KR101105540B1 - 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조방법, 제조장치 및 이 방법에 의해 제조된 단결정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조방법, 제조장치 및 이 방법에 의해 제조된 단결정을 개시한다. 본 발명에 따른 단결정 제조방법은, 석영 도가니에 수용된 융액에 시드를 디핑한 후 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 제조방법에 있어서, 단결정의 바디를 성장시키는 바디 공정에서, 바디 공정 초반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 낮게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 증가시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 높게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단결정의 길이 방향 및 반경 방향으로 FPD의 밀도 분포를 균일화시킬 수 있다. 특히, 단결정의 길이 방향에서 10% 이내의 FPD 밀도 편차를 가지며, 250ea/cm² 이하의 낮은 FPD 밀도 분포를 갖는 단결정을 성장시킬 수 있다. 이에 따라, GOI 특성이 우수한 웨이퍼의 제조가 가능해진다.

쵸크랄스키(CZ) 법, 인상속도, 멜트 갭, 결정결함, FPD, GOI 특성

Description

저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조방법, 제조장치 및 이 방법에 의해 제조된 단결정{Method for manufacturing single crystal with uniform distribution of low density grown-in defect, Apparatus for implementing the same and Single crystal manufactured thereof}

본 발명은 단결정 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 성장 시 도입되는 결정결함의 밀도가 낮으면서도 균일한 분포를 가질 수 있도록 하는 단결정 제조방법, 제조장치 및 이 방법에 의해 제조된 단결정에 관한 것이다.

오늘날 반도체 디바이스 기판으로 사용되는 반도체 웨이퍼는 주로 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법으로 성장시킨 단결정으로부터 제조된다. 최근 고집적 반도체 디바이스나, 비메모리용 디바이스의 경우 GOI(Gate Oxide Integrity) 특성이 중요한 품질 인자로 작용한다. 이러한 GOI 특성을 향상시키기 위해서는 웨이퍼의 표면 특성을 향상시켜야 하고 단결정 측면에서는 단결정 내에 존재하는 결정결함(grown-in defect)을 제어하는 것이 필요하다. 특히 COP(Crystal Originated Particle)나, FPD(Flow Pattern Defect) 등의 보이드성 결함 제어가 중 요하다.

단결정이 성장될 때에는 고액 계면의 온도구배와 인상속도 등의 변화에 따라 베이컨시 점결함(vacancy point defect)과 인터스티셜 점결함(interstitial point defect)이 단결정으로 유입되는데 베이컨시 점결함이나 인터스티셜 점결함이 평형농도 이상으로 존재하면 응집이 일어나서 3차원의 입체적인 결함으로 발전된다.

단결정 성장 기술 분야에 공지된 보론코프(Voronkov)의 이론에 따르면, 단결정에 존재하는 점결함의 농도는 V/G 비에 의존한다. 즉, V/G 값이 특정 임계치를 초과하면 베이컨시 점결함이 단결정으로 유입되는 경향이 있고, V/G 값이 특정 임계치 미만이 되면 인터스티셜 점결함이 단결정으로 유입되는 경향이 있다. 여기서, V는 CZ 법에 의한 단결정 성장 시 단결정의 성장속도이며 G는 고액 계면 근방의 결정 내 수직 온도구배이다.

COP나 FPD 등의 보이드성 결함은 베이컨시 점결함으로부터 유래한다. COP는 결정성장 시 과잉의 베이컨시 점결함이 단결정의 냉각과정에서 응집되어 생성되는 정팔면체 구조의 보이드 결함이 경면 웨이퍼 가공에 의하여 웨이퍼 표면에 노출되어 사각 피트 형태로 관측되는 결함이다. 또한, FPD는 측정방법이 다를 뿐 COP와 동일한 베이컨시 응집체형 결함으로 세코(secco) 에칭 후 물결 흐름 무늬로 관측되는 결함이다.

지금까지의 연구에 의하면 GOI 특성을 저하시키는 주원인은 웨이퍼에 존재하는 FPD 결함과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 FPD의 밀도를 낮추기 위한 방법으로 단결정 인상속도를 낮춰 단결정 내로 유입되는 베이컨시 점결 함의 농도를 낮추는 방법과, 결정의 냉각과정에서 과포화된 베이컨시 점결함의 응집 사이트 크기를 키워 밀도를 낮추도록 단결정의 냉각 속도를 낮추는 이른바 서냉(slow cooling) 공법이 주로 사용되고 있다.

하지만 단결정의 인상속도를 낮추는 방법은 생산성을 저하시키는 문제가 있다. 그리고 서냉 공법은 단결정의 길이 방향으로 FPD 분포의 균질성을 확보하는데 한계가 있다. 그 이유는 다음과 같다. CZ 법을 이용하여 성장되는 단결정은 단결정이 성장함에 따라 길이 방향으로 열이력에 차이를 갖는다. 일반적으로는 단결정의 바디를 기준으로 초반에 성장되는 단결정의 종측부는 빠르게 냉각이 되고 후반에 성장되는 단결정의 미측부는 느리게 냉각이 된다. 그 결과 단결정의 종측부는 베이컨시 점결함의 응집이 촉진되어 높은 밀도의 FPD 분포를 갖고, 단결정의 미측부는 베이컨시 점결함의 응집이 상대적으로 덜하여 낮은 밀도의 FPD 분포를 갖는다. 이로 인해, 통상적인 CZ 법으로 단결정을 성장시키면 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 분포에 대한 균질성이 떨어지게 된다.

도 1은 FPD 밀도를 500ea/cm² 수준으로 제어하면서 CZ 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킨 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 2는 FPD 밀도를 300ea/cm² 수준으로 제어하면서 CZ 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킨 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, FPD 밀도를 500ea/cm² 수준으로 제어할 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD 밀도의 균질성이 10% 내외에서 유지될 수 있어 수율에 큰 영향을 미치지 않았다.

하지만, GOI 특성이 향상될 수 있도록 FPD 밀도를 낮추어 300ea/cm² 수준으로 제어할 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD 밀도의 균질성이 50% 이상으로 악화되어 수율이 저하되는 문제가 발생하였다.

따라서, FPD 밀도가 300ea/cm² 이하, 더욱 바람직하게는 250ea/cm² 이하인 GOI 특성이 우수한 웨이퍼를 제조하기 위해서는 FPD 밀도에 영향을 미치는 공정 인자를 규명하고 단결정 전체에 걸쳐 FPD 밀도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있도록 공정 인자를 재 조정할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 단결정의 길이 방향 및 반경 방향으로 FPD 밀도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있고, 특히, 단결정의 길이 방향에서 10% 편차 이내의 균일한 FPD 밀도 분포를 가지며 250ea/cm² 이하의 낮은 FPD 밀도 분포를 갖는 단결정을 제조할 수 있는 방법, 이 방법을 구현하는 단결정 제조장치, 이 방법에 의해 제조된 단결정을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조방법은, 석영 도가니에 수용된 융액에 시드를 디핑한 후 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 제조방법에 있어서, 단결정의 바디를 성장시키는 바디 공정에서, 바디 공정 초반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 낮게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 증가시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 높게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 단결정의 인상속도는 단결정의 목표 인상속도를 기준으로 5 내지 15%의 범위에서 목표 인상속도보다 높게 또는 낮게 제어한다.

바람직하게, 상기 멜트 갭은 목표 멜트 갭을 기준으로 10 내지 20%의 범위에 서 목표 멜트 갭보다 크게 또는 작게 제어한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조장치는, 융액을 수용하는 석영 도가니, 석영 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터, 시드에 의해 석영 도가니에 수용된 융액으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단 및 상기 단결정에서 방출되는 열을 차단하고 융액의 표면과 멜트 갭을 형성하는 열실드 수단을 포함하는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 제조장치에 있어서, 상기 단결정 인상수단 및 상기 도가니 회전수단을 제어하는 단결정 성장 제어부를 포함하고, 단결정의 바디를 성장시키는 바디 공정에서, 상기 단결정 성장 제어부는 바디 공정 초반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 낮게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 증가시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 높게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 단결정 성장 제어부는 상기 단결정 인상수단을 제어하여 단결정의 인상속도를 목표 인상속도를 기준으로 5 내지 15%의 범위에서 목표 인상속도보다 높게 또는 낮게 제어한다.

바람직하게, 상기 단결정 성장 제어부는 상기 도가니 회전수단을 제어하여 멜트 갭을 목표 멜트 갭을 기준으로 10 내지 20%의 범위에서 목표 멜트 갭보다 크게 또는 작게 제어한다.

대안적으로, 본 발명에 따른 단결정 제조장치는, 열실드 수단을 상하로 이동시키는 열실드 구동수단을 더 포함할 수 있다. 이런 경우, 상기 단결정 성장 제어 부는 상기 열실드 구동수단을 제어하여 멜트 갭을 제어할 수 있다.

상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 단결정 제조방법에 의해 성장된 단결정에 의해서도 달성된다. 본 발명에 따라 성장된 단결정은 단결정의 중심을 기준으로 길이 방향으로 측정한 FPD(Flow Pattern Defect)의 밀도가 250ea/cm² 이하이고 10% 이내의 편차를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 단결정은 단결정의 반경 방향으로 FPD 밀도가 300ea/cm² 이하이다.

본 발명에 따르면, 단결정의 길이 방향 및 반경 방향으로 FPD의 밀도 분포를 균일화시킬 수 있다. 특히, 단결정의 길이 방향에서 10% 이내의 FPD 밀도 편차를 가지며, 250ea/cm² 이하의 낮은 FPD 밀도 분포를 갖는 단결정을 성장시킬 수 있다. 이에 따라, GOI 특성이 우수한 웨이퍼의 제조가 가능해진다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자의 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 3은 본 발명의 실시예에 따른 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 제조장치는, 단결정의 성장이 이루어지는 공간인 챔버(10), 상기 챔버(10) 내부에 설치되며 고온으로 용융된 융액(M)이 수용되는 석영 도가니(20), 상기 석영 도가니(20)의 외주면을 감싸며 석영 도가니(20)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(30), 상기 도가니 하우징(30) 하단에 설치되어 하우징(30)과 함께 석영 도가니(20)를 회전시키면서 석영 도가니(20)를 상승 또는 하강시키는 도가니 회전수단(40), 상기 도가니 하우징(30)의 측벽으로부터 일정 거리 이격되어 석영 도가니(20)를 가열하는 히터(50), 상기 히터(50)의 외곽에 설치되어 히터(50)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(60), 종자결정인 시드(seed)를 이용하여 상기 석영 도가니(20)에 수용된 융액(M)으로부터 단결정(C)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상하는 단결정 인상수단(70) 및 고액 계면의 온도구배 제어를 위해 단결정(C)으로 방출되는 열의 외부 방출을 차폐하고 융액(M)과 멜트 갭을 형성하는 열실드 수단(80)을 포함한다.

상술한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술분야에서 잘 알려진 CZ 법을 이용한 단결정 제조장치의 통상적인 구성 요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 융액(M)은 다결정 실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)을 충진시키고 상기 히터(50)로부터 인가되는 열을 이용하여 용융시킨 것이다. 하지만, 본 발명은 융액(M)의 종류에 의해 한정되는 것은 아니므로 CZ 법에 의해 성장시키는 반도체 단결정의 종류에 따라 융액(M)의 종류와 조성이 달라짐은 자명하다.

본 발명에 따른 단결정 제조장치는, 상술한 구성 요소에 더하여 상기 도가니 회전수단(40) 및 상기 단결정 인상수단(70)을 제어하는 단결정 성장 제어부(200)를 포함한다.

상기 단결정 성장 제어부(200)는 바디 공정에서 상기 단결정 인상수단(70) 및 도가니 회전수단(40)을 제어하여 단결정(C)의 인상속도와 더불어 멜트 갭을 조정함으로써 성장되는 단결정(C)에 저밀도의 FPD가 균일하게 분포될 수 있도록 한다.

여기서, 바디 공정이라 함은 단결정(C)의 직경을 목표 직경으로 유지하면서 웨이퍼로 제품화되는 단결정(C)을 성장시키는 공정을 말한다. 바디 공정 이전에는 단결정(C)의 반경을 목표 직경까지 서서히 증가시키는 숄더 공정이 진행되고, 바디 공정 이후에는 단결정(C)의 반경을 서서히 감소시키면서 단결정(C)을 융액(M)으로부터 분리하는 테일링 공정이 진행된다. 상기 숄더 공정과 테일링 공정은 CZ 법을 이용한 단결정 성장 공정에서 통상적으로 사용하는 공정이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 단결정 성장 제어부(200)는 바디 공정이 진행되는 동안 단결정(C)의 길 이 방향에 따라 변화하는 냉각 이력 차이를 감안하여 단결정(C)의 인상속도를 제어한다. 즉, 바디의 종측부가 성장되는 바디 공정 초반에는 단결정(C)의 인상속도를 공정 조건으로 설정한 목표 인상속도보다 감소시키고, 바디의 미측부가 성장되는 바디 공정 후반에는 단결정(C)의 인상속도를 공정 조건으로 설정한 목표 인상속도보다 증가시킨다.

도 4는 단결정 인상속도를 일정하게 유지하였을 경우 단결정의 길이가 증가함에 따라 고액 계면에서의 온도구배 변화를 전산모사한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 고액 계면에서의 온도구배는 바디 성장 초반에서 후반으로 갈수록 감소하는 분포를 갖는다. 이는 바디 공정이 진행됨에 따라 융액(M)의 양이 감소하여 융액(M)으로부터 전도되는 열이 바디 공정 후반으로 갈수록 감소되기 때문이다. 고액 계면에서 성장된 단결정(C)은 상부로 인상되면서 서서히 냉각되므로 바디 공정에서 단결정 인상속도를 일정하게 유지하면 고액 계면에서의 온도구배 차이로 인해 단결정(C)의 종측부는 상대적으로 빠르게 냉각되고 단결정(C)의 미측부는 상대적으로 느리게 냉각된다. FPD는 단결정(C)이 냉각되는 동안 베이컨시 점결함의 응집으로부터 기인하므로 FPD의 밀도는 단결정(C)의 냉각 속도에 영향을 받는다. 즉, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상대적으로 빠르게 냉각되는 단결정(C)의 종측부는 상대적으로 높은 FPD 분포를 갖게 되고, 상대적으로 느리게 냉각되는 단결정(C)의 미측부는 상대적으로 낮은 FPD 분포를 갖게 된다.

하지만, 본 발명과 같이 단결정 인상속도에 변화를 주면 바디 공정 초반에 성장되는 단결정(C)에서는 FPD의 형성을 완화시킬 수 있고 바디 공정 후반에 성장되는 단결정(C)에서는 FPD의 형성을 강화시킬 수 있다. 단결정 인상속도가 목표 인상속도보다 낮아지면 냉각 속도가 감소하여 베이컨시 점결함의 밀도가 감소하고, 반대로 단결정 인상속도가 목표 인상속도보다 증가하면 냉각 속도가 증가하여 베이컨시 점결함의 밀도가 증가하기 때문이다. 그런데 단결정 인상속도만을 제어할 경우 단결정(C)의 반경 방향으로 FPD 밀도 분포의 편차가 발생되고 바디 공정 후반에 성장되는 단결정(C)에는 FPD 밀도가 과도하게 증가하는 문제가 발생한다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 단결정의 인상속도에만 변화를 주었을 때 단결정의 종측부 및 미측부에서 샘플링한 단결정의 반경 방향에서 측정한 FPD 밀도 분포를 나타낸 그래프이다.

도면에서, <Low P/S>는 단결정 인상속도를 목표 인상속도보다 낮게 설정한 단결정(C)의 종측부에 대한 FPD 밀도 분포이고, <High P/S>는 단결정 인상속도를 목표 인상속도보다 높게 설정한 단결정(C)의 미측부에 대한 FPD 밀도 분포이다.

도 5를 참조하면, 단결정(C)의 종측부는 목표 인상속도보다 낮은 인상속도로 성장되어 냉각 속도가 감소함으로써 FPD 밀도가 전반적으로 감소하였다. 반대로, 단결정(C)의 미측부는 목표 인상속도보다 높은 인상속도로 성장되어 냉각 속도가 증가함으로써 FPD 밀도가 전반적으로 과도하게 증가하였다. 또한, 단결정(C)의 종측부와 미측부 모두 FPD의 밀도가 단결정의 방향에서 균일한 분포를 나타내지 않았다. 이는 단결정(C)의 종측부와 미측부가 고액 계면에서 결정화된 후 상부로 이동되면서 냉각되는 과정에서 반경 방향으로 다른 냉각 이력이 발생되었고, 바디 공정 후반에서 고액 계면의 온도구배 감소에 의한 FPD 밀도의 감소폭보다 인상속도 증가로 인한 냉각 속도 증가에 의해 야기되는 FPD 밀도 증가 효과가 훨씬 컸기 때문이다. 따라서 단결정(C)의 길이 방향과 반경 방향 모두에서 낮은 밀도의 FPD를 균일하게 형성하기 위해서는 단결정 인상속도 이외에 다른 공정 인자를 추가적으로 제어할 필요가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 단결정 성장 제어부(200)는 단결정(C)의 인상속도 변화에 의해 단결정(C)의 반경 방향에서 나타나는 FPD 밀도 분포의 편차를 감소시키고 단결정(C) 미측부의 FPD 밀도 분포를 전반적으로 감소시켜 단결정(C)의 길이 방향에서 저밀도의 FPD 분포를 균일하게 구현하기 위해 멜트 갭을 추가적으로 제어한다. 이를 위해, 상기 단결정 성장 제어부(200)는 도가니 회전수단(40)을 상승 또는 하강시키는 기계적 메커니즘에 제어 신호를 인가할 수 있다.

구체적으로, 상기 단결정 성장 제어부(200)는 바디 공정에서 상기 도가니 회전수단(40)을 제어하여 석영 도가니(20)의 위치를 상부 또는 하부로 이동시켜 멜트 갭을 조절한다. 멜트 갭은 바디 공정에서 초반, 중반, 후반으로 나누어 단계적으로 변경한다. 예컨대, 단결정(C)의 인상속도가 목표 인상속도보다 낮게 제어된 바디 공정 초반에는 멜트 갭을 공정 조건으로 설정한 목표 멜트 갭보다 크게 제어하고, 단결정(C)의 인상속도가 목표 인상속도와 대략 일치하는 바디 공정 중반에는 멜트 갭을 공정 조건으로 설정한 목표 멜트 갭과 실질적으로 동일하게 제어하고, 단결정(C)의 인상속도가 목표 인상속도보다 높게 제어된 바디 공정 후반에는 멜트 갭을 공정 조건으로 설정한 목표 멜트 갭보다 작게 제어한다. 그러면, 단결정 인상속도 변화에 의해 단결정(C)의 반경 방향에서 나타나는 FPD 밀도 분포의 불균일성을 완화시킬 수 있고 단결정(C) 미측부의 FPD 밀도 분포를 전체적으로 저하시켜 단결정(C)의 길이 방향 및 반경 방향 모두에서 저밀도의 FPD 분포를 균일화시킬 수 있다. 이에 대해서는 도 6 내지 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 상술한 실시예에서는 멜트 갭의 조정을 도가니 회전수단(40)에 의해 조정되는 석영 도가니(20)의 이동에 의해 구현된다고 설명하였다. 하지만, 본 발명이 멜트 갭의 조절 방식에 의해 한정되는 것은 아니며, 열실드 수단(80)의 이동에 의해 구현될 수 있음은 자명하다.

이러한 경우, 단결정 제조장치에는 열실드 구동수단(도 1의 210참조)을 더 포함하고, 상기 단결정 성장 제어부(200)는 상기 열실드 구동수단(210)을 제어하여 열실드 수단(80)의 위치를 상부 또는 하부로 이동시켜 멜트 갭을 제어할 수 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 상기 열실드 구동수단(210)은 열실드 수단(80)의 상하 이동을 가능하게 하는 기계적 메커니즘으로서 열실드 수단(80)의 직선 운동을 가이드하는 가이더와 열실드 수단(80)의 구동을 위한 모터를 포함한다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 바디 공정에서 단결정 인상속도 및 멜트 갭의 변화 프로파일을 각각 도시한 그래프이고, 도 8은 도 6 및 7에 도시된 단결정의 인상속도 및 멜트 갭 변화 프로파일에 의해 단결정을 성장시켰을 때 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 단결정의 중심에서 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 도 6 및 7에 도시된 단결정의 인상속도 및 멜트 갭 변화 프로파일에 의해 단결정을 성장시켰을 때 단결정의 반경 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 6 및 7을 참조하면, 바디 공정 초반에는 단결정의 인상속도가 목표 인상속도보다 낮게 제어되고, 바디 공정 후반에는 단결정의 인상속도가 목표 인상속도보다 높게 제어된다. 예컨대, 바디 공정 초반에는 목표 인상속도로 설정된 0.8mm/min보다 낮은 인상속도로 단결정을 인상시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도로 설정된 0.8mm/min보다 높은 인상속도로 단결정을 인상시킨다.

그리고, 바디 공정 초반에는 멜트 갭이 목표 멜트 갭보다 크게 제어되고, 바디 공정 중반에는 멜트 갭이 목표 멜트 갭과 실질적으로 동일하게 제어되고, 바디 공정 후반에는 멜트 갭이 목표 멜트 갭보다 작게 제어된다. 예컨대, 바디 공정 초반에는 목표 멜트 갭으로 설정된 45mm보다 멜트 갭을 크게 제어하고, 바디 공정 중반에는 목표 멜트 갭으로 설정된 45mm와 동일하게 멜트 갭을 제어하고, 바디 공정 후반에는 목표 멜트 갭으로 설정된 45mm보다 작게 멜트 갭을 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 목표 인상속도를 0.8mm/min로 설정하고, 목표 멜트 갭을 45mm로 설정한다고 설명하였다. 하지만, 본 발명이 목표 인상속도와 목표 멜트 갭에 의하여 한정되는 것은 아니므로 목표 인상속도와 목표 멜트 갭은 단결정의 직경, 길이, 결정품질, 핫존의 조건 등에 따라 변경이 가능함은 자명하다.

바람직하게, 단결정 인상속도는 목표 인상속도를 기준으로 5 내지 15%의 범위에서 목표 인상속도보다 높게 또는 낮게 제어하고, 멜트 갭은 목표 멜트 갭을 기준으로 10 내지 20%의 범위에서 목표 멜트 갭보다 크게 또는 작게 제어한다.

여기서, 단결정 인상속도 또는 멜트 갭이 각각 5%와 10% 미만이면, FPD 밀도 분포에 대한 균질성을 이룰 수 있는 효과가 나타나지 않는다. 반면, 단결정 인상속도 또는 멜트 갭이 각각 15%와 20% 이상이면, 목표 인상속도 또는 목표 멜트 갭과의 차이가 커져 단결정의 품질이 충분히 확보되기 어렵다.

상기한 조건으로 단결정 인상속도와 멜트 갭을 제어함으로써 도 8에 도시된 바와 같이, 단결정의 중심에서 길이 방향으로 FPD의 밀도를 250ea/cm² 이하로 낮게 제어할 수 있고, FPD의 밀도 편차를 10% 이내로 제어하여 FPD 밀도 분포의 균질성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 바디 공정 초반, 중반 및 후반에 성장된 단결정 모두가 단결정의 반경 방향으로 FPD의 밀도를 300ea/cm² 이하로 낮게 제어할 수 있고 종래 보다 반경 방향에서의 FPD 밀도 편차를 감소시켜 FPD 밀도의 균질성을 향상시킬 수 있는 것을 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 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 FPD 밀도를 500ea/cm² 수준으로 제어하면서 CZ 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킨 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 2는 FPD 밀도를 300ea/cm² 수준으로 제어하면서 CZ 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킨 경우 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저밀도의 결정결함 분포가 균일한 단결정 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 장치 단면도이다.

도 4는 단결정 인상속도를 일정하게 유지하였을 경우 단결정의 길이가 증가함에 따라 고액 계면에서의 온도구배 변화를 전산모사한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 단결정의 인상속도에만 변화를 주었을 때 단결정의 종측부 및 미측부에서 샘플링한 단결정의 반경 방향에서 측정한 FPD 밀도 분 포를 나타낸 그래프이다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 바디 공정에서 단결정 인상속도 및 멜트 갭의 변화 프로파일을 각각 도시한 그래프이다.

도 8은 도 6 및 7에 도시된 단결정의 인상속도 및 멜트 갭 변화 프로파일에 의해 단결정을 성장시켰을 때 단결정의 길이 방향으로 FPD의 밀도 변화를 단결정의 중심에서 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 9는 도 6 및 7에 도시된 단결정의 인상속도 및 멜트 갭 변화 프로파일에 의해 단결정을 성장시켰을 때 단결정의 반경 방향으로 FPD의 밀도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.

Claims (9)

1. 석영 도가니에 수용된 융액에 시드를 디핑한 후 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 제조방법에 있어서,

   단결정의 바디를 성장시키는 바디 공정에서,

   바디 공정 초반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 낮게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 증가시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 높게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 감소시켜 단결정의 중심을 기준으로 길이 방향으로 측정한 FPD(Flow Pattern Defect)의 밀도가 250ea/cm² 이하이고 10% 이내의 편차를 가지도록 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단결정의 인상속도는 단결정의 목표 인상속도를 기준으로 5 내지 15%의 범위에서 목표 인상속도보다 높게 또는 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 멜트 갭은 목표 멜트 갭을 기준으로 10 내지 20%의 범위에서 목표 멜트 갭보다 크게 또는 작게 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
4. 융액을 수용하는 석영 도가니, 석영 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단, 석영 도가니 측벽 주위에 설치된 히터, 시드에 의해 석영 도가니에 수용된 융액으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단 및 상기 단결정에서 방출되는 열을 차단하고 융액의 표면과 멜트 갭을 형성하는 열실드 수단을 포함하는 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 제조장치에 있어서,

   상기 단결정 인상수단 및 상기 도가니 회전수단을 제어하는 단결정 성장 제어부를 포함하고,

   단결정의 바디를 성장시키는 바디 공정에서,

   상기 단결정 성장 제어부는 바디 공정 초반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 낮게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 증가시키고, 바디 공정 후반에는 목표 인상속도보다 단결정의 인상속도를 높게 제어하고 목표 멜트 갭보다 멜트 갭을 감소시켜 단결정의 중심을 기준으로 길이 방향으로 측정한 FPD(Flow Pattern Defect)의 밀도가 250ea/cm² 이하이고 10% 이내의 편차를 가지도록 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 단결정 성장 제어부는 상기 단결정 인상수단을 제어하여 단결정의 인상속도를 목표 인상속도를 기준으로 5 내지 15%의 범위에서 목표 인상속도보다 높게 또는 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 단결정 성장 제어부는 상기 도가니 회전수단을 제어하여 멜트 갭을 목표 멜트 갭을 기준으로 10 내지 20%의 범위에서 목표 멜트 갭보다 크게 또는 작게 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
7. 제6항에 있어서,

   열실드 수단을 상하로 이동시키는 열실드 구동수단을 더 포함하고,

   상기 단결정 성장 제어부는 상기 열실드 구동수단을 제어하여 멜트 갭을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
8. 단결정의 중심을 기준으로 길이 방향으로 측정한 FPD(Flow Pattern Defect)의 밀도가 250ea/cm² 이하이고 10% 이내의 편차를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정.
9. 제8항에 있어서,

   상기 단결정은 단결정의 반경 방향으로 FPD 밀도가 300ea/cm² 이하인 것을 특징으로 하는 단결정.

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