 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조장치.
8. 석영 도가니로 자기장을 형성하는 자기장 인가수단에서 인가되는 자기장을 석영 도가니에 인가한 상태에서 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 상부로 인상시켜 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 반도체 단결정 제조방법에 있어서,

   상기 자기장 인가수단으로부터 인가되는 자기장을 선택적으로 차폐하여 고액 계면 하부에 인가되는 자기장 세기를 석영 도가니 내벽에 인가되는 자기장 세기보다 상대적으로 약화시키는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 자기장 인가수단으로부터 인가되는 자기장은 비대칭의 커스프 자기장임을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 자기장의 선택적 차폐는 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 강자성체 또는 반자성체로 이루어진 자기 차폐수단을 설치하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조방법.
11. 제8항에 있어서,

    상기 자기장의 선택적 차폐는 상기 자기장 인가수단의 내측과 석영 도가니 외측 사이에 반자기장을 형성하는 반자기장 유도 코일을 설치하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적 자기 차폐를 이용한 단결정 제조방법.

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