KR101787504B1 - 실리콘 단결정 제조 방법 - Google Patents

Abstract

열차폐체를 구비하는 인상 장치를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조할 때에, 결정직경에 대한 공극률(단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부의 면적/단결정의 단면적)에 따라 장치내에 도입하는 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정하고, 결정의 산소 농도를 제어하는 실리콘 단결정 제조 방법.
이 제조 방법에 의해, 인상 단결정의 산소 농도를, 적절하게 제어하는 것이 가능하다.

Description

실리콘 단결정 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SILICON SINGLE CRYSTALS}

본 발명은, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 결정에 포함되는 산소 농도의 적절한 제어가 가능한 실리콘 단결정 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 재료로서 사용되는 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서, 쵸크랄스키법(CZ 법)이 널리 채용되고 있다. 쵸크랄스키법은, 석영 도가니 내의 용융된 실리콘에 종(種) 결정을 침지시켜 인상시킴으로써, 종 결정의 하단에 단결정을 성장시키는 방법이다.

이 방법에 의해 실리콘 단결정을 육성할 때, 석영 도가니에 포함되는 산소가 용융 실리콘 중에 녹아들어, 그 일부가 단결정에 취입된다. 이러한 산소는, 실리콘 단결정으로부터 절출한 웨이퍼를 이용해 디바이스를 제조할 때의 열처리 과정에서, 석출물, 전이 루프, 적층 결함을 발생시킨다. 이러한 결함은, 단결정의 품질에 여러가지 영향을 미치기 때문에, 단결정에 취입되는 산소의 농도를 적절하게 제어하는 것이, 고품질의 실리콘 단결정을 제조하는데 있어서 불가결로 되어 있다.

실리콘 단결정의 육성 중에 단결정에 취입된 산소는, 전술한 바와같이, 단결정의 품질에 여러가지 영향을 미치기 때문에, 단결정의 산소 농도를 적정하게 제어하는 것이 필요하다. 이 실리콘 단결정 중의 산소 농도에 대하여 특히 문제가 되는 것은, 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 불균일이다. 산소 농도에는, 다양한 인자가 영향을 미치고 있고, 그들 인자에 의한 영향은, 결정의 인상이 진행됨에 따라서 변화한다. 그 때문에, 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 균일성을 확보할 수 없어, 요구되는 산소 농도 규격의 상한값과 하한값의 범위가 좁은 실리콘 단결정을 제조하는 경우에는, 수율이 저하하게 된다.

이 실리콘 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 균일성을 확보하기 위해서, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 히터의 발열 분포 특성 및 단결정의 인상 길이에 대응하여, 석영 도가니의 저면 위치(융액면 위치)를 승강시킴과 함께, 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 유속을 제어하는 단결정의 인상 방법이 개시되어 있다. 이 단결정 인상 방법에 의하면, 소망의 산소 농도를 가지며, 또한, 축방향 산소 분포가 균일한 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.

일본특허공개공보 평10-167881호

특허문헌 1에 기재되는 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 인상된 단결정의 주위를 둘러싸도록 역원추대 형상의 정류통(整流筒)이 부착된 장치가 사용된다. 그러나, 불활성 가스 유속을 제어하는데 있어서는, 장치내에 도입되는 불활성 가스의 유량에 더하여, 인상 단결정의 외면과 정류통의 하단 개구연부의 사이의 공극부(즉, 불활성 가스가 통과하는 부분)의 단면적이 중요한 요인임에도 불구하고, 인용 문헌 1에는, 이 공극부 단면적 및, 그 산소 농도에 미치는 영향에 대해서는, 아무런 기재가 되어 있지 않다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 단결정에 포함되는 산소 농도의 성장축 방향의 적절한 제어가 가능한 실리콘 단결정 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부(불활성 가스가 통과하는 부분)의 면적을 단결정의 인상축에 수직인 단면의 면적으로 나눈 값인 결정직경에 대한 공극률을 바꾸면, 결정 성장축 방향의 산소 농도가 이제까지와는 상이한 거동을 나타내는 것이 판명되었다. 이는, 인상된 단결정과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이를 통과하는 불활성 가스의 유속과 실리콘 단결정의 산소 농도의 관계가 변화한 것에 따른 것으로 생각된다. 여기서, 실리콘 단결정의 산소 농도에 대한 불활성 가스 유속의 영향에 대하여 조사했다. 그 결과, 결정직경에 대한 공극률에 따라서, 단결정의 산소 농도에 미치는 불활성 가스 유속의 영향이 상이한 것을 발견했다.

즉, 종래는, 불활성 가스 유속이 증대하면, 실리콘 융액에 녹아든 산소의 SiO로서의 휘발이 촉진되어, 산소의 취거량이 증가하기 때문에 융액 자유 표면 근방의 산소 농도가 저하하고, 그 결과 실리콘 단결정의 산소 농도가 저하한다(즉, 불활성 가스 유속과 산소 농도의 사이에는 부(負)의 상관이 있다)고 생각되고 있었다. 그러나, 조사의 결과, 상기의 인상 단결정과 열차폐체의 사이의 공극부 면적의 단결정 단면적에 대한 비율에 따라서는, 불활성 가스 유속의 증대와 함께 실리콘 단결정의 산소 농도가 높아지는(즉, 불활성 가스 유속과 산소 농도의 사이에 정(正)의 상관이 인정되는) 경우가 있는 것을 발견했다.

본 발명은, 이러한 검토 결과에 의거하여 이루어진 것으로, 하기의 실리콘 단결정 제조 방법을 요지로 한다.

즉, 인상 중의 실리콘 단결정의 주위에 인상축과 동축으로 열차폐체를 배치한 단결정 인상 장치를 사용하여, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서,

단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부의 면적을 단결정의 인상축에 수직인 단면의 면적으로 나눈 결정직경에 대한 공극률에 따라서, 단결정 인상 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정함으로써 결정 중의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법이다.

「결정직경에 대한 공극률」이란, 상기와 같이 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부의 면적을 단결정의 인상축에 수직인 단면의 면적으로 나눈 값이다. 여기서, 「열차폐체의 하단 개구연부」란, 열차폐체의 개구부에 있어서 가장 중심축측에 있는 부분이며, 예를 들면, 후에 설명하는 도 2(a)에 있어서, 열차폐체의 하단부(12b)의 선단(부호 A를 붙인 부분)을 말한다. 결정직경에 대한 공극률을 구체적인 수치로 예시하면, 인상 단결정의 직경이 310mm, 열차폐체의 개구 직경이 355mm인 경우, 단결정의 단면적은 754.8㎠, 열차폐체의 개구부의 면적은 989.8㎠이므로, 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부의 면적은 (989.8－754.8)㎠로 되고,

결정직경에 대한 공극률＝(989.8－754.8)/754.8＝0.31

로 된다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서, 상기 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때는, 단결정과 열차폐체의 사이의 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과, 결정중의 산소 농도가, 부의 상관을 갖고, 상기 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92일 때는, 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과, 결정중의 산소 농도가, 정의 상관을 갖는 것으로 하여, 상기 불활성 가스의 유속 조정에 의한 결정중의 산소 농도의 제어를 행할 수 있다.

예를 들면, 육성중의 결정중의 산소 농도를 저감하기 위해서, 단결정과 열차폐체의 사이의 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속을, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때는, 증대시키고, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92일 때는 감소시킴으로써, 결정 중의 산소 농도를 적절히 제어할 수 있다.

또한, 직경의 변동에 따른 결정직경에 대한 공극률의 변화에 따라 불활성 가스 유속을 변화시킴으로써, 결정 중의 산소 농도를 적절히 제어할 수 있다. 이는 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때에 특히 유효하다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서, 단결정의 인상을 행할 때에, 결정직경에 대한 공극률에 따라서 미리 구한 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 결정중의 산소 농도의 관계에 기초하여, 인상의 각 단계에서 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정하는 것으로 하면, 인상 장치의 종류 등에 상관없이 결정 중의 산소 농도를 적정하게 제어하여, 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 균일성을 확보할 수 있다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 의하면, 결정 성장축 방향으로 산소 농도가 균일한 단결정을 용이하게 육성할 수 있다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 의해 육성되는 실리콘 단결정은, 직경 300mm 이상의 대구경의 실리콘 웨이퍼를 절출할 수 있는 직경을 갖는 것이어도 좋다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 의하면, 인상된 실리콘 단결정에 포함되는 산소 농도의 적절한 제어가 가능하고, 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 균일성을 확보할 수 있다. 또한, 직경 300mm 이상의 대구경의 실리콘 웨이퍼를 절출할 수 있는 실리콘 단결정의 제조에도 충분히 적용할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법의 실시에 적합한 인상 장치의 주요부의 개략 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 결정직경에 대한 공극률을 변경한 경우의 단결정 인상 장치 내의 각 부에 있어서의 불활성 가스 유속에 대한 수치 시뮬레이션에 의한 검토 결과를 설명하기 위한 도면으로, 도 2(a)는 결정직경에 대한 공극률이 0.86인 경우, 도 2(b)는 결정직경에 대한 공극률이 0.37인 경우이다.
도 3은 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우와 큰 경우에 있어서의 결정-열차폐체간에 있어서의 불활성 가스(Ar) 유속과 인상 단결정의 산소 농도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 결정직경에 대한 공극률과 인상 단결정의 산소 농도의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법은, 상기한 바와 같이, 인상 중의 실리콘 단결정의 주위에 열차폐체를 배치한 단결정 인상 장치를 사용하는 것을 전제로 한 방법으로서, 결정직경에 대한 공극률에 따라서 불활성 가스 유속(단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부에 있어서의 불활성 가스의 유속)을 조정함으로써 결정 중의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

결정직경에 대한 공극률에 따라서 불활성 가스 유속을 조정함으로써 결정중의 산소 농도를 제어하는 것에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법의 실시에 적합한 인상 장치의 주요부의 개략 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도시하는 바와 같이, 인상 장치는, 챔버(1)와, 챔버(1)의 저부 중앙을 관통하여 수직 상향으로 설치된 승강 및 회전 가능한 지지축(2)과, 지지축(2)의 상단부에 고정된 서셉터(3) 및 그 내측에 수용된 석영 도가니(4)와, 서셉터(3)의 주위에 설치된 히터(5) 및 단열재(6)를 갖고 있고, 석영 도가니(4)의 중심축 상에는, 종 결정을 보존유지하는 시드 척(7)과, 시드 척(7)을 매달아, 인상하기 위한 인상 와이어(8)가 설치되어 있다.

또한, 육성중의 실리콘 단결정(9)의 주위를 위요하도록 인상축과 동축으로 강제 냉각체(11)가 배치되고, 이 강제 냉각체(11)의 외주면 및 하단면과 대향하도록 인상축과 동축으로 열차폐체(12)가 배치되어 있다. 또한, 이 예에서는, 단열재(6)의 외측에, 자장(磁場) 인가 장치(13)가 설치되어 있다.

챔버(1)의 상부에는, 불활성 가스로서의 Ar 가스를 챔버(1) 내에 도입하기 위한 가스 도입구(14)가 설치되어 있다. 가스 도입구(14)의 근방에는, 매스 플로우 미터(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 매스 플로우 미터에 의해, 이 인상 장치의 챔버(1) 내에 도입되는 Ar 가스의 유량(체적 속도)을, 단위 시간당의 표준 상태(0℃, 1기압)에 있어서의 체적으로서 측정할 수 있다. 챔버(1)의 저부에는 Ar 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(15)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 인상 장치를 이용해 본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법을 실시하는데 있어서는, 우선, 석영 도가니(4) 내에 실리콘 원료를 투입하고, Ar 가스 분위기 중에서 가열해 실리콘 융액(10)을 형성한다. 다음에 시드 척(7)에 보존유지된 종 결정을 실리콘 융액(10)에 침지시켜, 종 결정 및 석영 도가니(4)를 적절히 회전시키면서 종 결정을 서서히 인상하여 단결정을 성장시킨다.

도 2는, 결정직경에 대한 공극률을 변경한 경우의 단결정 인상 장치 내의 각 부에 있어서의 불활성 가스 유속에 대한 수치 시뮬레이션에 의한 검토 결과를 설명하기 위한 도면으로, 도 2(a)는 결정직경에 대한 공극률이 0.86인 경우, 도 2(b)는 결정직경에 대한 공극률이 0.37인 경우이다. 그 이외의 모든 조건에 대해서는 도 2(a), 도 2(b) 간에서 차이는 없다. 도 2에 있어서는, 편의상, 단결정 인상축에 따른 종단면의 우측 반을 나타내고 있다.

도 2에 나타내는 바와같이, 석영 도가니(4) 내의 실리콘 융액(10)으로부터 인상된 단결정(9)의 주위에 강제 냉각체(11)가 배치되고, 그 강제 냉각체(11)를 위요하도록 열차폐체(12)가 배치되어 있다.

장치내에 도입된 불활성 가스(Ar)는, 도면 중에 빈 화살표로 나타내는 바와같이, 단결정(9)과 강제 냉각체(11)의 사이를 통과한 후, 단결정(9)의 외면과 열차폐체(12)의 하단 개구연부(열차폐체(12)의 하단부의 선단(부호 A를 붙인 부분))의 사이의 공극부를 통과하여, 열차폐체(12)의 하단면과 실리콘 융액(10)의 사이를 통과하고, 석영 도가니(4)의 내면을 따라서 상향으로 흘러, 도가니(4) 외로 빠진 후, 도가니(4)의 외면을 따라서 히터(5)의 내측(일부는 외측)을 하강하여 가스 배출구(15)(도 1 참조)로부터 배출된다.

도 2에 있어서, 실리콘 융액(10) 표면의 빈 화살표 내에 부기되어 있는 「SiO」는, 석영 도가니(4)로부터 실리콘 융액(10) 중에 녹아든 산소의 일부가 SiO로서 휘발하여, 불활성 가스류에 의해 취거되는 것을 나타낸다. 또한, 실리콘 융액(10) 중에 나타낸 화살표는, 융액의 흐름의 방향을 나타내고 있다. 실선은 강한 흐름을, 파선은 약한 흐름을 나타낸다.

도 2(a)와 도 2(b)를 대비하면, 도 2(a)에서는, 단결정(9)의 외면과 열차폐체(12)의 하단 개구연부(부호 A를 붙인 면)의 사이의 공극부가 도 2(b)에 비해 넓기 때문에, 당해 공극부에 있어서의 Ar 가스 유속이 비교적 작고, 공극부를 통과한 Ar 가스의 대부분은, 빈 화살표 g1로 나타내는 바와같이, 열차폐체(12)의 하단면과 실리콘 융액(10) 표면의 사이(약간 융액 표면 가까이)를 통과한다. Ar 가스가 결정 성장 메니스커스 근방의 실리콘 융액(10) 표면에까지는 도달하지 않는다. 이에 대하여, 도 2(b)에서는, 상기 공극부가 좁고, Ar 가스 유속이 비교적 크기 때문에, 공극부를 통과한 Ar 가스의 대부분은, 빈 화살표 g2로 나타내는 바와같이, 결정 성장 메니스커스 근방의 실리콘 융액(10) 표면의 바로 가깝게까지 도달하고, 그 후 실리콘 융액(10) 표면의 근방을 통과한다. 그 때문에, 도 2(b)에서는, SiO로서 취거되는 산소량이 도 2(a)에 비해 많다고 생각된다.

또한, 실리콘 융액의 흐름에도 차이를 볼 수 있는데, 도 2(a)에 비해, 도 2(b)에서는, 실리콘 융액의 엔트레인먼트 대류(실리콘 융액 중의 화살표 a를 붙인 대류)가 약해지고 있다. 이 엔트레인먼트 대류가 발생하는 실리콘 융액의 자유 표면 근방은 SiO로서 산소가 취거되기 때문에, 본래 실리콘 융액 중에서 가장 산소 농도가 낮은 부분이며, 또한, 엔트레인먼트 대류를 형성하는 융액은 단결정 성장 메니스커스의 바로 아래이며 단결정에 취입되기 쉽기 때문에, 엔트레인먼트 대류의 강약에 따라서 실리콘 단결정 중의 산소 농도에 차가 발생한다고 추측된다.

전술의 불활성 가스류의 유속 분포의 상이는, 열차폐체의 개구경의 상이(바꾸어 말하면, 불활성 가스 유로의 넓이의 상이)에 의한 것이다. 여기서, 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 가스 유로에 대해서, 상기의 결정직경에 대한 공극률을 지표로서 도입하고, 도 2(a)의 경우(결정직경에 대한 공극률＝0.86이 된다)와, 도 2(b)의 경우(결정직경에 대한 공극률＝0.37이 된다)에 대하여, 인상 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공간부(가스 유로) 및 열차폐체(12)의 하단면과 실리콘 융액 표면의 사이의 공간부(가스 유로)에 있어서의 불활성 가스(Ar) 유속을 변화시켜 단결정의 인상을 행하여, 단결정에 취입된 산소 농도를 측정했다.

그 결과, 후술하는 실시예에 나타내는 바와같이, 결정직경에 대한 공극율＝0.37인 경우(도 2(b))는, 불활성 가스 유속의 증대에 따라 실리콘 단결정의 산소 농도가 감소한다고 하는 부의 상관이 있고, 결정직경에 대한 공극률=0.86인 경우(도 2(a))는, 불활성 가스 유속의 증대에 따라 실리콘 단결정의 산소 농도도 증대하는 정의 상관이 있는 것이 판명되었다.

또한, 조건을 바꾸어서 행한 수치 시뮬레이션에 의한 검토의 결과, 불활성 가스류의 유속 분포 상태로부터 판단하여, 불활성 가스 유속과 실리콘 단결정의 산소 농도의 사이에는, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45의 범위에서는, 부의 상관이 있고, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92의 범위에서는, 불활성 가스 유속과 실리콘 단결정의 산소 농도의 사이에, 정의 상관이 있는 것을 확인했다. 결정직경에 대한 공극률이 0.45보다 크고 0.72미만의 범위에서는, 불활성 가스 유속과 실리콘 단결정의 산소 농도의 사이에, 명료한 상관 관계는 확인할 수 없었다.

여기서 결정직경에 대한 공극률이 0.27 미만인 경우에도 상기 부의 상관이 있는 것으로 생각되지만, 그 경우는 결정과의 공극이 너무 좁아서 결정과 열차폐체가 인상 중에 접촉할 우려가 있는데다, 제어 계측의 문제도 발생한다. 또한, 결정직경에 대한 공극률이 0.92를 초과하는 경우에도 상기 정의 상관이 있는 것으로 생각되지만, 그 경우는, 융액 자유 표면의 온도 구배를 크게할 수 없어, 결함이 없는(적은) 실리콘 단결정을 육성하기 위한 인상 속도의 제어성이 나빠진다고 생각된다. 그러나, 적절한 결정직경에 대한 공극률의 하한값이나 상한값은, 인상 장치 전체의 밸런스에 의하는 바가 크고, 장치에 의해서 변화할 가능성이 있다.

실리콘 단결정의 산소 농도 저하의 모델로서, 다음의 2개(모델 1 및 모델 2)를 생각할 수 있다.

모델 1：불활성 가스 유속을 높여 SiO의 휘발에 의해 취거되는 산소량을 증가시켜, 실리콘 융액 자유 표면 근방의 산소 농도를 저하시킨다. 그 결과, 실리콘 단결정에 취입되는 산소량이 감소한다.

모델 2：본래 실리콘 융액 중에서 가장 산소 농도가 낮은 실리콘 융액 자유 표면 근방의 융액을 단결정 내에 취입시킨다. 이 경우, 불활성 가스 유속을 높이면 단결정 성장 메니스커스 바로 아래의 엔트레인먼트 대류가 저해되어 산소 농도가 상승하고, 반대로, 불활성 가스 유속이 저하하면 엔트레인먼트 대류가 촉진되어, 산소 농도가 저하한다고 추측된다.

결정직경에 대한 공극률이 작은 (0.27∼0.45) 경우는, 모델 1에 의해 실리콘 단결정의 산소 농도를 저하시킬 수 있다(결정직경에 대한 공극률＝0.37의 도 2(b)가 이에 해당한다). 즉, 불활성 가스 유속을 높이면, 휘발에 의해 취거되는 산소량이 증가하여 실리콘 융액 자유 표면 근방의 산소 농도가 저하한다.

한편, 결정직경에 대한 공극률이 큰 (0.72∼0.92) 경우는, 모델 2에 의해 실리콘 단결정의 산소 농도가 저하한다고 생각된다(결정직경에 대한 공극률＝0.86의 도 2(a)가 이에 해당한다). 즉, 불활성 가스 유속을 높이면, 엔트레인먼트 대류(a)가 저해되고, 또한, 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우에 비해 불활성 가스 유속이 낮은 것에 의해 모델 1에 의한 작용(불활성 가스류에 의한 SiO의 취거)도 작용하기 어렵기 때문에, 실리콘 단결정의 산소 농도는 증대하지만, 불활성 가스 유속을 저하시키면, 엔트레인먼트 대류가 촉진되기 때문에 산소 농도가 저하한다.

상술한 것처럼, 결정직경에 대한 공극률의 여하에 따라서, 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 실리콘 단결정의 산소 농도의 사이에 정 또는 부의 상관 관계가 인식된다. 본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에서는, 결정직경에 대한 공극률에 따라, 단결정과 열차폐체의 사이의 공극부(결정-열차폐체간 공극부)에 있어서의 불활성 가스의 유속을 조정하여, 결정 중의 산소 농도를 제어한다.

구체적으로 설명하면, 실리콘 단결정의 인상을 행하는데 있어, 무결함 결정의 육성에 필요한 열차폐체의 개구 직경이 미리 결정되므로, 이 개구 직경에 대응하는 결정직경에 대한 공극률을 사전에 구해 둠으로써, 불활성 가스 유속을 조정하여 산소 농도를 제어할 때의 지침이 얻어진다. 즉, 구해진 결정직경에 대한 공극률의 값에 의해, 산소 농도를 제어하는데 있어, 불활성 가스 유속을 높일지, 저하시킬지에 대한 적정하고 또한 신속한 판단이 가능해진다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서는, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때는, 단결정과 열차폐체의 사이의 공극부(결정-열차폐체간 공극부)에 있어서의 불활성 가스 유속을 높여 결정 중의 산소 농도를 저하시키고, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92일 때는, 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속을 저하시켜 결정중의 산소 농도를 저하시키는 것으로 하는 실시의 형태를 채용할 수 있다.

결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때는, 전술과 같이, 결정-열차폐체간 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 결정중의 산소 농도의 사이에는, 부의 상관이 있으므로, 불활성 가스 유속을 높임으로써, 결정 중의 산소 농도를 저하시킬 수 있다. 한편, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92일 때는, 불활성 가스 유속과 결정중의 산소 농도의 사이에는, 정의 상관이 있으므로, 불활성 가스 유속을 저하시킴으로써, 결정 중의 산소 농도를 저하시킬 수 있다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서는, 직경의 변동에 따르는 공극률의 변화에 따라 불활성 가스 유속을 변화시킴으로써, 결정 중의 산소 농도를 적절히 제어할 수 있다. 이는, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때에 특히 유효하다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서는, 단결정의 인상을 행할 때에, 결정직경에 대한 공극률에 따라 미리 구한 결정-열차폐체간 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 결정중의 산소 농도의 관계에 기초하여, 인상의 각 단계에서 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정하는 것으로 하는 실시의 형태를 채용할 수도 있다.

단결정의 인상을 행할 때, 산소 농도는, 일반적으로, 탑측 및 보텀측에서 높아지는 경향이 있다. 여기서, 결정직경에 대한 공극률에 따라(즉, 다양한 결정직경에 대한 공극률마다), 미리 결정-열차폐체간 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 결정 중의 산소 농도의 관계를 구해 두고, 이 관계에 기초하여, 인상의 각 단계(즉, 인상 중의 임의의 시점)에서, 특히 단결정 인상의 초기(탑측) 및 종기(보텀측)에 있어서, 불활성 가스의 유속을 조정한다. 이에 따라, 단결정의 성장축 방향에 있어서의 산소 농도의 불균일을 없애 균일성을 확보할 수 있어, 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 의하면, 직경 300mm 이상의 대구경의 실리콘 웨이퍼를 절출할 수 있는 실리콘 단결정을 육성하는 것도 가능하다.

실시예

(실시예 1)

전술의 불활성 가스 유속에 대한 수치 시뮬레이션에 의한 검토 결과에 기초하여, 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우(0.37) 및 큰 경우(0.86)에 대해서, 인상 단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속(결정-열차폐체간에 있어서의 Ar 유속)을 변화시켜 실리콘 단결정(결정 직경은, 모두, 약 300mm)의 인상 시험을 행하고, 단결정에 취입된 산소 농도를 측정했다. 표 1에, 인상 시험 조건과, 인상 단결정의 산소 농도를, 함께 나타낸다.

「Ar 유량」은, 장치 내에 도입되는 Ar 가스의 유량(체적 속도)이며, 매스 플로우 미터에 의해, 단위 시간당 흐르는 Ar 가스의 표준 상태(0℃, 1기압)에서의 체적을 단위(slpm; standard liter per minute)로서 측정한 것이다. 「Ar 유량」과, 「장치내 기압」으로부터, 당해 기압에 있어서의 Ar의 유량이 구해진다. Ar의 체적에 대한 온도의 영향을 무시하고, 이 「당해 기압에 있어서의 Ar의 유량」을, 장치 내에 있어서의 Ar의 유량으로 할 수 있다. 「결정-열차폐체 사이에 있어서의 Ar 유속」(선속도)은, 이 「장치내의 Ar의 유량」과, 결정과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이(Ar 가스 유로)의 면적으로부터 구한 것이다.

시험 중, 각각 0.2∼0.4T(2091∼4000G)의 범위 내에서 자장을 인가하여, 인상 단결정을 7.5∼9.5rpm에서, 석영 도가니를 0.1∼2.3rpm에서 회전시켰다.

시험 No.8∼15에서는, 시험 No.1∼7에 비하여, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률을 크게 하여 결정 성장시키고 있고, 이에 따라, 표 1에 나타내는 대로, 결정직경에 대한 공극률은, 시험 No.1∼7에서는 0.31∼0.37인데 대하여, 시험 No.8∼15에서는 0.86으로 커지고 있다. 결정-열차폐체 사이에 있어서의 Ar 유속은, 장치 내에 도입하는 Ar 유량을 바꿈으로써, 시험 No.1∼7의 사이 및, 시험 No.8∼15의 사이에서, 상이하게 했다.

도 3은, 표 1에 나타낸 시험 결과에 기초하는 것으로, 결정-열차폐체(하단 개구연부)간 공간부에 있어서의 Ar 유속과 인상 단결정의 산소 농도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서, 결정직경에 대한 공극률을 작게(0.31∼0.37) 한 경우를, 「결정직경에 대한 공극률 소」로 기재하고 있고, 결정직경에 대한 공극률을 크게(0.86) 한 경우를, 「결정직경에 대한 공극률 대」로 표기하고 있다.

도 3으로부터 명백한 바와같이, Ar 유속과 인상 단결정의 산소 농도의 사이에, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우는 부의 상관이 있고, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 큰 경우는 정의 상관이 있는 것이 판명되었다. 즉, 인상 단결정의 산소 농도를 낮게 하기 위해서는, 결정-열차폐체 사이에 있어서의 Ar 유속을, 결정직경에 대한 공극률이 0.31∼0.37인 경우에는 크게 해야 하지만, 결정직경에 대한 공극률이 0.86인 경우에는 작게 해야 한다.

상기의 결과로부터, 결정직경에 대한 공극률에 따라, 예를 들면, 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 유량을 조정하여, 결정-열차폐체 사이에 있어서의 불활성 가스의 유속을 조정함으로써, 결정 중의 산소 농도를 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우와 큰 경우의 각각에 대하여, 실리콘 단결정의 직경을 상이하게 함으로써, 결정직경에 대한 공극률을 상이하게 하여, 결정직경에 대한 공극률과 인상 단결정의 산소 농도의 관계를 조사했다. 장치에 도입하는 불활성 가스(Ar 가스)의 유량, 및 장치 내의 압력은 일정하게 했다.

결과를 도 4에 나타낸다. 도 4는, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 큰 경우와 작은 경우에 대해서, 결정직경에 대한 공극률과 인상 단결정의 산소 농도의 관계를 나타내는 도면이다.

도 4로부터 명백한 바와같이, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 작은 경우(도 4에, 「결정직경에 대한 공극률 소」라고 표기한다)는, 결정 직경이 커짐에 따라, 인상 단결정의 산소 농도가 낮아졌지만, 열차폐체의 결정직경에 대한 공극률이 큰 경우(도 4에, 「결정직경에 대한 공극률 대」라고 표기한다)는, 결정 직경이 커짐에 따라, 인상 단결정의 산소 농도가 높아졌다.

장치 내에 도입하는 Ar 가스의 유량은 일정하므로, 동일한 열차폐체로 비교하면, 결정직경에 대한 공극률이 커질수록, 결정-열차폐체(하단 개구연부) 사이에 있어서의 Ar 유속은 작아진다.

도 4의 결과로부터 명백한 바와같이, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92의 범위에서는, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45의 범위에 비하여, 결정직경에 대한 공극률의 변동에 대한 인상 단결정의 산소 농도의 변동이 적다. 환언하면, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92의 범위에서 단결정의 육성을 행하면, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45의 범위에서 단결정의 육성을 행하는 경우에 비하여, 결정중의 산소 농도에 관해서, 외란, 특히 직경 변동(결정직경에 대한 공극률의 변동)에 강해진다.

결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45의 범위에서 단결정의 육성을 행하는 경우는, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92의 범위에서 단결정의 육성을 행하는 경우에 비하여, 결정 중의 산소 농도를 일정하게 하는 것에 관하여, 외란, 특히 직경 변동(결정직경에 대한 공극률의 변동)에 약하지만, 직경 변동에 따라서 장치 내에 도입하는 Ar 가스의 유량을 제어함으로써, 외란의 영향을 적게 할 수 있어, 균일한 산소 농도를 가지는 단결정을 얻을 수 있다.

도 3의 결과와 도 4의 결과를 합치면, 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45의 범위에서는, 결정-열차폐체 사이에 있어서의 Ar 유속이 커질수록, 인상 단결정의 산소 농도가 낮아지고, 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92의 범위에서는, 결정-열차폐체 사이에 있어서의 Ar 유속이 커질수록, 인상 단결정의 산소 농도가 높아지는 것으로 생각된다.

(산업 상의 이용 가능성)

본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법에 의하면, 실리콘 단결정에 포함되는 산소 농도의 제어를 적절하게(용이하게 또한 안정되게) 행할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 실리콘 웨이퍼(반도체 디바이스의 제조용)를 절출하는 실리콘 단결정의 제조에, 폭넓게 적용할 수 있다.

1：챔버
2：지지축
3：서셉터
4：석영 도가니
5：히터
6：단열재
7：시드 척
8：인상 와이어
9：실리콘 단결정
10：실리콘 융액
11：강제 냉각체
12：열차폐체
12a：열차폐체의 측부
12b：열차폐체의 하단부
13：자장 인가 장치
14：가스 도입구
15：가스 배출구

Claims (6)

1. 인상(引上) 중의 실리콘 단결정의 주위에 인상축과 동축으로 열차폐체를 배치한 단결정 인상 장치를 사용하여, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서,
   단결정의 외면과 열차폐체의 하단 개구연부의 사이의 공극부의 면적을 단결정의 인상축에 수직인 단면의 면적으로 나눈 결정직경에 대한 공극률에 따라서, 단결정 인상 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정함으로써 결정 중의 산소 농도를 제어하되,
   상기 결정직경에 대한 공극률이 0.27∼0.45일 때는, 단결정과 열차폐체의 사이의 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과, 결정 중의 산소 농도가, 부(負)의 상관을 갖고, 상기 결정직경에 대한 공극률이 0.72∼0.92일 때는, 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과, 결정 중의 산소 농도가, 정(正)의 상관을 갖는 것으로 하여, 상기 불활성 가스의 유속 조정에 의한 결정 중의 산소 농도의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 단결정의 인상을 행할 때에,
   상기 결정직경에 대한 공극률에 따라서 미리 구한 상기 공극부에 있어서의 불활성 가스 유속과 결정 중의 산소 농도의 관계에 기초하여,
   인상의 각 단계에서 불활성 가스의 상기 공극부에 있어서의 유속을 조정함으로써 결정 중의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   결정의 직경 변동에 따라서, 단결정 인상 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 유속을 조정함으로써, 결정 중의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
5. 제3항에 있어서,
   결정의 직경 변동에 따라서, 단결정 인상 장치 내에 도입하는 불활성 가스의 유속을 조정함으로써, 결정 중의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 육성하는 실리콘 단결정이, 직경 300mm 이상의 실리콘 웨이퍼를 절출할 수 있는 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.

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