KR101723739B1 - 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 잉곳의 넥(neck) 공정과 숄더링(shouldering) 공정 중에 melt vibration을 억제하는 동시에 열 응력을 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 단결정 잉곳의 넥과 숄더가 성장되는 동안 실리콘 융액에 상자장의 세기가 하자장의 세기보다 큰 역 비대칭형 자기장을 인가함으로써, melt vibration을 억제하여 공정의 안전성을 높일 수 있고, 열 응력을 저감시켜 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법 {Single crystal ingot growing apparatus and the growth method by it}
본 발명은 단결정 잉곳의 넥(neck) 공정과 숄더링(shouldering) 공정 중에 melt vibration을 억제하는 동시에 열 응력을 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
현재 CZ법에 의한 단결정 잉곳 제조방법에 있어 용융된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영도가니가 사용된다. 이러한 석영도가니는 실리콘 멜트와의 반응을 동반하여 멜트 내에 용해됨으로써 SiOx 형태로 전이되고 이는 잉곳 내로 혼입되어 미소 내부 결함(BMD) 등을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대하여 게터링 사이트로 작용하거나, 다른 한편으로는 각종 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 장치의 수율에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 단결정 잉곳 내 산소농도를 제어하기 위해 자기장을 이용하여 멜트 대류를 통한 산소농도 제어를 하는 방법이 있으며, 커스프(Cusp) 자장, 수직 자장, 수평 자장을 많이 활용하고 있다.
한국공개공보 제2007-0013642호에는 실리콘 융액에 불균형 자기장(Unbalanced Magnetic)을 인가하여 성장 결함을 제어하는 고품질의 실리콘 단결정 육성방법이 개시되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 성장 중 비대칭형 자기장 분포가 도시된 개략도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 성장 중 진동이 도시된 개략도이다.
종래 기술은 도 1에 도시된 바와 같이 단결정 잉곳 성장 중에 원주에서 중심으로 갈수록 볼록한 convex 한 비대칭형 자기장 분포가 나타나며, 단결정이 형성되는 고액 계면의 높이가 높아짐에 따라 무결함 결정을 성장시킬 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 비대칭형 자기장을 사용할 경우에 실리콘 융액면에 인가되는 자기장의 세기가 약해지고, 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 융액 표면에 진동이 발생하는 melt vibration이 나타난다.
상세하게, 석영도가니의 합성 석영 유리와 실리콘 융액의 계면에서 SiO2(고체)가 Si(액체)와 O2로 분해되는데, 단결정 잉곳을 인상하기 위하여 인상 온도의 상승 또는 분위기 압력의 저하 등으로 인하여 Si(액체)와 O가 결합하여 SiO(기체)를 발생시키고, SiO 가스가 합성 석영 유리 표면과 맞닿은 실리콘 융액 계면에 진동을 발생시키는 melt vibration이 나타난다.
최근에 직경이 450mm 이상인 단결정 잉곳을 많이 생산하고 있으며, 이를 위하여 800mm 이상의 도가니를 사용하고 있는데, 대구경의 석영도가니를 사용할수록 실리콘 융액과 석영도가니와 접촉면이 늘어남에 따라 melt vibration이 더욱 크게 나타난다.
이와 같이, 종래 기술에 따르면, 비대칭형 자기장을 사용함에 따라 melt vibration이 나타나고, 대구경화 될수록 melt vibration에 취약한 가운데 넥(neck) 공정을 진행하면, 넥 직경(neck dia)을 균일하게 제어하기 어려워 넥 공정 중에 극단적으로 시드(seed)가 실리콘 융액으로부터 분리되는 neck pop out 현상이 발생하고, neck pop out 현상이 발생되지 않더라도 넥 직경 불량으로 전위제어가 어려워지는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면, 비대칭형 자기장을 사용함에 따라 결정의 고액 계면이 높아지고, 결정의 고액 계면이 높아짐에 따라 성장 결정의 열 응력이 증가되는 가운데 숄더링 공정을 진행하면, 숄더링 공정 중에 다결정화 발생율이 매우 높아짐에 따라 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단결정 잉곳의 넥(neck) 공정과 숄더링(shouldering) 공정 중에 melt vibration을 억제하는 동시에 열 응력을 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액이 담기고, 실리콘 융액으로부터 넥(neck)과 숄더(shoulder)와 바디(body)가 순차적으로 성장되는 도가니; 및 상기 도가니 둘레에 구비되고, 커스프 자기장을 형성하는 마그넷;을 포함하고, 상기 마그넷은, 넥 공정과 숄더링 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 자기장을 인가하고, 바디 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작은 자기장을 인가하는 단결정 잉곳 성장장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 실리콘 융액으로부터 넥(neck)과 숄더(shoulder)와 바디(body)가 순차적으로 성장되는 공정 중 실리콘 융액에 커스프 자기장을 인가하는 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 넥 공정과 숄더링 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 자기장을 인가하는 제1단계; 및 상기 바디 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작은 자기장을 인가하는 제2단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 단결정 잉곳의 넥과 숄더가 성장되는 동안 실리콘 융액에 상자장의 세기가 하자장의 세기보다 큰 역 비대칭형 자기장을 인가함으로써, melt vibration을 억제하여 공정의 안전성을 높일 수 있고, 열 응력을 저감시켜 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 성장 중 비대칭형 자기장 분포가 도시된 개략도.
도 2는 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 성장 중 진동이 도시된 개략도.
도 3은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 개략도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 및 바디 공정 중 커스프 자기장 분포가 각각 도시된 그래프.
도 5는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 자장 비율(R) 별로 열 응력 분포가 도시된 그래프.
도 6a는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 고액 계면 높이에 따른 열 응력이 도시된 그래프.
도 6b는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 자장 비율(R) 별로 고액 계면 높이가 도시된 그래프.
도 6c는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 자장 비율(R) 별로 단결정 잉곳의 열 응력이 도시된 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법 일예가 도시된 순서도.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 3은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 개략도이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치는 도 3에 도시된 바와 같이 도가니(110) 외측에 커스프 자기장을 형성할 수 있는 마그넷(magnet : 120)이 장착된다.
상기 도가니(110)는 고온으로 가열되더라도 실리콘 융액의 성분에 영향을 미치지 않는 석영 도가니가 사용되며, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치될 뿐 아니라 상하 방향으로 승강 가능하게 설치된다.
상기 마그넷(120)은 상기 도가니(110) 둘레에 소정 간격을 두고 감긴 코일 형태로 구성되는데, 상기 도가니(110)에 담긴 실리콘 융액에 커스프 자기장을 형성한다.
실시예에서, 상기 마그넷(120)은 상기 도가니(110)의 상부 둘레에 위치한 상부 코일(121)과, 상기 도가니(110)의 하부 둘레에 위치한 하부 코일(122)로 구성되되는데, 상기 상부 코일(121)은 실리콘 융액면으로부터 단결정 잉곳이 성장하는 고액계면 부위와 대등한 높이에 위치한다.
또한, 상기 상/하부 코일(121,122)에 전류가 서로 반대 방향으로 흐르도록 공급되고, 공정 조건에 따라 전류의 세기를 제어한다.
이때, 단결정 잉곳의 넥(neck)과 숄더(shoulder)가 성장하는 중에 고액계면에 상대적으로 높은 커스프 자기장을 형성하기 위하여 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 역 비대칭형 자기장(a)을 인가하는데, 상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 0.5 ~ 1 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
반면, 단결정 잉곳의 바디(body)가 성장하는 중에 고액 계면에 상대적으로 낮은 커스프 자기장을 형성하기 위하여 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작은 비대칭형 자기장(b)을 인가하는데, 상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 1 ~ 1.8 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 및 바디 공정 중 커스프 자기장 분포가 각각 도시된 그래프이다.
본 발명에 따르면, 넥 공정 및 숄더링 공정이 진행되는 동안 도 4a에 도시된 바와 같이 ZGP(zero gauss plane : 종방향의 자기력(magnet force)이 '0'인 면)가 중심으로 갈수록 오목한 canvex 형태의 역 비대칭형 자기장을 형성하게 되는데, 실시예에서 상자장의 세기(U)를 700gauss, 하자장의 세기(D)를 400gauss로 형성한다.
따라서, 넥 공정 및 숄더링 공정이 진행되는 동안, 실리콘 융액 면에서 상대적으로 높은 자기장이 형성됨에 따라 melt vibration을 억제할 수 있고, 나아가 결정의 고액 계면 높이가 낮아짐에 따라 숄더에서 열 응력을 저감시킬 수 있다.
반면, 바디 공정이 진행되는 동안 도 4b에 도시된 바와 같이 중심으로 갈수록 볼록한 cancave 형태의 비대칭형 자기장을 형성하게 되는데, 실시예에서 상자장의 세기(U)를 400gauss, 하자장의 세기(D)를 700gauss로 형성한다.
따라서, 바디 공정이 진행되는 동안, 결정의 고액 계면 높이가 높아짐에 따라 손쉽게 바디 영역에서 무결함 결정을 성장시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 자장 비율(R) 별로 열 응력 분포가 도시된 그래프이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정을 진행하는 중 결정의 고액 계면 높이에 따라 열 응력을 시뮬레이션한 결과를 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이 상자장의 세기(U)에 대한 하자장의 세기(D)를 비율로 나타낸 자장 비율(R=D/U)이 커질수록 결정의 고액 계면이 높아지고, 그에 따라 열 응력도 높아진다.
이때, 자장 비율(R)이 1보다 작은 경우가 자장 비율(U)이 1보다 큰 경우보다 열 응력이 작게 나타나며, 자장 비율(R)이 0.5 ~ 1 범위에서 열 응력이 가장 작게 나타난다.
따라서, 숄더링 공정 중 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 역 비대칭형 자기장을 적용하면, 결정의 고액 계면 높이가 낮아짐에 따라 열 응력을 감소시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정 중 고액 계면 높이와 열 응력 및 자장 비율의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 숄더링 공정을 진행하면, 도 6a에 도시된 바와 같이 고액 계면 높이가 20mm 이하로 낮아지거나, 10mm 이상으로 높아지더라도 열 응력이 약 16Mpa 이상으로 증가되는 경향이 나타난다.
따라서, 도 6b에 도시된 바와 같이 고액 계면 높이를 -20mm ~ +10mm 범위로 유지하기 위하여 자장 비율(R)을 0.5 ~ 1.8 범위로 유지해야 하며, 6c에 도시된 바와 같이 열 응력을 약 16Mpa 이하로 낮추기 위하여 자장 비율을 0.5 ~ 1.5 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법 일예가 도시된 순서도이다.
보통, 종자 결정을 실리콘 융액에 담그고, 종자 결정의 횡방향과 종방향으로 결정이 성장함에 따라 넥 공정과 숄더링 공정 및 바디 공정을 거치면서 단결정 잉곳을 성장시킨다.
먼저, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳의 넥과 숄더가 성장되는 동안, 실리콘 융액에 역 비대칭형 커스프 자기장을 인가한다.(S1,S2 참조)
이때, 역 비대칭형 커스프 자기장은 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 크게 형성하는 것으로써, 실시예에서 역 비대칭형 커스프 자기장은 자장 비율(R)을 0.5 ~ 1 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
따라서, 실리콘 융액 면에서 상대적으로 높은 자기장을 형성하여 결정의 고액 계면이 낮아짐으로써, 넥 공정 중에 melt vibration을 억제하여 넥 직경을 균일하게 제어할 뿐 아니라 neck out 현상을 방지할 수 있고, 나아가 숄더링 공정 중에 열 응력을 낮출 뿐 아니라 다결정화 발생율이 낮출 수 있다.
다음, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳의 바디가 성장되는 동안, 실리콘 융액에 비대칭형 커스프 자기장을 인가한다.(S3,S4 참조)
이때, 비대칭형 커스프 자기장은 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작게 형성하는 것으로써, 실시예에서 비대칭형 커스프 자기장은 자장 비율(R)을 1~1.8 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
따라서, 실리콘 융액 면에서 상대적으로 낮은 자기장을 형성하여 결정의 고액 계면이 높아짐으로써, 바디 공정 중에 손쉽게 무결함 영역을 성장시킬 수 있다.
상기와 같이 단결정 잉곳의 성장이 완료되면, 커스프 자기장의 인가를 중단한다.(S5 참조)
110 : 도가니 120 : 마그넷
121 : 상부 코일 122 : 하부 코일

Claims (9)

  1. 실리콘 융액이 담기고, 실리콘 융액으로부터 넥(neck)과 숄더(shoulder)와 바디(body)가 순차적으로 성장되는 도가니; 및
    상기 도가니 둘레에 구비되고, 커스프 자기장을 형성하는 마그넷;을 포함하고,
    상기 마그넷은,
    넥 공정과 숄더링 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 자기장을 인가하고,
    바디 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작은 자기장을 인가하는 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷은,
    넥 공정과 숄더링 공정 중 상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 0.5 ~ 1 범위로 제어되는 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷은,
    바디 공정 중 상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 1 ~ 1.8 범위로 제어되는 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷은,
    고액계면 부위와 대등한 높이에 위치한 상부 코일과,
    상기 상부 코일보다 하측에 감긴 하부 코일로 구성되고,
    상기 상/하부 코일에 공급되는 전류의 세기를 조절하여 상자장의 세기와 하자장의 세기를 조절하는 단결정 잉곳 성장장치.
  6. 실리콘 융액으로부터 넥(neck)과 숄더(shoulder)와 바디(body)가 순차적으로 성장되는 공정 중 실리콘 융액에 커스프 자기장을 인가하는 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
    상기 넥 공정과 숄더링 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 큰 자기장을 인가하는 제1단계; 및
    상기 바디 공정 중 실리콘 융액에 상자장의 세기(U)가 하자장의 세기(D)보다 작은 자기장을 인가하는 제2단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1단계의 자기장은,
    상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 0.5 ~ 1 범위로 제어되는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2단계의 자기장은,
    상자장의 세기에 대한 하자장의 세기 비율(R=D/U)을 1 ~ 1.8 범위로 제어되는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
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