KR101625431B1 - 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳 - Google Patents

쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳 Download PDF

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Abstract

실시예는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법에 있어서, 도가니 내의 실리콘 용융액에 시드를 담그고, 상기 시드를 회전시키면서 실리콘 단결정 잉곳의 넥과 숄더를 성장시키는 단계; 및 바디를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 바디의 성장 단계에서 상기 도가니에 2500 가우스 내지 3500 가우스의 자기장을 인가하는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법을 제공한다.

Description

쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳{METHOD FOR GROWING A SILICON SINGLE CRYSTAL USING CZOCHRALSKI METHOD AND SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쵸크랄스키법을 이용하여 산소 농도가 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키고자 하는 것이다.
통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 방지하기 위해 그 외주부를 가공하는 그라인딩(Grinding) 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 상기 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 연마하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 통하여 제조된다.
상술한 공정 중 실리콘 단결정을 성장시키는 공정은, 고순도 고상의 실리콘 원료를 장입한 성장로를 고온에서 가열하여 원료를 용용한 후, 키로풀러스법(Kyropoulos Method, 이하 'KY'법이라 함), 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ'법이라 함), EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, 열교환법(Heat Exchange Method), 수직수평온도구배법(Vertical Horizontal Gradient Freezing) 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.
CZ법 등으로 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳은 성장 과정에서 성장 이력에 따른 결정 결함 및 원하지 않는 불순물로서 특히 산소가 실리콘 단결정에 포함되게 된다.
산소는 반도체 소자의 제조 공정에서 가해지는 열에 의해 산소 침전물(oxygen precipitates)로 성장하게 되는데, 이 산소 침전물은 실리콘 웨이퍼의 강도를 보강하고 금속 오염 원소를 포획하는 등 내부 게터링(Internal Gettering) 사이트로서 작용하는 등 유익한 특성을 보이기도 하지만, 반도체 소자의 누설전류 및 불량(fail)을 유발하는 유해한 특성을 보인다.
따라서, 반도체 소자가 형성될 웨이퍼 표면으로부터 소정 깊이까지의 디누드 존(denuded zone)에는 이러한 산소 침전물이 실질적으로 존재하지 않으면서도, 소정 깊이 이상의 벌크 영역에서는 소정의 밀도 및 분포로 존재하는 웨이퍼가 요구된다.
반도체 소자 제조 공정에서 이렇게 벌크 영역에 생성되는 산소 침전물들과 벌크 적층 결함들을 포함하여 통상 BMD(Bulk Micro Defects)라 하며, 이하에서는 벌크 영역의 산소 침전물과 BMD를 구분하지 않고 사용하기로 한다.
BMD의 농도 및 분포가 제어된 웨이퍼를 제공하기 위하여, 대한민국 등록특허 특0130138에서는 공정 중 아르곤(Ar) 가스를 이용하여 산소 농도를 균일하게 형성하려고 시도하고 있으며, 일본 공개특허 1997-175895에서는 도가니의 회전 속도를 조절하여 산소 농도를 균일하게 하려고 시도하고 있다.
또한, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 후에 웨이퍼 가공 공정(wafering process) 중에 열처리를 통해 BMD 농도 및 분포를 조절하고자 하는 시도도 있다.
그러나, 상술한 방법들은 주로 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향인 종축 방향의 BMD 농도 개선 효과는 있으나, 횡측 방향 즉 실리콘 단결정 잉곳의 지름 방향에서의 BMD 농도 개선 효과는 미미하였다.
실시예는 쵸크랄스키법을 이용하여 산소 농도가 균일한 실리콘 단결정 잉곳, 특히 지름 방향에서의 BMD 농도가 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키고자 한다.
실시예는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법에 있어서, 도가니 내의 실리콘 용융액에 시드를 담그고, 상기 시드를 회전시키면서 실리콘 단결정 잉곳의 넥과 숄더를 성장시키는 단계; 및 바디를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 바디의 성장 단계에서 상기 도가니에 2500 가우스 내지 3500 가우스의 자기장을 인가하는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법을 제공한다.
바디의 성장시에 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리가, 상기 시드를 담글 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리보다 커질 수 있다.
바디의 성장 종료시에 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리는, 상기 시드를 담글 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리보다 3 밀리미터 내지 8 밀리미터 커질 수 있다.
실리콘 용융액의 고화율이 50% 일 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 도가니 상부의 열 차폐재와의 거리가, 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리의 총 변동 값의 80%이상이 변동될 수 있다.
시드의 회전 속도는 10 rpm 내지 12 rpm일 수 있다.
도가니의 회전 속도는 0.3 rpm 내지 3 rpm일 수 있다.
바디의 성장시에 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 사이에서 아르곤 가스의 속도는 4.0 m/s 내지 4.7m/s일 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면 상술한 쵸크랄스키법을 이용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 제공한다.
상술한 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳은, 지름 방향에서 중앙과 가장 자리의 산소 농도의 차이가 1% 이하일 수 있고, 실리콘 단결정 잉곳은, 보론(B)의 도핑 농도가 1.0×1015 atom/cm3 내지 2.0×1015인 atom/cm3 일 수 있으며, 실리콘 단결정 잉곳은, 질소(N)의 도핑 농도가 1.0×1012 atom/cm3 내지 1.0×1014인 atom/cm3 일 수 있다.
상술한 성장 방법으로 제조된 실리콘 단결정 웨이퍼는 반경 방향에서 산소 농도가 고르게 분포되어, 열처리 후 생성된 균일한 산소 석출물의 게터링(gattering) 효과로 인하여 반도체의 수율 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고,
도 2a는 실리콘 단결정의 성장시에 바디(body)에서 시드(seed) 방향으로부터 테일(tail) 방향으로의 ORG 경향을 분석한 것이고, 도 2b는 실리콘 단결정의 ORG와 Oi의 측정을 나타낸 것이고,
도 3a 내지 도 3e는 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고,
도 4는 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재의 사이의 거리 변화와 이에 따른 불활성 기체의 속도 등을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 도가니에 인가되는 자기장의 세기를 달리하였을 때, 실리콘 용융액 내의 흐름(flow)을 나타낸 도면이고,
도 6은 시드의 회전 속도에 따른 Oi의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도가니의 회전 속도에 따른 Oi의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8a와 도 8b는 종래의 실리콘 웨이퍼에서의 반경 방향의 산소 농도 분포와, 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 반경 방향의 산소 농도를 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 단결정 잉곳의 성장이 이루어지는 공간인 챔버(10), 챔버(10) 내부에 설치되며 실리콘 용융액(M)이 수용되는 도가니(20), 도가니(20)의 외주면을 감싸며 도가니(20)를 일정한 형태로 지지하는 하우징(30), 하우징(30) 하단에 설치되어 하우징(30)과 함께 도가니(20)를 회전시키면서 도가니(20)를 상승 또는 하강시키는 회전수단(40), 하우징(30)의 측벽으로부터 일정 거리 이격되어 도가니(20)를 가열하는 히터(50), 히터(50)의 외곽에 설치되어 히터(50)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열 부재(60), 종자결정인 시드(seed)를 이용하여 도가니(20)에 수용된 실리콘 용융액(M)으로부터 단결정 잉곳(IG)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상하는 단결정 인상수단(70), 단결정 인상수단(70)에 의해 인상되는 단결정 잉곳(IG)을 냉각시키기 위해 내부에 냉각수가 순환되는 수냉관(80), 단결정 잉곳(IG)의 외주면을 따라 실리콘 용융액(M)의 상부 표면으로 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급수단(90) 및 고액 계면의 온도 구배 제어를 위해 잉곳(IG)으로 방출되는 열의 외부 방출을 차폐하고 융액(M)과 멜트 갭을 형성하는 열 차폐재(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.
실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리를 'd'로 표시하고 있는데, 이에 대하여는 후술한다.
도 2a는 실리콘 단결정의 성장시에 바디(body)에서 시드(seed) 방향으로부터 테일(tail) 방향으로의 ORG 경향을 분석한 것이다. 도시된 바와 같이, 바디의 테일 방향으로 갈수록 ORG가 커지고 있으며, 이는 바디의 성장 후반에서 중앙(center)에 비하여 가장 자리(edge)의 Oi가 낮아짐을 뜻한다.
도 2b는 실리콘 단결정의 ORG와 Oi의 측정을 나타낸 것이다. 실리콘 단결정 잉곳 내지 웨이퍼에서, Oi는 중앙의 산소 농도를 나타내고, ORG는 중앙과 가장 자리 간의 산소 농도 편차를 나타내는데 중앙의 산소 농도와 가장 자리의 4지점에서의 산소 농도의 평균의 차이로 나타낼 수 있다. 이때, 가장 자리 4지점은 웨이퍼의 최외곽으로부터 10 밀리미터 이내인 지점 4곳일 수 있다.
도 2a로부터 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에, 바디의 성장 후반부에서 중앙과 가장 자리의 산소 농도의 편차가 큰 것을 알 수 있으며 이를 개선할 필요가 있다.
전체적인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정에서 바디 성장 초기의 산소 농도가 바디 성장 후반의 산소 농도보다 클 수 있는데, 바디 성장 후반에서도 중앙과 가장 자리의 산소 농도의 편차가 큰 것은 산소의 휘발 등에 기인할 수 있으며, 산소의 휘발은 비활성 기체의 공급 등에 의하여 변화할 수 있다.
이하에서, 도 1의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치로 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는 방법에 대하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 실리콘 단결정의 성장 방법의 일실시예를 설명한다.
CZ법에 의한 실리콘 단결정의 성장은 하우징 내부에 단열 부재를 장착하고, 도가니에 원료를 충진한 후 녹는점 이상으로 가열한다. 그리고, 적정한 접촉과 시딩(seeding) 온도에서 상부에 구비된 종자결정을 실리콘 용융액에 함침시켜 넥(neck)을 형성하고, 전력(power)를 감소시켜 성장에 필요한 온도 기울기를 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시킨다.
실리콘 용융액(M)은 다결정 실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)을 적층시키고 히터로부터 가해지는 열로 용융시킨 것이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 도가니(20)에 원료를 주입하고 용융하는데, 도가니(20)를 가열하기 위하여 도가니(20)의 외벽과 바닥면을 감싸는 히터 등의 열원을 배치하고, 발생되는 복사 열을 이용할 수 있다. 원료의 용융 후에 도가니(20) 내에는 실리콘 용융액(M)이 채워지고, 실리콘 단결정인 시드(210)는 시드 연결부(220)에 매달려서 도가니(20) 상부로 배치되고 있다.
용융 공정과 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정은 챔버 내에서 진행되는데, 챔버 내부의 압력을 10-6 torr 이하의 고진공으로 하거나 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘리면서 상압으로 할 수 있다.
도 3b에서 도가니(20) 상부의 오픈 영역을 통하여 시드를 내리고 넥(a)를 성장시킨다. 이때, 도가니(20) 내에 실리콘 용융액(M)이 채워지고, 시드 연결부(220)에 매달린 시드를 실리콘 용융액(M)에 접촉하여 담근다. 그리고, 시드가 고온의 실리콘 용융액(M)에 잠기면서 시드의 일부가 녹을 수 있는데, 이때 실리콘 용융액(M)의 일부가 고화되어 시드보다 굵은 마디(season)를 연속적으로 형성하면서 넥(neck, 250a)이 성장될 수 있다.
잉곳의 성장 공정에서 시드의 회전에 따라 잉곳이 회전하며 도가니도 회전할 수 있다.
상술한 넥(250a)을 형성하는 과정을 넥킹(Necking)이라 할 수 있다. 넥킹 공정에서, 시드에 실리콘 용융액(M)의 일부가 고화되면서 직경이 증가할 수 있고, 이때 시드를 인상시킴에 따라 마디(season)가 형성될 수 있다. 도 3b의 우측 도면에서 a, b, c, d는 시간에 따라 인상되는 넥(250a)의 형상을 나타낸 것이다.
넥(250a)이 충분히 성장된 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 숄더(250b, shoulder)가 성장되는데, 수직 방향으로 안정적으로 성장할 수 있다.
숄더의 성장을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
실리콘 용융액(M)이 고화되어 넥(250a)의 하부로부터 연속하여 실리콘 단결정이 성장되는데, 숄더(250b)의 형성 공정에서 숄더(250b)는 반경 및 수직 방향으로 성장하여 실리콘 단결정의 직경이 증가하고 실리콘 용융액 내부로 잠겨지면서 성장된다.
숄더(250b)는 도가니(20)의 직경 크기까지 성장될 수도 있으나, 도가니(20) 내벽과 접촉될 경우 스틱(stick)이 형성될 수 있고 이는 결정성장 과정에 물리적인 응력과 냉각과정의 열응력을 발생시켜 크랙(crack)을 유발하는 원인이 된다. 따라서, 숄더(250b)는 CZ법에서 도가니(20) 직경의 50%~70%까지 성장시킬 수 있다.
그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이 바디(250c, body)를 성장시킬 수 있다. 바디(250c, body)가 성장되는데, 실리콘 용융액(M)이 고화되면서 숄더(250b)의 하부로부터 연속하여 실리콘 단결정이 성장될 수 있는데, 바디(250c)의 형성 공정에서 바디(250c)는 수직 방향으로 성장할 수 있으나 통상적으로는 성장 계면에 수직한 방향으로 실리콘 단결정이 성장된다. 성장 중인 실리콘 단결정 특히 바디(250c)와 실리콘 용융액(M)의 경계면은 도가니의 아래 방향으로 하강하여 도 3d에 도시된 바와 같이 도가니(20)의 바닥면과 접촉한다.
바디(250c)의 최저점이 도가니(20)의 바닥면에 접촉한 후, 시드 연결부(220)를 인상시키면서 바디(250c)의 성장 공정을 계속할 수 있다.
바디(250c)의 성장시에 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리는, 시드(210)를 담글 때 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리보다 커질 수 있다. 여기서, 상술한 '거리'는 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 하부면 사이의 거리를 뜻하는데, 상술한 '거리'가 커지면 불활성 기체인 아르곤의 속도가 느려지고, 이에 따라 산소의 휘발량이 작아질 수 있다.
구체적으로, 바디(250c)의 성장 종료시에 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리는, 시드(210)를 담글 때 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리보다 3 밀리미터 내지 8 밀리미터 커질 수 있다.
챔버 내부 특히, 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 사이에서 불활성 기체인 아르곤의 속도가 4.0 m/s 내지 4.7m/s일 때, 산소의 휘발량이 작아질 수 있다.
도 4는 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재의 사이의 거리 변화와 이에 따른 불활성 기체의 속도 등을 나타낸 도면이다.
실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 사이의 거리가 시드의 디핑(dipping)시와 바디의 성장시에 동일한 경우 불활성 기체의 속도는 4.87m/s이고, 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 사이의 거리가 시드의 디핑(dipping)시보다 바디의 성장시에 7 밀리미터 줄어든 경우 불활성 기체의 속도는 5.46m/s이고, 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 사이의 거리가 시드의 디핑(dipping)시보다 바디의 성장시에 7 밀리미터 증가한 경우 불활성 기체의 속도는 4.11m/s로 측정되었다.
그리고, 성장된 실리콘 단결정에서의 Oi는 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)의 사이의 거리가 시드의 디핑(dipping)시보다 바디의 성장시에 7 밀리미터 증가한 경우가 비교적 고르게 나타나고 있다.
실리콘 단결정이 성장될 때 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리가 점차 증가할 수 있는데, 실리콘 용융액(M)의 고화율이 50% 일 때 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리가 실리콘 용융액의 표면(M)과 열 차폐재(100)와의 거리의 총 변동 값의 80%이상이 될 때 상술한 산소 휘발량 감소 효과를 충분히 기대할 수 있다. 즉, 실리콘 용융액(M)의 표면과 열 차폐재(100)와의 거리의 증가량 중 80% 이상이, 실리콘 용융액(M) 중 50%가 고화되기 이전에 이루어지는 것이 바람직하다.
바디(250c)의 성장 단계에서 시드(210)의 회전에 따라 바디(250c)가 회전하며 성장되고 도가니(20)도 회전하며, 도가니(210)의 외부의 자기장 인가 유닛(미도시)로부터 도가니(20)로 자기장이 인가될 수 있으며, 인가되는 자기장의 세기는 2500 가우스(G) 내지 3500 가우스(G)일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도가니에 인가되는 자기장의 세기를 달리하였을 때, 실리콘 용융액 내의 흐름(flow)을 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 비교예에서 도가니에 1500 가우스의 자기장이 인가되고, 도 5b에 도시된 실시예에서 도가니에 3000 가우스의 자기장이 인가되고 있다. 자기장의 세기를 2500 가우스 내지 3500 가우스로 강하게 가하여 화살표로 실리콘 용융액의 흐름이 원활하고 대칭적으로 이루어지고 있으며, 따라서 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도가 고르게 되어 ORG 개선에 유리할 수 있다.
이후에, 도 3e에 도시된 바와 같이 100% 고화된 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 도가니(20)로부터 분리하고 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장공정을 완료한다.
도 6은 시드의 회전 속도에 따른 Oi의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도가니의 회전 속도에 따른 Oi의 변화를 나타낸 그래프이다. 시드(210)의 회전 속도가 10 rpm(ratation per minute) 내지 12 rpm이고, 도가니(20)의 회전 속도가 0.3 rpm 내지 3 rpm일 때 ORG 개선 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
표 1은 실시예에 따른 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 Oi를 비교예들과 함께 나타낸 것이고, 표 2는 실시예에 따른 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 ORG를 비교예들과 함께 나타낸 것이다.
비교예 1은 시드의 회전 속도가 10 rpm이고 도가니에 인가되는 자기장의 세기가 1500G이고 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재와의 거리가 일정하고, 비교예 2는 시드의 회전 속도가 10 rpm이고 도가니에 인가되는 자기장의 세기가 1500G이고 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재와의 거리고 시딩시보다 바디의 성장시에 5 밀리미터 증가하고, 비교예 3은 시드의 회전 속도가 11 rpm이고 도가니에 인가되는 자기장의 세기가 1500G이고 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재와의 거리가 일정하고, 실시예는 시드의 회전 속도가 11 rpm이고 도가니에 인가되는 자기장의 세기가 3000G이고 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재와의 거리가 시딩시보다 바디의 성장시에 7 밀리미터 증가한다.
Oi(center) Oi(edge 1) Oi(edge 2) ORG(%)
비교예 1 12.282 11.486 11.525 6.322
비교예 2 11.843 11.537 11.514 2.681
비교예 3 10.655 10.986 10.877 2.595
실시예 11.828 11.974 11.951 1.137
반경방향위치(mm) 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예
4 12.185 11.466 12.136 13.477
8 12.136 11.463 12.154 13.477
12 12.177 11.372 12.158 13.395
16 12.148 11.38 12.11 13.463
20 12.168 11.48 12.153 13.495
.. .. .. .. ..
132 11.516 11.909 12.444 13.14
136 11.309 11.802 12.365 13.13
140 11.592 11.928 11.567 13.275
144 11.326 11.962 11.84 13.206
148 11.475 12.273 12.098 13.102
st. dev 0.277 0.206 0.198 0.095
표 2는 중심(center)에서 4 밀리미터(mm) 간격으로 총 148 밀리미터까지 산소 농도를 측정하여, 총 37 지점(point)의 st.dev값을 나타낸 것이다.
실시예에 따른 실리콘 웨이퍼는 지름 방향, 즉 횡방향에서 중앙과 가장 자리의 산소 농도의 차이가 1% 이하임을 알 수 있다.
또한, 실시예에 따른 공정으로 제조된 실리콘 웨이퍼는 보론(B)의 도핑 농도가 1.0×1015 atom/cm3 내지 2.0×1015인 atom/cm3 이고, 질소(N)의 도핑 농도가 1.0×1012 atom/cm3 내지 1.0×1014인 atom/cm3 일 수 있다.
표 1과 표 2에서 실시예에 따른 방법으로 성장된 실리콘 단결정은 ORG와 반경 방향의 산소 농도 분포가 비교예들에 비하여 개선된 것을 알 수 있다.
도 8a와 도 8b는 종래의 실리콘 웨이퍼에서의 반경 방향의 산소 농도 분포와, 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 반경 방향의 산소 농도를 나타낸 것이다.
도 8a에서 종래의 방법으로 제조된 실리콘 웨이퍼들에서는 산소 농도의 편차가 크나, 도 8b의 실시예에 따른 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 슬라이싱되고 후처리된 실리콘 웨이퍼들의 산소 농도 분포를 비교적 고르게 개선되고 있다. 따라서, 웨이퍼의 반경 방향에서 산소 농도가 고르게 분포되어, 열처리 후 생성된 균일한 산소 석출물의 게터링(gattering) 효과로 인하여 반도체의 수율 향상을 기대할 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 챔버 20: 도가니
30: 하우징 40: 회전수단
50: 히터 60: 단열 부재
70: 결정 인상수단 80: 수냉관
90: 불활성 가스 공급 수단 100: 열 차폐재

Claims (12)

  1. 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법에 있어서,
    도가니 내의 실리콘 용융액에 시드를 담그고, 상기 시드를 회전시키면서 실리콘 단결정 잉곳의 넥과 숄더를 성장시키는 단계; 및
    바디를 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 바디의 성장 단계에서 상기 실리콘 용융액의 표면과 열 차폐재와의 사이에 불활성 기체를 4.0 m/s 내지 4.7m/s의 속도로 공급하는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 바디의 성장시에 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리가, 상기 시드를 담글 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리보다 커지는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 바디의 성장 종료시에 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리는, 상기 시드를 담글 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리보다 3 밀리미터 내지 8 밀리미터 커지는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액의 고화율이 50% 일 때 상기 실리콘 용융액의 표면과 도가니 상부의 열 차폐재와의 거리가, 상기 실리콘 용융액의 표면과 상기 열 차폐재와의 거리의 총 변동 값의 80%이상이 변동된 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 시드의 회전 속도는 10 rpm 내지 12 rpm인 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니의 회전 속도는 0.3 rpm 내지 3 rpm인 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 아르곤 가스를 포함하는 실리콘 단결정의 성장 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 방법으로 성장되고, 지름 방향에서 중앙과 가장 자리의 산소 농도의 차이가 1% 이하인 실리콘 단결정 잉곳.
  9. 제8 항에 있어서,
    반지름이 148밀리미터 보다 큰 실리콘 단결정 잉곳.
  10. 제8 항에 있어서,
    보론(B)의 도핑 농도가 1.0×1015 atom/cm3 내지 2.0×1015인 atom/cm3 인 실리콘 단결정 잉곳.
  11. 제8 항에 있어서,
    질소(N)의 도핑 농도가 1.0×1012 atom/cm3 내지 1.0×1014인 atom/cm3 인 실리콘 단결정 잉곳.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 바디의 성장 단계에서 상기 도가니에 2500 가우스 내지 3500 가우스의 자기장을 인가하는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 방법.
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