KR20010053179A - 저결함밀도, 자기침입형 실리콘을 성장시키기 위한 결정풀러 - Google Patents

Abstract

잉곳의 반경의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 단결정 실리콘 잉곳을 초크랄스키 법에 따라 성장시키기 위한 결정 풀러는, 하부 성장 챔버 및 상부 풀 챔버를 갖는 내부를 한정하는 하우징을 구비한다. 상기 풀 챔버는 상기 성장 챔버보다 더 작은 가로축 치수를 갖는다. 도가니가 용융 실리콘을 포함하기 위해 하우징의 성장 챔버 내에 배치된다. 인상 장치는, 성장하는 잉곳을 상기 용융 실리콘으로부터 성장 챔버 및 풀 챔버를 통해 위로 인상하기 위해 제공된다. 전기 저항 히터는 상기 잉곳이 상기 풀 챔버 내에서 상기 용융 실리콘에 대해서 위로 인상될 때 상기 잉곳으로 열을 방사하기 위해서 상기 성장하는 잉곳의 외부 표면과 방사상으로 간격을 둔 상태에서 적어도 부분적으로 상기 하우징의 상기 상부 풀 챔버 내에 배치되도록 크기와 형상이 정해진 발열체를 가진다. 상기 발열체는 상단부와 하단부를 가진다. 상기 발열체가 상기 하우징에 위치할 때, 상기 발열체의 상기 하단부는 상기 하단부보다 상기 용융 실리콘에 실질적으로 더 근접하게 배치된다.

Description

저결함밀도, 자기침입형 실리콘을 성장시키기 위한 결정 풀러{CRYSTAL PULLER FOR GROWING LOW DEFECT DENSITY, SELF-INTERSTITIAL DOMINATED SILICON}

본 발명은 일반적으로 전자소자 제조에 사용되는 반도체급 단결정 실리콘을 준비하는데 사용되는 결정 풀러에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명은, 자기 침입형 (self-interstitial) 결함이 우세하고 잉곳 반경의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 웨이퍼 및 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 결정 풀러에 관한 것이다.

반도체 전자 소자 제조를 위한 대부분의 공정에서 사용되는 출발물질인 단결정 실리콘은 소위 초크랄스키 ("Cz") 방법에 의해 보통 제조된다. 결정 잉곳의 성장은 통상 결정 풀링 노 (furnace) 에서 수행된다. 상기 방법에서, 다결정 실리콘("polysilicon") 은 노 속으로 운반되어 도가니 측벽의 외부 표면을 에워싸는 히터에 의해 용융된다. 시드 결정이 용융된 실리콘과 접하게 되어 결정 풀러를 통해 천천히 추출됨에 따라 단결정이 성장된다. 넥이 형성된 후, 결정의 직경은, 원하는 목표 지름에 이를 때까지 인상율 (pull rate) 및/또는 용융점을 감소시킴에 따라 확대된다. 이후 대략 일정한 직경을 갖는 결정의 원통형 본체는 감소되는 용융 레벨을 보상하는 한편 인상율 및 용융액 온도를 제어함에 따라 성장된다. 성장 공정의 끝에서, 결정 직경은 엔드 콘 (end-cone) 을 형성하기 위해 점차로 감소되어야 한다. 전형적으로, 엔드 콘은 도가니에 공급된 열 및 결정 인상율을 증가시킴에 따라 형성된다. 지름이 충분히 작게 될 때, 이후 잉곳은 용융체로부터 분리된다.

도가니 내의 실리콘을 용융시키기 위해 사용되는 히터는 전형적으로, 저항성 발열 재료 (예를 들어, 흑연) 으로 구성된 발열체를 통해 전류가 흐르는 전기 저항 히터이다. 전류에 대한 저항은 발열체로부터 도가니 및 그 안에 포함된 실리콘으로 방사하는 열을 발생시킨다. 이 절연체는, 나란히 배치되고 구불구불한 구성으로 서로 연결되어 있는 동일한 길이와 단면적의 수직방향으로 된 히팅 세그먼트를 구비한다. 즉, 인접한 세그먼트들은 교대로 그 세그먼트들의 상단부 또는 저부에서 서로 연결되어 전체 발열체를 통해 연속적인 전기 회로를 형성한다. 발열체에 의해서 생성되는 발열 파워는 일반적으로 그 세그먼트들의 단면적의 함수이다.

최근에, 결정이 응고후 냉각됨에 따라 단결정내의 많은 결함이 결정 성장 챔버 내에서 형성되는 것이 인식되었다. 이러한 결함은, 부분적으로, 정공 (vacancies) 및 자기 침입 (self-interstitials) 으로 알려진 고유 점 결함이 과다하게 존재 (즉, 용해도 한계를 넘어선 농도) 함으로 인해 발생한다. 용융체로부터 성장된 실리콘 결정 잉곳은 특히 한 종류 또는 다른 종류의 과다한 고유 점 결함인, 결정 격자 정공 ("V") 또는 실리콘 자기 침입 ("I") 과 함께 성장된다. 실리콘내의 이러한 점결함의 종류 및 초기 농도가 응고 시작시에 결정된다는 것이 제안되었고, 이러한 농도가 시스템의 임계 과포화에 이르고 점 결함의 이동도가 충분히 높다면, 반응, 즉, 응집 현상이 발생할 것이다. 실리콘의 응집 고유 점 결함은 복잡하고 높은 집적회로의 생산에서 물질의 수율 포텐셜에 큰 영향을 끼칠 수 있다.

정공형 결함 (vacancy-type defects) 은, 레이저 스캐닝 토모그래피 및 스캐닝 적외선 마이크로스코피와 같은 적외선 스캐터링 기술에 의해 관측되는 벌크 결함의 어떤 종류뿐만 아니라 D 결함, 유동 패턴 결함 (FPDs), 게이트 산화 집적도 (GOI) 결함, 결정 시작 입자 (COP) 결함, 결정 시작 라이트 점 결함 (LPDs) 과 같은 관측가능한 결정 결함의 원인으로 인식된다. 산화 적층 결함 (OISF) 을 위한 원자핵의 역할을 하는 과다한 정공 영역에 결함이 또한 존재한다. 이러한 특별한 결함은 과다한 정공의 촉매작용을 받는 고온성 결정핵 생성 산소 응집물이다.

자기 침입과 관련된 결함은 덜 연구되고 있다. 이러한 결함은 침입형 전위 루프 또는 네트워크의 저밀도로 간주된다. 이러한 결함은 게이트 산화 직접 실패, 중요한 웨이퍼 성능 기준에 영향을 주는 것이 아니며, 누설 전류 문제와 흔히 관련된 다른 디바이스 실패의 원인으로 간주된다.

초크랄스키 실리콘에서 이러한 정공 및 자기 침입 집단 결함의 밀도는 종래에는 약 1x10³/cm³내지 약 1x10⁷/cm³범위에 있다. 이러한 값은 비교적 낮고, 응집된 고유 점 결함은 디바이스 제조에 있어서 그 중요성이 크게 증가하며, 이제는 디바이스 제조 공정에서의 수율 제한 인자로서 간주된다.

지금까지, 응집 고유 점 결함 문제를 다루는 3개의 주요 접근법이 있다. 제 1 접근법은 잉곳에서의 응집된 고유 점 결함의 수 밀도를 감소시키기위해 결정 인상 기술에 집중되는 방법을 포함한다. 이러한 접근법은, 정공 물질 (vacancy dominated material) 을 형성하게 되는 결정 인상 조건을 갖는 방법과, 자기 침입형 물질 (self-interstitial dominated material) 을 형성하게 되는 결정 인상 조건을 갖는 방법으로 더 세분될 수 있다. 예를 들어, 응집 결함의 수 밀도는 (i) 결정 격자 정공이 주 고유 점 결함 (dominant intrinsic point defect) 인 잉곳을 성장시키도록 v/G₀를 제어하는 것과, (ii) 용융체 표면으로부터의 결정 인상 공정동안 실리콘 잉곳의 냉각율을 변경 (일반적으로, 감속) 함으로써 응집 결함의 결정핵 생성율에 영향을 주는 것에 의해, 감소될 수 있다는 것이 제안되었다.

이러한 목적으로, 미국 특허 제 5,248,378 (Oda 외) 은, 1150 ℃ 를 넘는 온도에서 성장하는 잉곳의 냉각속도를 감소시키기 위해 비활성의 단열재 (passive heat insulator) 가 도가니 위의 결정 풀러에 배치되어 있는 단결정 실리콘 제조용 장치를 개시하고 있다. 그러나, Oda 외 다른 발명자에 의해 개시된 것과 같은 단열재 또는 열 차폐물 (heat shield) 은 일반적으로, 실질적으로 잉곳 내의 결함의 수를 감소시키기에 충분한 속도로 잉곳의 냉각을 느리게 할 수 없다.

Oda 외 다른 발명자는, 성장하는 잉곳을 가열하기 위한 히터로 단열재를 대체할 수 있다는 것을 더 개시하고 있다. 상기 히터는 도가니 상단부와 결정 풀러 하우징의 전이 부분 사이에 결정 풀러의 성장 챔버에 위치한다. 이 히터는 1150 ℃ 위의 온도에서 냉각 속도를 느리게 하도록 잉곳을 열을 방사한다. 그러나, Oda 외 다른 발명자가 개시한 장치가 응집 결함의 수 밀도를 감소시킬 수는 있지만, 냉각 속도는 아직도 그 응집 결함의 형성을 방지하기에 너무 빠르기 때문에 그 응집 결함의 형성을 방지하지는 못한다. 디바이스 제조자에 의한 요구가 보다 엄격해짐에 따라, 이러한 결함은 보다 큰 문제로 될 것이다.

더욱이, 종래 결정 풀러의 성장 챔버에서의 한정된 공간 때문에, 성장하는 잉곳의 냉각 속도를 더 감소시키기 위해 Oda 외 다른 발명자에 의해 개시된 히터의 길이와 크기를 증가하는 것은 실용적이지 못할 것이다. 이 히터의 길이를 증가시키는 것은 풀러 하우징에서의 관찰 포트 (view port) 를 통한 직경 제어 장치에 의한 관찰에 대해서 잉곳을 차단하게 될 것이다. 종래 결정 풀러의 성장 챔버에서 전형적으로 발견되는 입상 피더 하드웨어 (granular feeder hardware), 레이저 용융체 레벨 장치 (laser melt level apparatus) 및 다른 장치들은 또한 히터의 길이를 증가시킬 수 있는 능력을 방해할 것이다.

결정 본체의 성장동안 약 0.4mm/분 미만의 값으로 인상율 (pull rate) 을 감소시키는 것도 제안되었다. 그러나, 이러한 인상율로 인해 높은 자기 침입 농도를 갖는 단결정 실리콘이 형성된다는 것이다. 이러한 높은 농도로 인해 응집된 자기 침입 결함 및 결함과 관련된 모든 문제가 발생한다.

응집된 고유 점 결함의 문제를 다루는 제 2 접근법은, 응집된 고유 점결함의 형성후에 나타나는 응집된 고유 점 결함의 용해 또는 소멸에 집중되는 방법을 포함한다. 일반적으로, 이것은 웨이퍼 형태인 실리콘을 고온 열 처리함으로써 이루어진다. 예를 들어, 유럽특허출원번호 제 503,816 A1호의 Fusegawa 외 다른 발명자에 의하면, 0.8mm/분 을 초과하는 인상율로 실리콘 잉곳을 성장시키고, 1150℃ 내지 1280℃ 범위의 온도에서 잉곳으로부터 슬라이스되는 웨이퍼를 열처리하여 웨이퍼 표면근처의 얇은 영역에서 결함 밀도를 줄인다는 것이 제안되었다. 필요한 특정 처리는 웨이퍼에서 응집된 고유 점 결함의 농도 및 위치에 따라 다양할 것이다. 결함의 균일한 축방향 농도를 갖지 않는 결정으로부터 절단된 상이한 웨이퍼에는 상이한 포스트 성장 공정 조건이 요구된다. 게다가, 이러한 웨이퍼 열처리는 비교적 비용이 많이 들며, 금속 불순물을 실리콘 웨이퍼내로 인입할 가능성을 갖고, 모든 종류의 결정 결함에 효과적이지 못하다.

응집된 고유 점 결함 문제를 다루는 제 3 접근법은 단결정 실리콘 웨이퍼의 표면위에서 실리콘의 얇은 결정층의 에피택셜 증착이다. 이 공정은 실질적으로 응집된 고유 점 결함이 없는 표면을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 제공한다. 그러나, 에피택셜 증착은 웨이퍼의 비용을 실질적으로 증가시킨다.

이러한 점을 고려할 때, 응집된 고유 점 결함을 형성시키는 응집 반응을 억제시킴으로써 응집된 고유 점 결함의 형성을 방지하도록 설계된 결정 풀러가 여전히 필요하다. 이러한 결함이 발생하는 속도를 단순히 제한하거나, 형성된 후 결함의 일부를 소멸시키기 보다는, 응집 반응을 억제하는 결정 풀러는 응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는 실리콘 기판을 생산할 것이다. 이러한 결정 풀러는, 에피택셜 공정과 관련된 고비용이 들지 않고 웨이퍼당 얻어진 집적회로의 개수라는 점에서 에피택셜과 같은 수율 포텐셜을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산할 것이다.

발명의 개요

본 발명의 목적 및 특징은, 자기 침입형 (self-interstitial) 결함이 우세하고 잉곳 반경의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 웨이퍼 및 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 결정 풀러를 제공하는 것과, 이 풀러 내에서 성장하는 잉곳의 냉각 속도를 실질적으로 감소시키는 결정 풀러르 제공하는 것과, 성장하는 잉곳의 온도가 1050 ℃ 위에 있는 시간을 실질적으로 증가시키는 결정 풀러를 제공하는 것과, 풀러 하우징 내의 관찰 포트르 통한 성장 잉곳의 관찰을 방해하진 않는 결정 풀러에서의 사용을 위한 전기 저항 히터를 제공하는 것이다.

일반적으로, 잉곳의 반경의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 초크랄스키 법에 따른 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 본 발명의 결정 풀러는 하부 성장 챔버 및 상부 풀 (pull) 챔버를 갖는 내부를 규정하는 하우징을 구비한다. 이 풀 챔버는 성장 챔버보다 더 작은 가로축의 치수를 갖는다. 도가니는 용융 실리콘을 포함하기 위해 하우징의 성장 챔버 내에 배치된다. 인상장치 (pulling mechanism) 는 성장 챔버와 풀 챔버를 통해 용융 실리콘으로부터 성장하는 잉곳을 인상하기 (pulling) 위해 제공된다. 전기 저항 히터는, 잉곳이 융융 실리콘에 대해서 풀 챔버에서 위로 인상될 때, 잉곳으로 열을 방사하도록 성장 잉곳의 외부 표면과 방사상으로 간격을 둔 상태에서 하우징의 상부 풀 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되도록 크기와 형상이 정해진 발열체 (heating element) 를 가진다. 발열체는 상단부 및 하단부를 가진다. 발열체가 하우징 내에 위치할 때 발열체의 하단부는 상단부보다 용융 실리콘에 더 근접하도록 배치된다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 일부는 분명할 것이고, 일부는 이하에서 지적될 것이다.

도 1 은, 자기 침입 농도 [I] 와 정공 농도 [V] 의 초기 농도가, v가 성장율이고 G₀가 평균 축온도 경사도인 비율 (v/G₀) 값 증가에 따라 변하는 예를 도시하는 그래프.

도 2 는, 응집된 자기침입 결함의 형성에 필요한 자유 에너지의 변화인 △G_I가, 자기침입 농도 [I] 의 주어진 초기 농도에 대하여 온도 (T) 가 감소함에 따라 증가하는 예를 도시하는 그래프.

도 3 은, 응집된 자기침입 결함의 형성에 필요한 자유 에너지의 변화인 △G_I가, 방사상 확산 수단으로 자기침입 농도 [I] 의 농도 억제 결과로 (온도 (T) 가 감소함에 따라) 감소하는 예를 도시하며, 점선이 확산 효과를 나타내며 실선이 방사상 확산이 없는 경우를 나타내는 그래프.

도 4 는, 응집된 자기침입 결함의 형성에 필요한 자유 에너지의 변화인 △G_I가, 방사상 확산 수단으로 자기침입 농도 [I] 의 농도 억제 결과로 (온도 (T) 가 감소함에 따라) 충분히 감소하며 응집 반응이 방지되는 예를 도시하며, 점선이 확산 효과를 나타내며 실선이 방사상 확산이 없는 경우를 나타내는 그래프.

도 5 는, 자기침입 농도 [I] 및 정공 농도 [V] 의 초기농도가, G₀값이 증가하기에 비율 (v/G₀) 값이 감소함에 따라 잉곳 또는 웨이퍼의 반경을 따라 변경될 수 있는 예를 도시하며, V/I 경계에서 정공 지배 물질로부터 자기침입 지배물질로의 천이가 발생하는 그래프.

도 6 은, V/I 경계뿐만 아니라 정공 (V), 및 자기침입 (I) 지배 영역을 도시하는 단결정 실리콘 잉곳 또는 웨이퍼를 도시하는 상면도.

도 7a 는, 정공 또는 자기침입의 초기 농도가 자기침입의 방사상 확산으로 인해 방사상 위치의 함수로서 변경되는 예를 도시하며, 이러한 확산으로 인해 억제되는 초기침입 농도 [I] 뿐만 아니라 (정공과 자기침입의 재결합 결과로) V/U 경계 위치가 잉곳의 중심에 보다 가깝게 이동되는 것을 도시하는 그래프.

도 7b 는, (도 7a 에 도시된 바와 같이) 자기침입 농도 [I] 의 억제가, △G_I를 실리콘 자기침입 반응이 발생하는 임계값보다 적은 값으로 유지하기에 충분한지를 도시하는 방사상 위치 함수인 △G_I그래프.

도 7c 는 정공 또는 자기침입의 초기 농도가 자기침입의 방사상 확산으로 인해 방사상 위치 함수로서 변경되는 또다른 예를 도시하며, 도 7a 와 비교할 때, 이러한 확산으로 인해 V/I 경계 위치가 (정공과 자기침입의 재결합 결과로) 잉곳의 중심에 보다 가깝게 되었으며 V/I 경계의 외부 영역에서 침입의 농도가 증가하게 되는 그래프.

도 7d 는 (도 7c 에 도시된 바와같이) 자기침입 농도 [I] 억제가 △G_I를 실리콘 자기침입 반응이 발생하는 임계값보다 적은 값인 모든 곳에서 유지하기에 충분한지를 도시하는 방사상 위치 함수인 △G_I그래프.

도 7e 는 정공 또는 자기침입의 초기 농도가 자기침입의 방사상 확산으로 인해 방사상 위치 함수로서 변경되는 또다른 예를 도시하며, 도 7a 와 비교할 때 증가된 확산으로 인해 자기침입 농도가 더 억제되는 그래프.

도 7f 는 (도 7e 에 도시된 바와같이) 자기침입 농도 [I] 의 억제가 보다 커짐으로 인해 도 7b 에 도시된 바와같이 △G_I의 억제 정도가 커지는 예를 도시하는 방사상 위치 함수인 △G_I그래프.

도 7g 는 정공 또는 자기침입의 초기농도가 자기침입의 방사상 확산으로 인해 방사상 위치 함수로서 변경되는 또다른 예를 도시하며, 도 7c 와 비교할 때, 증가된 확산으로 인해 자기침입 농도가 보다 크게 억제되는 그래프.

도 7h 는 (도 7g 에 도시된 바와같이) 자기침입 농도 [I] 의 억제가 보다 커짐으로 인해 도 7d 와 비교할 때 △G_I의 억제 정도가 보다 커지는 예를 도시하는 방사상 위치 함수인 △G_I그래프.

도 7i 는 정공 또는 자기침입의 초기 농도가 자기침입의 방사상 확산으로 인해 방사상 위치 함수로서 변경되는 또다른 예를 도시하며, 상기 예에서 자기침입의 충분한 양이 정공과 재결합하여 더이상 정공 지배영역이 없는 그래프.

도 7j 는 결정 반경을 따라 응집된 자기침입 결함을 유지하기위해 (도 7i 에 도시된 바와같이) 자기침입의 방사상 확산이 충분한지를 도시하는 방사상 함수인 △G_I그래프.

도 8 은 잉곳의 일정 지름부의 축방향으로 대칭인 영역을 상세히 도시하는 단결정 실리콘 잉곳의 길이방향의 단면도.

도 9 는 축방향으로 대칭인 영역의 폭의 축방향에 따른 변경을 도시하며, 단결정 실리콘 잉곳의 일정 지름부의 세그먼트의 길이방향 단면도.

도 10 은 잉곳의 반경보다 적은 폭의 축방향으로 대칭인 영역을 갖는 단결정 실리콘 잉곳의 일정 지름부의 세그먼트의 길이방향을 도시하며, 상기 영역이 정공 지배영역 물질의 원통형 영역을 일반적으로 더 포함하는 단면도.

도 11 은 도 10 에 도시된 축방향 대칭 영역의 위도방향의 단면도.

도 12 는 잉곳의 반경과 동일한 폭의 축방향 대칭 영역을 갖는 단결정 실리콘 잉곳의 일정 지름부의 세그먼트의 길이방향을 도시하며, 상기 영역이 응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는 자기침입의 원통형 영역임을 상세히 도시하는 단면도.

도 13 은, 일련의 산소 침전 열처리 이후에 잉곳의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔을 도시하며, 정공 지배영역 물질의 원통형 영역, 자기침입 지배물질의 고리모양의 축방향으로 대칭인 영역, V/I 경계, 및 응집된 침입결함 영역을 상세히 도시하는 이미지.

도 14 는 인상율이 결정 길이의 부분에 대하여 선형으로 감소하는 것을 도시하며, 결정 길이의 함수로서 인상율 (즉, 시드 리프트) 을 도시하는 그래프.

도 15 는 제 1 실시예에 설명되는 바와같이, 일련의 산소 침전 열처리이후에 잉곳의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지.

도 16 은 제 1 실시예에 설명된 바와같이, v^*(Z) 인 곡선을 나타내는데 사용되는 4개 단결정 실리콘 잉곳 (1 내지 4) 각각을 위한 결정 길이 함수로서 인상율의 그래프.

도 17 은 제 2 실시예에 설명된 바와같이 2개의 상이한 경우에 대하여, 방사상 위치 함수로서 용융/응고 인터페이스 (G₀) 에서 평균 축 온도 경사도의 그래프.

도 18 은 제 2 실시예에 설명된 바와같이 2개의 상이한 경우에 대하여 방사상 위치 함수로서 정공 농도 [V] 또는 자기침입 농도 [I] 의 초기 농도 그래프.

도 19 는 제 3 실시예에 설명된 바와같이 2개의 상이한 경우에 대하여 잉곳에서 축 온도 측면도를 도시하는, 축 위치 함수인 온도 그래프.

도 20 은 제 3 실시예 및 도 19 에 도시된 2개의 냉각 조건으로부터인 자기침입 농도의 그래프.

도 21 은 제 4 실시예에 설명된 바와같이 일련의 산소 침전 열처리이후에 전체 잉곳의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지.

도 22 는 제 5 실시예에 설명된 바와같이 단결정 실리콘 잉곳의 길이 함수로서 V/I 경계를 도시하는 그래프.

도 23a 는 제 6 실시예에 설명된 바와같이, 일련의 산소 침전 열처리이후에, 잉곳의 숄더로부터 약 100mm 내지 약 250mm 범위로 잉곳의 세그먼트의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지.

도 23b 는 제 6 실시예에 설명된 바와같이, 일련의 산소 침전 열처리이후에, 잉곳의 숄더로부터 약 250mm 내지 약 400mm 범위로 잉곳 세그먼트의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지.

도 24 는 4개의 상이한 고온 영역 구성으로 잉곳에 대한 축 온도 프로파일을 도시하는 그래프.

도 25 는 제 7 실시예에 설명된 바와같이, 잉곳에 대한 다양한 축 위치에서 축 온도 경사도 (G₀) 의 그래프.

도 26 은 제 7 실시예에 설명된 바와같이, 잉곳에 대하여 평균 축 온도 경사도 (G₀) 의 그래프.

도 27 은 제 7 실시예에 설명된 바와같이, 축방향 대칭 영역의 폭과 냉각율 간의 관계를 도시하는 그래프.

도 28 은 제 7 실시예에 설명된 바와같이, 구리 대체 및 결함 표시 에칭이후에 잉곳의 숄더로부터 약 235mm 내지 약 350mm 에 이르는 잉곳 세그먼트의 축 절단의 포토그래프.

도 29 는 제 7 실시예에 도시된 바와같이, 구리 대체 및 결함 표시 에칭이후에 잉곳의 숄더로부터 약 350mm 내지 약 460mm 에 이르는 잉곳 세그먼트의 축 절단의 포토그래프.

도 30 은 제 7 실시예에 도시된 바와같이, 구리 배열 및 결함 비설계 에칭이후에 잉곳의 숄더로부터 약 140mm 내지 약 275mm 에 이르는 잉곳 세그먼트의 축 절단의 포토그래프.

도 31 은 제 7 실시예에 도시된 바와같이, 구리 배열 및 결함 비설계 에칭이후에 잉곳의 숄더로부터 약 600mm 내지 약 730mm 에 이르는 잉곳 세그먼트의 축 절단의 포토그래프.

도 32 는 단결정 실리콘 잉곳이 성장하는 동안 전기 저항 히터가 배치될 때 제 1 실시예에 의한 전기 저항 히터를 나타내는 본 발명의 결정 풀러의 개략적 부분 수직 단면도.

도 33 은 도 1 의 전기 저항 히터의 사시도.

도 34 는 도 1 의 결정 풀러에서의 사용을 위한 전기 저항 히터의 제 2 실시예의 사시도.

도 35 는 도 1 의 결정 풀러에서의 사용을 위한 전기 저항 히터의 제 3 실시예의 사시도.

도 36 은 도 1 의 전기 저항 히터가 없는 경우의 결정 풀러의 개략적 수직 단면도로서, 유한 요소법을 사용하여 결정 풀러에서 성장한 결정 잉곳의 등온선을 나타내는 도면.

도 37 은 도 1 의 전기 저항 히터를 포함하는 본 발명의 결정 풀러의 개략적 수직 단면도로서, 유한 요소법을 사용하여 풀러에서 성장한 결정 잉곳의 등온선을 나타내는 도면.

도 38 은 도 37 에 도시된 것과 유사한 결정 풀러이지만, 도 37 의 히터보다 더 긴 길이를 갖는 전기 저항 히터를 포함하는 결정 풀러의 개략적 수직 단면도로서, 유한 요소법을 사용하여 풀러에서 성장한 결정 잉곳의 등온선을 나타내는 도면.

도 39 는, 잉곳 축 온도 대 (versus) 용융 소스 물질로부터의 잉곳의 거리를 비교한 도 36, 37 및 38 로부터의 등온선 데이타를 도시한 도면.

지금까지의 실험에 의거하여, 응고점 (즉, 약 1410℃) 으로부터 1300℃ 보다 큰 온도 (즉, 적어도 약 1325℃, 적어도 약 1350℃ 또는 적어도 약 1375℃ 인 온도) 로 잉곳이 냉각됨에 따라 고유 점 결함의 초기 농도 및 형태는 초기에 결정되는 것으로 보인다. 즉, 이러한 결함의 종류 및 초기 농도는, v 가 성장속도이고 G₀이 상기 온도 범위에 대한 평균 축 온도 경사도인 비율 (v/G₀) 에 의해 제어된다.

도 1 에서, v/G₀값을 증가시키기위해, 현재 이용가능한 정보에 의거하여, 감소되는 자기침입 지배성장으로부터 증가하는 정공지배 성장으로의 천이가, 약 2.1x10^-5cm²/sK로 보이는 v/G₀의 임계값 근처에서 발생하며, 여기서 G₀는 축 온도 경사도가 상기한 온도 범위내의 일정한 조건에서 결정된다. 이때의 임계값에서, 고유 점 결함의 농도는 평형상태에 있다.

v/G₀의 값이 임계값을 초과함에 따라, 정공 농도가 증가한다. 유사하게, v/G₀값이 임계값 이하에 있을 때, 자기침입의 농도가 증가한다. 이러한 농도가 시스템에서 임계 과포화에 이른다면 그리고 점 결합의 이동도가 충분히 높다면, 반응, 또는 응집 이벤트가 발생할 것이다. 실리콘에서 응집 고유 점 결함은 복잡하고 높은 집적회로 생산물의 수율 포텐셜에 심각한 영향을 줄 수 있다.

본 발명에 따라, 실리콘 자기침입 원자가 반응하여 응집 자기침입 결합을 생성하는 반응이 억제될 수 있다는 것이 발견되었다. 특별한 이론이 필요없이, 자기침입의 농도는 본 발명의 공정에서 결정 잉곳의 냉각 및 성장동안 제어된다고 여겨지며, 시스템의 자유 에너지 변화가 응집 반응이 자발적으로 발생하여 응집 자기침입 결함이 생성되는 임계값을 결코 넘지 않는 것이다.

일반적으로, 단결정 실리콘내에서 응집 자기침입 결함이 실리콘 자기침입으로부터 형성되는 반응을 유도하도록 이용가능한 시스템 자유 에너지 변화는 수학식 (1) 에 의해 제어된다.

여기서, △G_I는 자유 에너지 변화이며, k 는 볼츠만 상수, T 는 K 온도, [I] 는 시간과 공간에서의 단결정 실리콘내의 점에서 자기침입의 농도이며, [I]^eq는 [I] 가 온도 (T) 에서 발생하는 시간과 공간 그리고 동일한 점에서 자기침입의 평형상태 농도이다.

상기한 식에 따라, 자기침입의 주어진 농도에 대하여, 온도 (T) 가 낮아짐에 따라, 일반적으로 온도에 대한 [I]^eq가 급속히 감소하기에 △G_I가 증가하게 된다.

도 2 는 실리콘 자기침입의 농도 억제 수단을 동시에 사용하지 않고 응고 온도로부터 냉각되는 잉곳에 대한 실리콘 자기침입의 농도 및 △G_I변화를 개략적으로 도시한다. 잉곳이 냉각됨에 따라, [I] 의 과포화 증가로 인해, △G_I는 수학식 (1) 에 따라 증가하고, 응집 자기침입 결함 형성을 위한 에너지 배리어에 근접된다. 냉각이 계속됨에 따라, 상기 에너지 배리어는 결국 반응이 발생하는 점에서 초과된다. 상기 반응으로 인해, 과포화 시스템이 완화될 때, 즉 [I] 농도가 감소할 때, 응집 침입 결함이 발생하며 부수적으로 △G_I가 감소된다.

자기침입의 응집은, 잉곳이 응고점으로부터 냉각됨에 따라 실리콘 자기침입 시스템의 자유에너지를 응집 반응이 발생할 자유에너지 값보다 적은 값으로 유지함으로써 피할 수 있다. 환언하면, 상기 시스템은 과포화되지 않도록 제어될 수 있다. 이것은, 임계 과포화가 결코 이루어질 수 없게 충분히 낮은 (v/G₀(r) 에 의해 제어되는) 자기침입의 초기 농도를 확립함으로써 가능하다. 그러나, 실제로, 전체 결정 반경에 걸쳐 이러한 농도를 얻는 것은 일반적으로 어렵고, 따라서, 임계 과포화는 결정 응고화에 뒤따르는, 즉 v/G₀(r) 에 의해 결정되는 초기 농도를 확립하는 것에 뒤따르는 초기 실리콘 자기침입 농도를 억제함으로써 방지될 수 있다.

도 3 및 도 4 는, 도 2 의 잉곳이 응고 온도로부터 냉각될 때, △G_I증가에 대한 [I] 억제의 2가지 가능한 효과를 도시한다. 도 3 에서, [I] 의 억제로 인해 △G_I증가율이 감소되지만, 이 경우에, 어떠한 곳에서도 반응이 발생하는 임계값보다 적은 값으로 △G_I를 유지하기에 억제는 불충분하다. 그 결과, 억제는 단순히 반응이 발생하는 온도를 낮추는 역할을 한다. 도 4 에서, [I] 의 증가된 억제는 어떠한 곳에서도 반응이 발생하는 임계값보다 적은 값으로 △G_I를 유지하기에 충분하다. 따라서, 억제는 결함 형성을 금지시킨다.

놀랍게도, 일반적으로 약 10^-4cm²/초 인 자기침입의 비교적 큰 이동도때문에, 비교적 긴 거리, 즉, 약 5 cm 내지 약 10cm 이상의 거리에 대하여 결정 표면에 위치한 싱크로 또는 결정내에 위치한 정공 지배영역으로의 자기침입 방사상 확산에 의하여 억제를 할 수 있다는 것이 발견되었다. 고유 점 결함의 초기 농도의 방사상 확산을 위한 충분한 시간이 제공된다면, 방사상 확산은 자기침입 농도를 억제하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 일반적으로, 확산 시간은 자기침입의 초기 농도에서의 방사상 변화에 의존할 것이며, 방사상 변화가 적을수록 적은 확산 시간이 요구된다.

특히, 평균 축 온도 경사도 (G₀) 는 초크랄스키법에 따라 성장하는 단결정 실리콘에 대하여 반경이 증가하는 함수로서 증가한다. 이것은, v/G₀값이 잉곳의 반경에 걸쳐 유일한 값이 아니라는 것을 의미한다. 이러한 변화의 결과로, 고유 점 결함의 종류 및 초기 농도는 일정하지 않다. 도 5 및 도 6 에서 V/I 경계 (2) 로서 도시된 바와같이 v/G₀의 임계값이 잉곳의 반경 (4) 을 따라 일부 점에 이르면, 물질은 정공 지배상태로부터 자기침입 지배상태로 전환될 것이다. 게다가, 잉곳은, (정공의 초기 농도가 반경이 증가하는 함수로서 감소하는) 정공 지배물질 (8) 의 일반적으로 원통형 영역을 둘러싸는 (실리콘 자기침입 원자의 초기 농도가 반경이 증가하는 함수로서 증가하는) 자기침입 지배물질 (6) 의 축방향 대칭 영역을 포함할 것이다.

도 7a 및 도 7b 는, 본 발명의 일실시예에 맞춰 잉곳이 응고 온도로부터 냉각될 때, 증가하는 △G_I에 대한 [I] 억제 효과를 개략적으로 도시한다. 잉곳이 초크랄스키법으로 인상될 때, 잉곳은, 잉곳의 에지로부터 V/I 경계가 발생하는 반경에 따른 위치로 연장되는 침입 지배 물질의 축방향으로 대칭인 영역과, 잉곳의 중심으로부터 V/I 경계가 발생하는 반경을 따른 위치로 연장되는 정공 지배 물질의 일반적으로 실린더형 영역을 포함한다. 잉곳이 응고 온도로부터 냉각될 때, 침입 원자의 방사상 확산으로 인해 자기침입과 정공과의 재결합 및 V/I 경계밖의 자기침입 농도의 확실한 억제로 인한 V/I경계에서 방사상 내부 시프트가 발생한다. 또한, 결정 표면으로의 자기침입의 방사상 확산은 결정이 냉각될 때 발생할 것이다. 결정 표면은 결정이 냉각될 때 평형 상태 점 결함 농도를 거의 유지할 수 있다. 그 결과, [I] 억제는 어떠한 곳에서도 실리콘 자기침입 반응이 발생하는 임계값보다 적은 값으로 △G_I를 유지하기에 충분하다.

도 8 및 도 9 에 관하여 결함의 응집을 억제하기 위한 일반적으로 바람직한 공정에서, 단결정 실리콘 잉곳 (10) 은 초크랄스키법에 의해 성장한다. 실리콘 잉곳은 중심 축 (12), 시드 콘 (14), 엔드 콘 (16), 및 시드 콘과 엔드 콘간의 일정 지름부 (18) 를 포함한다. 일정 지름부는 원주 에지 (20) 및 중심 축으로부터 원주 에지로 연장되는 반경 (4) 을 갖는다. 상기 공정은, 응고점으로부터 잉곳을 냉각함에 따라 응집된 고유 점 결함이 없는 축방향 대칭 영역 (6) 을 형성시키는, 성장 속도 (V), 평균 축 온도 경사도 (G₀), 및 냉각 속도를 포함하는 성장 조건을 제어하는 단계를 포함한다.

일실시예에서, 성장 조건은 잉곳 (10) 의 일정 지름부 (18) 의 체적에 대하여 축방향 대칭 영역 (6) 의 체적을 최대화하는 위치에서 V/I 경계 (2) 를 유지하도록 제어된다. 일반적으로, 상기 실시예에서, 축방향 대칭 영역이, 잉곳의 일정 지름부의 반경 (4) 과 길이 (26) 와 각각 동일한, (잉곳의 중심 축을 따라 측정된) 폭 (22) 및 (잉곳의 중심 축을 따라 측정된) 길이 (24) 를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 사실상, 동작 조건 및 결정 풀러 하드웨어 구속사항으로 인해 축방향 대칭 영역은 잉곳의 일정 지름부의 보다 적은 부분을 차지할 것이다. 따라서, 상기 실시예에서 축방향 대칭 영역은, 잉곳의 일정 지름부의 적어도 약 30%, 보다 바람직하게는 약 40%, 더 바람직하게는 약 60%, 가장 바람직하게는 약 80% 의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 축방향 대칭 영역은, 잉곳의 일정 지름부의 적어도 약 20%, 바람직하게는 적어도 약 40%, 보다 바람직하게는 적어도 약 60%, 가장 바람직하게는 적어도 약 80% 의 길이에 걸쳐 연장된다.

도 9 에서, 축방향 대칭 영역 (6) 의 폭 (22) 은 중심 축 (12) 의 길이를 따라 일부 변경될 수도 있다. 따라서, 주어진 길이의 축방향 대칭 영역에 대하여, 상기 폭은 잉곳 (10) 의 원주 에지 (20) 로부터 방사상으로 중심축으로부터 가장 멀리 떨어진 점으로의 거리를 측정함으로써 결정된다. 환언하면, 축방향 대칭 영역 (6) 의 주어진 길이 (24) 내의 최소 거리가 결정되도록 폭 (22) 이 결정된다.

도 10 및 도 11 에서, 잉곳 (4) 의 일정 지름부 (18) 의 축방향 대칭 영역 (6) 이 일정 지름부의 반경 (4) 보다 적은 폭 (22) 을 가질 때, 상기 영역은 일반적으로 고리 모양이다. 중심축 (12) 에 집중된 정공 지배 물질 (8) 의 원통형 영역은 일반적으로 고리 모양의 세그먼트의 내부로 방사상으로 위치한다. 도 12 에서, 축방향 대칭 영역 (6) 의 폭 (22) 이 일정 지름부 (18) 의 반경 (4) 과 동일하고, 상기 영역은 정공 지배영역을 포함하지 않으며, 대신, 축방향 대칭 영역이 일반적이고 원통형이며 응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는 자기침입 지배물질을 포함한다는 것이 이해되어야 한다.

결정 설장 조건이 침입 지배영역의 폭을 최대화하도록 제어되는 것이 바람직하지만, 주어진 결정 풀러 고온 영역 설계에 대한 제한이 있을 수 있다. V/I 경계가 중심 결정 축에 보다 가깝게 이동될 때, 냉각 조건 및 G₀의 방사상 변경인 G₀(r) 이 변경되지 않는다면, 필요한 방사상 확산의 최대 양이 증가한다. 이러한 상황에서, 응집된 침입 결함 형성을 방사상 확산에 의해 억제하도록 요구되는 정공 지배영역의 최소 반경이 있을 수도 있다.

도 7c 및 도 7d 는 정공 지배영역의 최소 반경이 초과되는 예를 개략적으로 도시한다. 상기 예에서, 냉각 조건 및 G₀(r) 은 도시된 V/I 경계의 위치에 대한 응집 침입 결함을 피하도록 충분한 확산소멸이 있었던 도 7a 및 도 7b 의 결정에 사용된 것과 동일하다. 도 7c 및 도 7d 에서, V/I 경계의 위치는 (도 7a 및 도 7b에 대하여) 중심축에 보다 가깝게 이동되어 V/I 경계 밖의 영역에서 침입 농도 증가가 발생한다. 그 결과, 침입 농도를 억제하는데 보다 많은 방사상 확산이 필요하다. 충분한 확산소멸이 이루어지지 않는다면, 시스템 (△G_I) 은 임계값을 넘어서 증가하게 될 것이며 응집 침입 결함을 발생시키는 반응이 발생할 것이고, 결정의 V/I 경계와 에지간에 고리 모양으로 이러한 결함 영역이 발생한다. 결함 영역이 발생하는 V/I 경계 반경은 주어진 고온 영역에 대하여 최소 반경이다. 상기 최소 반경은 침입의 보다 많은 방사상 확산이 허용된다면 줄어든다.

도 7e, 7f, 7g 및 7h 는, 도 7a, 7b, 7c, 및 7d 에서의 결정과 같이 동일한 초기 정공 및 침입 농도 프로파일을 갖고 성장한 결정에 대한 시스템 (△G_I) 의 증가 및 침입 농도 프로파일에서 증가된 방사상 확산소멸의 효과를 도시한다. 침입의 증가된 방사상 확산으로 인해 침입 농도의 보다 큰 억제가 발생하며, 따라서 시스템 (△G_I) 에서의 상승을 도 7a, 7b, 7c, 및 7d 에서보다 큰 정도로 억제한다. 이 경우 시스템 (△G_I) 은 V/I 경계의 보다 작은 반경에 대하여 초과되지 않는다.

도 7i 및 도 7j 는 결정 반경을 따라 어느 곳에서도 응집 침입 결함을 억제하기위해 충분한 방사 확산으로 최소 반경이 0 으로 감소되게 충분한 방사 확산이 허용되는 예를 도시한다.

본 발명의 일실시예에서, 자기침입 원자의 초기 농도는 축방향 대칭, 잉곳의 자기침입 지배영역에서 제어된다. 도 1 에서, 일반적으로, 실리콘 자기침입 원자의 초기 농도는, 비율 (v/G₀) 값이 비교적 상기 비율값의 임계값 근처가 되도록 결정 성장속도 (v), 평균 축 온도 경사도 (G₀) 를 제어함으로써 제어되고, 이때 V/I 경계가 발생한다. 또한, 평균 축 온도 경사도 (G₀) 는, G₀즉, △G₀(r) (따라서, v/△G₀(r)) 이 잉곳 반경 함수로서 제어되도록 또한 얻을 수 있다.

비율 (v/G₀) 값의 범위가 v/G₀의 임계값보다 약 0.5 내지 약 2.5 배 (즉, v/G₀의 임계값보다 현재 이용가능한 정보에 의거하여 약 1x10^-5cm²/sK 내지 약 5x10^-5cm²/sK) 내에 있도록 (상기한 바와같이) 특히 성장속도 (v), 및 평균 축 온도 경사도 (G₀) 가 제어된다. 바람직하게, v/G₀비율값의 범위는 v/G₀의 임계값보다 약 0.6 내지 약 1.5 배 (즉, v/G₀의 임계값보다 현재 이용가능한 정보에 의거하여 약 1.3x10^-5cm²/sK 내지 약 3x10^-5cm²/sK) 내에 있을 것이다. 가장 바람직하게, v/G₀비율값의 범위는 v/G₀의 임계값보다 약 0,75 내지 약 1 배 (즉, v/G₀의 임계값보다 현재 이용가능한 정보에 의거하여 약 1.6x10^-5cm²/sK 내지 약 2.1x10^-5cm²/sK) 내에 있을 것이다. 이러한 비율은 성장속도 (v), 평균 축 온도 경사도 (G₀) 의 독립 제어에 의해 얻어진다.

일반적으로, 평균 축 온도 경사도 (G₀) 의 제어는, 다른 무엇보다도 히터, 절연물, 열, 및 방사 실드를 구성하는 흑연 (또는 다른 물질), 즉, 결정 풀러의 고온 영역의 설계를 통해 대부분 행해질 수도 있다. 특별한 설계가 결정 풀러의 결정 풀러의 구조 및 모델에 의존하여 다양할 수도 있지만, 일반적으로, G₀는, 반사기, 방사 실드, 퍼지 튜브, 광 도체, 및 히터를 포함하여, 용융/응고 인터페이스에서 열 전달을 제어하기 위한 당해 기술에 현재 알려진 어떠한 수단을 사용하여 제어될 수도 있다. 일반적으로, G₀의 방사상 변경은 용융/응고 인터페이스를 넘어 한개의 결정 지름내에서 이러한 장치를 위치설정함으로써 최소화된다. G₀는 용융체 및 결정에 대한 장치의 위치를 조절함으로써 제어될 수 있다. 이것은 고온 영역에서의 장치 위치를 조절하거나, 고온 영역에서 용융면 위치를 조절함으로써 이루어진다. 또한, 히터가 사용될 때, G₀는 히터에 공급된 전력을 조절함으로써 더 제어될 수도 있다. 이러한 방법 모두는 용융체가 공정동안 소모되는 일괄 초크랄스키 공정동안 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서 평균 축 온도 경사도 (G₀) 가 잉곳의 지름 함수로서 비교적 일정한 것이 바람직하다. 그러나, 고온 지역 설계의 향상으로 인해 다양한 G₀가 최소화될 수 있고, 일정한 성장율을 유지하는 것과 관련된 기계적 문제가 점점 중요한 인자로 되는 것을 주의해야 한다. 이것은, 성장율 (v) 에 직접 영향을 끼치는 인상율의 어떠한 변경에 대하여 성장 공정이 보다 민감해지기 때문이다. 공정 제어 면에서, 이것은, 잉곳의 반경에 대하여 상이한 G₀에 대한 값을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, G₀의 분명한 차이점은 웨이퍼 에지 쪽으로 자기침입의 농도가 크게 증가될 수 있고, 이에따라 응집된 고유 점 결함의 형성을 피하는데 어려움이 커진다는 것이다.

상기한 바를 고려하여, G₀제어에는 G₀의 방사상 변경 최소화 및 유용한 공정 제어 상태를 유지하는 것 간의 균형이 관련된다. 따라서, 특히, 결정 길이의 한 지름이후의 인상율 범위는 약 0.2mm/분 내지 약 0.8mm/분일 것이다. 바람직하게, 인상율의 범위는 약 0.25mm/분 내지 약 0.6mm/분이고, 보다 바람직하게, 약 0.3mm/분 내지 약 0.5mm/분이다. 인상율은 결정 지름과 결정 풀러 설계에 의존한다는 것을 주의해야 한다. 상기한 범위는 200mm 지름의 결정에 대하여 전형적인 것이다. 일반적으로, 인상율은 결정 지름이 증가함에 따라 감소할 것이다. 그러나, 결정 풀러는 상기한 경우를 인상율이 넘어서도록 설계될 수도 있다. 그 결과, 가장 바람직하게, 결정 풀러는, 본 발명의 축방향 대칭 영역이 여전히 형성되는 한편 인상율이 가능한 빠르게 설계될 것이다.

바람직한 제 2 실시예에서, 자기침입 확산 양은, 특별한 목적을 위해, 잉곳이 응고점 (약 1410℃) 으로부터 실리콘 자기침입이 진행되지 않는 온도로 냉각될 때, 냉각율을 제어함으로써 제어된다. 실리콘 자기침입은 실리콘의 응고점 근처 온도, 즉, 1410℃ 에서 이동성있게 보인다. 그러나, 이러한 이동도는 단결정 실리콘 잉곳의 온도가 감소함에 따라 감소한다. 일반적으로, 자기침입의 확산율은, 800℃, 900℃, 1000℃ 또는 1050℃만큼 높은 온도에서 및 약 700℃ 보다 낮은 온도에서 실제 시간 주기에 대하여 이동성이 없는 정도로 상당히 감소된다.

자기침입 응집반응이 발생하는 온도가 이론상으로 넓은 범위의 온도로 변경될 수도 있지만, 실제로, 상기 범위는 종래의 초크랄스키법으로 성장된 실리콘에 있어서는 좁다는 것에 주의해야한다. 이것은 초크랄스키법에 따라 성장한 실리콘에서 얻어지는 초기 자기침입 농도의 비교적 좁은 범위의 결과이다. 따라서, 일반적으로, 자기침입 응집 반응이 약 1100℃ 내지 약 800℃ 의 범위내의 온도에서, 특히 약 1050℃ 에서 발생할 수도 있다.

자기침입이 이동성있게 보이는 온도 범위내에서, 고온 영역에서의 온도에 의존하여, 냉각율 범위는 약 0.1℃/분 내지 약 3℃/분일 것이다. 바람직하게, 냉각율 범위는 약 0.1℃/분 내지 약 1.5℃/분일 것이며, 보다 바람직하게, 약 0.1℃/분 내지 약 1℃/분일 것이며, 더 바람직하게는 약 0.1℃/분 내지 약 0.5℃/분일 것이다. 다른 면에서, 축방향 대칭 영역의 폭을 최대화하기위해, 실리콘은 약 1050℃ 를 넘는 온도에서 통상적인 150mm 지름 실리콘 결정에 대하여 (i) 적어도 약 5시간 주기동안, 바람직하게는 적어도 약 10시간 주기동안, 보다 바람직하게는 적어도 약 15시간동안, 통상적인 200mm 지름 실리콘 결정에 대하여 (ii) 적어도 약 5 시간, 바람직하게는 적어도 약 10시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 20시간, 더 바람직하게는 적어도 약 25시간, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 30시간동안, 그리고 (iii) 200mm 이상의 지름 실리콘 결정에 대하여 적어도 약 20 시간, 바람직하게는 적어도 약 40시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 60시간, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 75시간동안, 상주하는 것이 바람직하다. 도 24 에서, 상이한 고온 영역 구성에 대한 축 온도 프로파일로부터 알 수 있듯이, 냉각율 제어는, 절연체, 히터, 방사 실드, 및 자기 실드를 포함하여, 고온 영역에서 열 전달을 최소화하기 위한 당해 기술에 현재 알려진 어떠한 수단을 사용하여 이루어질 수 있다.

자기침입이 이동성있게 보이는 온도 범위내에서 잉곳의 냉각율을 제어함으로써, 자기침입은 결정 표면에 위치한 싱크로, 또는 그것이 소멸되는 정공 지배영역으로 확산되기에 보다 많은 시간이 주어질 수도 있다. 따라서, 이러한 침입 농도는 억제될 수도 있고, 응집 이벤트 발생을 방지한다. 응집 결함이 없는 축방향 대칭 영역을 얻기위해 필요할 수도 있는 다른 엄격한 v/G₀요구사항을 완화하기위해 냉각율을 제어하여 침입의 확산성을 이용함으로써, 상기한 바와같이, 침입 확산에 보다 많은 시간이 허용되도록 냉각율이 제어될 수도 있다는 결과로서, 임계값에 대하여 넓은 범위의 v/G₀값이 응집 결함이 없는 축방향 대칭 영역을 얻기위한 목적으로 수용가능하다.

결정의 상당한 길이의 일정한 지름에 대하여 이러한 냉각율을 얻기위해, 일단 엔드 콘 성장이 완료될 때 잉곳의 처리 뿐만 아니라 잉곳의 엔드 콘의 성장 공정을 고려해야 한다. 특히, 잉곳의 일정 지름부의 성장 완료시에, 엔드 콘을 형성하는데 필요한 테이퍼링을 시작하기위해 인상율은 증가될 것이다. 그러나, 상기한 바와같이, 이러한 인상율 증가로 인해 일정 지름부의 보다 낮은 세그먼트가 침입이 충분히 이동성있는 온도 범위내에서 보다 빨리 냉각될 것이다. 그 결과, 상기 침입은 어닐링되는 싱크로 확산되는데 충분한 시간을 갖지 못할 수도 있다. 즉, 보다 낮은 세그먼트에서의 농도는 충분히 억제되지 못할 수도 있고 침입 결함의 응집이 발생할 수도 있다.

이러한 결함이 잉곳의 보다 낮은 세그먼트에서 형성되는 것을 방지하기위해, 잉곳의 일정 지름부가 초크랄스키법에 따라 균일한 열 히스토리를 갖는 것이 바람직하다. 균일한 열 히스토리는, 일정 지름부의 성장동안뿐만 아니라 결정의 엔드 콘 성장 및 엔드 콘 성장 이후동안 비교적 일정한 속도로 잉곳을 용융된 실리콘으로부터 인상함으로써 얻어질 수도 있다. 예를 들어, (i) 노에 대한 엔드 콘의 성장동안 결정 및 노의 회전 속도, 및 결정의 일정 지름부의 결정 회전속도를 감소시킴으로써, 그리고/또는 (ii) 종래에 엔드 콘 성장동안 공급되는 전력에 대하여 엔드 콘의 성장동안 실리콘이 용융되도록 가열하는데 사용되는 히터에 공급되는 전력을 증가함으로써 비교적 일정한 속도가 얻어질 수도 있다. 이러한 가변 공정의 추가 조절은 개별적으로 또는 조합하여 발생할 수도 있다.

엔드 콘의 성장이 시작될 때, 엔드 콘의 인상율은, 약 1050℃ 를 넘는 온도에서 유지되는 잉곳의 일정 지름부의 어떠한 세그먼트도, 약 1050℃ 보다 낮은 온도로 이미 냉각된 응집 고유 점 결함이 없는 축방향 대칭 영역을 포함하는 다른 잉곳의 일정 지름부의 (복수의) 세그먼트와 같이 동일한 열 히스토리를 갖도록 확립된다.

상기한 바와같이, 정공 지배영역의 최소 반경은 응집된 침입 결합의 억제가 이루어질 수도 있는 범위에서 존재한다. 최소 반경값은 v/G₀및 냉각율에 의존한다. 결정 풀러 및 고온 영역 설계가 변경될 수 있듯이, v/G₀에 대한 범위, 인상율, 및 냉각율도 변경될 수 있다. 마찬가지로 이러한 조건은 성장하는 결정의 길이를 따라 변경될 수도 있다. 상기한 바와같이, 응집된 침입 결함이 없는 침입 지배영역의 폭은 최대화되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 영역 폭을, 주어진 결정 풀러에서 성장하는 결정의 길이를 따라 정공 지배영역의 최소반경 및 결정 반경 간의 차이에 가능한 가깝게 유지하는 것이 바람직하다.

축방향 대칭 영역의 최적의 폭, 및 주어진 결정 풀러 고온 영역 설계에 대하여 요구되는 최적의 결정 인상율 프로파일은 경험으로 결정될 수도 있다. 일반적으로 말하면, 이러한 경험적 접근법에는, 우선, 특별한 결정 풀러에서 성장한 잉곳용 평균 축 온도 경사도에서의 방사상 변경뿐만 아니라 상기 결정 풀러에서 성장한 잉곳용 축 온도 프로파일에 대하여 이미 이용가능한 데이터를 얻는 방법이 포함된다. 집약하여, 그 데이터는 한 개 이상의 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는데 사용되고, 이후 응집 침입 결함의 존재에 대하여 분석된다. 이러한 방식으로, 최적의 인상율 프로파일이 결정될 수 있다.

도 13 은 결함 분포 패턴을 나타내는 일련의 산소 침전 열 처리이후에 지름 200mm 잉곳의 섹션의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지이다. 상기 도는 근접한 최적 인상율 프로파일이 주어진 결정 풀러 고온 영역 설계에 사용되는 예를 도시한다. 상기 예에서, (응집된 침입 결함 (28) 영역이 생성되는) 침입 지배영역의 최대폭이 초과되는 v/G₀로부터 축방향 대칭 영역이 최대폭을 갖는 최적 v/G₀으로의 천이가 발생한다.

잉곳 반경에 대하여 G₀증가로부터 발생하는 v/G₀의 방사상 변경에 더하여, v/G₀는, v 변경 결과로, 또는 초크랄스키 공정으로 인한 G₀의 자연적인 변화의 결과로 축방향으로 변경될 수도 있다. 표준 초크랄스키 공정에서, v 는, 일정한 지름으로 잉곳을 유지하기위해 인상율이 성장 사이클을 통해 조절될 때 변경된다. 인상율의 이러한 조절, 또는 변경으로 인해 v/G₀는 잉곳의 일정 지름부의 길이에 대하여 다양하게 된다. 본 발명의 공정에 맞춰, 인상율은 잉곳의 축방향 대칭 영역의 폭을 최대화하도록 유지된다. 그러나, 그 결과로, 잉곳 반경이 다양하게 변경될 수도 있다. 그 결과로 나타나는 잉곳이 일정한 지름을 갖기위해, 상기 잉곳은 원하는 지름보다 큰 지름으로 성장되는 것이 바람직하다. 이후 상기 잉곳은 당해 기술에서 표준인 공정을 거치게 되어 표면으로부터 과다 물질을 제거하게 되며, 따라서 일정 지름부를 갖는 잉곳이 얻어진다.

본 발명의 공정에 맞춰 준비되고, V/I 경계를 갖는 잉곳, 즉, 정공이 지배적인 물질을 포함하는 잉곳에서, 경험에 의하여 낮은 산소 함유물질, 즉, 13PPMA 미만이 바람직하다 (ASTM 규격 F-121-83, 백만분의 일 원자). 보다 바람직하게, 단결정 실리콘은 약 12PPMA 산소미만을 포함하며, 보다 바람직하게는 약 11PPMA 산소를, 가장 바람직하게는 10PPMA 미만이다. 이것은, 중간 내지 높은 산소 함유 웨이퍼, 즉, 14PPMA 내지18PPMA 에서, 산소 유도된 적층 폴트 형성 및 V/I 경계내의 향상된 산소 클러스터 밴드가 보다 현저해지기 때문이다. 이러한 것들은 주어진 집적회로 제조 공정에서의 문제에 대한 잠재적인 요소이다. 그러나, 축방향 대칭 영역이 잉곳의 반경과 동일한 폭을 가질 때, 산소 함유 제한이 제거되는 것에 주의해야한다. 이것은, 정공형 물질이 존재하지 않을 때, 이러한 결함 및 클러스터 형성이 발생하지 않을 것이 때문이다.

향상된 산소 클러스터 효과는 단일적으로 또는 조합하여 사용되는 다수의 방법에 의해 감소될 수도 있다. 예를 들어, 산소 침전 결정핵 생성은 특히 약 350℃ 내지 750℃ 의 온도 범위에서 어닐링되는 실리콘 중심에 형성된다. 따라서, 일부 응용에서, 결정이 짧은 것, 즉, 시드 엔드가 잉곳이 급속히 냉각된 후 실리콘의 용융점 (약 1410℃) 으로부터 약 750℃ 로 냉각될 때까지 초크랄스키법으로 성장한 결정인 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 방식으로, 결정핵 생성 중심 형성에 임계인 온도 범위에서 소모된 시간은 최소로 유지되고 산소 침전 결정핵 생성 중심은 결정 풀러에서 형성되는데 적절한 시간을 갖지 못한다.

그러나, 바람직하게 단결정 성장동안 형성된 산소 침전 결정핵 중심은 단결정 실리콘을 어닐링함으로써 용해된다. 열처리를 안정화하지 못했다면, 산소 침전 결정핵 중심은 실리콘을 적어도 약 875℃ 온도로 급속히 가열하고, 적어도 1000℃ , 적어도 1100℃ 이상의 온도로 증가시킴으로써 실리콘에서 어닐링될 수 있다. 실리콘이 1000℃에 이르렀을 때, 실질적으로 이러한 모든 결함 (즉, ＞99%) 은 어닐링되었다. 웨이퍼는 이러한 온도로 급속히 가열되는, 즉 온도 비율이 적어도 분당 10℃, 보다 바람직하게는 분당 50℃ 상승하는 것이 중요하다. 그렇지 않다면, 일부 또는 모든 산소 침전 결정핵 생성 중심은 열처리에 의해 안정화될 수도 있다. 평형상태는 비교적 짧은 시간 주기, 즉, 약 거의 60초 이하인 주기로 도달한 것으로 보인다. 따라서, 단결정 실리콘의 산소 침전 결정핵 생성 중심은 적어도 약 875℃, 바람직하게는 적어도 약 950℃, 보다 바람직하게는 1100℃ 의 온도에서 적어도 약 5초, 바람직하게는 적어도 약 10분 주기동안 어닐링됨으로써 용해될 수도 있다.

용해는 종래의 노에서 또는 급속 열 어닐링 (RTA) 시스템에서 실행될 수도 있다. 실리콘의 급속 열 어닐링은 웨이퍼가 고 전력 램프 뱅크에 의해 개별적으로 가열되는 어떠한 개수의 상업적으로 이용가능한 급속 열 어닐링 (RTA) 노에서 실행될 수도 있다. RTA 노는 실리콘 웨이퍼를 급속히 가열할 수 있으며, 즉, 실온으로부터 1200℃ 의 온도로 몇 초내에 웨이퍼를 가열할 수 있다. 이러한 상업적으로 이용가능한 RTA 노는 AG 협회 (캘리포니아주 마운티 뷰에 있음) 로부터 이용가능한 모델 610 노이다. 또한, 용해는 실리콘 잉곳, 또는 실리콘 웨이퍼, 바람직하게는 웨이퍼에서 실행될 수도 있다.

본 발명에 맞춰 준비된 웨이퍼는 에피택셜 층이 증착될 수 있는 기판으로 사용되기에 적절하다는 것을 주의해야 한다. 에피택셜 증착은 당해 기술에서의 공통인 수단에 의해 수행될 수도 있다.

게다가, 본 발명에 맞춰 준비된 웨이퍼는, 유럽특허출원 제 503,816 A1 호에 설명된 처리와 같은 수소 또는 아르곤 어닐링 처리와 조합하여 사용되기에 적절하다는 것을 또한 주의해야한다.

응집 결함의 검출

응집 결함은 다수의 상이한 기술에 의해 검출될 수도 있다. 예를 들어, 유동 패턴 결함, 또는 D 결함은, Secco 에칭용액에서 약 30 분간 단결정 실리콘 샘플을 에칭하고, 상기 샘플을 현미경 검사를 함으로써 검출된다 (1992년 H. Yamagishi 등의 A135 반도체 과학 기술 7 참조). 응집된 정공 결함 검출에 대한 표준이지만, 상기 공정은 응집된 침입 결함을 검출하는데 사용될 수도 있다. 상기 기술이 사용될 때, 이러한 결함은 존재시 샘플의 표면에서 큰 구멍으로 보인다.

응집 결함은, 다른 에칭 기술보다 낮은 결함 밀도 검출 제한을 갖는 레이저 스캐터링 토모그래피와 같은 레이저 스캐터링 기술을 사용하여 또한 검출될 수도 있다.

또한, 응집 고유 점 결함은 이러한 결함을 열 처리시 단결정 실리콘 매트릭스내로 확산될 수 있는 금속으로 대체함으로써 시각적으로 검출될 수도 있다. 특히, 웨이퍼, 슬러그 (slugs) 또는 슬랩 (slabs) 과 같은 단결정 실리콘 샘플은 샘플의 표면을 농축된 질화 구리 용액과 같이 이러한 결함을 대체할 수 있는 금속을 함유하는 조성물로 코팅함으로써 시각적으로 검사될 수도 있다. 이후 코팅된 샘플은 금속을 샘플내로 확산시키기위해 약 900℃ 내지 약 1000℃ 온도로 약 5분 내지 약 15분동안 가열된다. 이후 열처리된 샘플은 실온으로 냉각되고, 따라서 금속은 임계 과포화되며 결함이 이는 샘플 매트릭스내에의 영역에서 침전된다.

냉각후, 샘플은 표면 잉여물 및 침전제를 제거하기위해 투명에칭액으로 약 8 내지 12 분간 샘플을 처리함으로써 비결함 표시 에칭을 받게된다. 전형적인 투명 에칭액은 약 55 퍼센트의 질산 (70 wt % 용액), 약 20 퍼센트의 플루오르화 수소산 (49% wt % 용액), 및 약 25 퍼센트의 염산을 포함한다.

이후 상기 샘플은 탈이온수로 세척되고 침수, 또는 Secco 또는 Wright 에칭액으로 약 35 내지 55 분간 처리함으로써 제 2 에칭 단계를 받게된다. 특히, 상기 샘플은 약 1:2 비율의 0.15M 중크롬산 칼륨과 염산을 포함하는 Secco 에칭액 (49 wt % 용액) 을 사용하여 에칭될 것이다. 상기 에칭 단계는 존재할 수도 있는 응집된 결함을 제거할 것이다.

정의

본 명세서에서 사용되는 바와같이, 다음의 문구 또는 용어는 아래와 같은 의미를 갖는다. "응집된 고유 점 결함" 은, (i) D 결함, 유동 패턴 결함, 게이트 산화 집적 결함, 결정 시작 입자 결함, 결정 시작 라이트 포인트 결함, 및 정공과 관련된 결함이 생성되는 정공이 응집되는 반응, 또는 (ii) 자기침입이 응집되어 변위 루프 및 네트워크, 및 자기침입과 관련된 결함이 발생하는 반응에 의한 결함을 의미한다. "응집된 침입 결함" 은, 실리콘 자기침입 원자가 응집되는 반응에 의한 응집된 고유 점 결함을 의미한다. "응집된 정공 결함" 은, 결정 격자 정공이 응집되는 반응에 의한 응집된 정공 점 결함을 의미한다. "반경" 은 중심 축으로부터 웨이퍼 또는 잉곳의 원주 에지로의 거리를 의미한다. "실질적으로 응집된 고유 점 결함이 없음" 은 이러한 결함의 검출 한도보다 적은 응집된 결함 농도를 의미하며, 현재 약 10³결함/cm³이다. "V/I 경계" 는 물질이 정공 지배영역으로부터 자기침입 지배영역으로 변경되는 잉곳 또는 웨이퍼의 반경을 따른 위치를 의미한다. "정공 지배영역" 및 "자기침입 지배영역" 은 정공 또는 자기침입이 각각 지배적으로 있는 물질을 의미한다.

예

다음의 예들은, 초크랄스키법에 맞춰 응고점으로부터 냉각될 때, 고유 점 결함 응집이 웨이퍼가 슬라이스될 수 있는 잉곳의 일정 지름부의 축방향 대칭 영역내에서 방지되는 단결정 실리콘 잉곳을 준비하기 위한 상기 공정을 예시한다.

다음의 예는 원하는 결과를 얻는데 사용될 수도 있는 조건의 한 세트를 제시한다. 주어진 결정 풀러에 대한 최적의 인상율을 결정하는데 대체 접근법이 있다. 예를 들어, 일련의 잉곳을 다양한 인상율로 성장시키지 않고, 결정의 길이를 따라 증감하는 인상율에서 단결정이 성장될 수 있다. 이 접근법에서, 응집된 자기침입 결함은 단결정 성장동안 여러번 보일 수도 안보일 수도 있다. 이후 다수의 상이한 결정 위치에 대하여 최적의 인상율이 결정될 수 있다. 따라서, 다음의 예들은 한정적인 의미로 해석되어서는 않된다.

예 1

기존재하는 고온 영역 설계를 갖는 결정 풀러용 최적화 프로시저

제 1 의 200mm 단결정 실리콘 잉곳이 인상율이 결정의 길이에 대하여 약 0.75mm/분으로부터 약 0.35mm/분으로 선형으로 램프되는 조건에서 성장되었다. 도 14 는 결정 길이 함수로서 인상율을 도시한다. 결정 풀러에서 성장하는 200mm 잉곳의 미리 확립된 축 온도 프로파일, 및 평균 축 온도 경사도에서의 방사상 변경, 즉, 용융/응고 인터페이스에서의 축 온도 경사도를 고려하여, 잉곳이 한 쪽 끝에서 중심으로부터 에지쪽으로 정공 지배물질이 되고 잉곳의 다른 쪽 끝에서 중심으로부터 에지쪽으로 침입 지배물질이 되도록 이러한 인상율이 선택되었다. 성장된 잉곳은 길이방향으로 슬라이스되고 응집된 침입 결함 형성이 시작되는 곳을 측정하기위해 분석되었다.

도 15 는, 결함 분포 패턴을 나타내는 일련의 산소 침전 열처리가 뒤따르는 잉곳의 숄더로부터 약 635mm 내지 약 760mm 범위의 섹션에 대하여 잉곳의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지이다. 약 680mm 의 결정 위치에서, 응집된 침입 결함 (28) 밴드가 관측될 수 있다. 상기 위치는 v^*(680mm) = 0.33mm/분인 임계 인상율에 해당한다. 이 때, 축방향 대칭 영역 (6) 의 폭 (침입 지재물질이지만 응집된 침입 결함이 없는 영역) 은 최대이다. 정공 지배영역 (R_V ^*(680)) (8) 의 폭은, 약 35mm 이고 축방향 대칭 영역 (R_I ^*(680)) 의 폭은 약 65mm 이다.

이후 일련의 4개 단결정 실리콘 잉곳이, 제 1 200mm 잉곳의 축방향 대칭 영역의 최대 폭이 얻어지는 성장율보다 다소 높거나 다소 낮은 정상 상태 인상율에서 설장되었다. 도 16 은 1 내지 4 로 표시된 4개 결정 각각에 대한 결정 길이 함수로서 인상율을 도시한다. 이후 이러한 4개 결정은 우선 응집된 침입 결함이 보이거나 보이지 않는 축 위치 (및 상응하는 인상율) 를 측정하기위해 분석되었다. 이러한 4개의 측정된 점 ("*" 로 표시) 이 도 16 에 도시되어 있다. 이러한 점들간의 보간 및 보외는 V^*(Z) 라는 곡선을 나타낸다. 상기 곡선은, 제 1 어림값으로, 200mm 결정에 대한 인상율을 축방향 대칭 영역이 최대 폭에 있는 결정 풀러에서의 길이 함수로서 나타낸다.

다른 인상율에서 추가 결정 성장 및 이러한 결정 분석은 V^*(Z) 의 경험적 정의를 정확히 할 것이다.

예 2

G₀(r) 의 방사상 변경의 감소

도 17 및 도 18 은 용융/응고 인터페이스 (G₀(r)) 에서 축 온도 경사도에서의 방사상 변경 감소로 얻어질 수 있는 질 향상을 도시한다. 정공 및 침입의 (용융/응고 인터페이스로부터 약 1cm) 초기 농도는 (1) G₀(r) = 2.65 + 5x10^-4r²(K/mm) 및 G₀(r) = 2.65 + 5x10^-5r²(K/mm) 인 상이한 G₀(r) 의 2가지 경우로 계산된다. 각 경우에서, 인상율은 정공 지배 실리콘 및 침입 지배 실리콘간의 경계가 반경 3cm 에 있도록 조절되었다. (1) 및 (2) 경우에 사용되는 인상율은 각각 0.4 및 0.35 mm/분이었다. 도 18 에서, 결정의 침입지배 부분에서 침입의 초기 농도는 초기 축 온도 경사도에서 반사상 변경이 감소될 때 급격히 감소되는 것이 명백하다. 이것은, 침입의 과포화로 인해 침입 결함 클러스터의 형성을 피하는 것이 보다 쉬어지기 때문에 물질의 질 향상을 가져온다.

예 3

침입에 대하여 증가된 확산소멸 시간

도 19 및 도 20 은 침입의 확산소멸 시간을 증가시킴으로써 얻어질 수 있는 질 향상을 도시한다. 침입 농도 (dT/dz) 는 결정에서 상이한 축 온도 프로파일을 갖는 2가지 경우로 계산된다. 용융/응고 인터페이스에서의 축 온도 경사도는 2가지 경우에서 동일하고, 따라서 침입의 초기 농도 (용융/응고 인터페이스로부터 약 1cm) 는 2가지 경우에서 동일하다. 상기 예에서, 전체 결정이 침입형이 되도록 인상율이 조절되었다. 인상율은 상기 2가지 경우에 대하여 0.32mm/분 이었다. 제 2 경우에서 침입 확산소멸에 대한 시간이 길어질수록 침입 농도의 전체적인 감소가 발생한다. 이것은, 침입의 과포화로 인해 침입 결함 클러스터의 형성을 피하는 것이 보다 쉬어지기 때문에 물질의 질 향상을 가져온다.

예 4

길이 700mm, 지름 150mm 의 결정이 다양한 인상율로 성장되었다. 인상율은 숄더에서 거의 선형으로 약 1.2mm/분으로부터 숄더로부터 430mm 에서 약 0.4mm/분으로 변경되었고, 이후 숄더로부터 700mm 에서 약 0.65mm/분으로 거의 선형으로 되었다. 특별한 결정 풀러에서의 이러한 조건에서, 전체 반경은 결정의 숄더로부터 약 320mm 내지 약 525mm 범위의 결정 길이에 대한 침입 조건에서 성장된다. 도 21 에서, 약 525mm 의 축 위치 및 약 0.47mm/분의 인상율로, 결정은 전체 지름에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없게 된다. 환언하면, 축방향 대칭 영역의 폭, 즉, 실질적으로 응집 결함이 없는 영역이 잉곳의 반경과 동일한 결정에서 한개의 작은 섹션만이 있다.

예 5

제 1 실시예에서 설명된 바와같이, 일련의 단결정 실리콘 잉곳은 다양한 인상율로 성장되었고 이후 침입 결함이 보이거나 보이지 않는 축 위치 (및 상응하는 인상율) 를 측정하기위해 분석되었다. 이러한 점들간의보간 및 보외를 제 1 근사값으로 곡선을 나타내며, 200mm 결정의 인상율을 축방향 대칭 영역이 최대 폭인 결정 풀러에서의 길이 함수로서 나타낸다. 이후 추가 결정이 다른 인상율에서 성장되었고 경험적으로 측정된 최적의 인상율 프로파일을 정확히 하기위해 이러한 결정의 추가 분석이 사용되었다.

이러한 데이터를 사용하고 최적의 인상율 프로파일에 따라, 길이 약 1000mm 지름 약 200mm 의 결정이 성장되었다. 이후 다양한 축 위치로부터 얻은 성장된 결정의 슬라이스는, (i) 응집된 침입 결함이 형성되었는지 여부를 측정하기위해, 및 (ii) 슬라이스의 반경 함수로서 V/I 경계 위치를 측정하기위해 당해 기술에서 표준인 산소 침전법을 사용하여 분석되었다. 이러한 방식으로, 상기 영역의 폭을 결정 길이 또는 위치의 함수로 뿐만 아니라 축방향 대칭 영역의 존재가 측정되었다.

잉곳의 숄더로부터 약 200mm 내지 약 950mm 에 이르는 축 위치로부터 얻어진 결과가 도 22 그래프에 도시된다. 이러한 결과는, 잉곳의 일정 지름부가 원주 에지로부터 잉곳의 중심축쪽으로 측정된 바와같은 폭을 갖는 축방향 대칭 영역을 포함할 수도 있는 단결정 실리콘 잉곳을 나타내며, 상기 폭은 일정 지름부의 반경 길이의 적어도 약 40% 이다. 또한, 이러한 결과는, 상기 축방향 대칭 영역이 잉곳의 중심축을 따라 측정된 바와같은 길이를 가질 수도 있다는 것을 나타내며, 상기 길이는 잉곳의 일정 지름부 길이의 약 75% 이다.

예 6

단결정 실리콘 잉곳은 감소하는 인상율로 약 1100mm 길이 및 지름 약 150mm 를 갖는다. 잉곳의 일정 지름부의 숄더에서 인상율은 약 1mm/분이었다. 인상율은 약 0.4mm/분으로 감소되었고, 이것은 숄더로부터 약 200mm 의 축 위치에 상응한다. 이후 인상율은 약 0.3mm/분 의 인상율이 잉곳의 일정 지름부의 끝 근처에 이를 때까지 선형으로 감소되었다.

특별한 고온 영역 구성에서의 이러한 공정 조건에서, 잉곳은 축방향 대칭 영역이 잉곳의 반경과 동일한 폭을 갖는 영역을 포함한다. 일련의 산소 침전 열처리가 뒤따르는 잉곳 일부의 축 절단의 소수 캐리어 수명의 스캔에 의한 이미지인 도 23a 및 도 23b 에서, 약 100mm 내지 약 250mm 범위 및 약 250mm 내지 약 400mm 범위의 축 위치에 있는 잉곳의 연속적인 세그먼트가 존재한다. 상기 도로서, 숄더로부터 전체 지름에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 약 170mm 내지 약 290mm 범위의 영역이 잉곳내에 존재하는 것을 알 수 있다. 환언하면, 축방향 대칭 영영의 폭이 잉곳의 반경과 동일한 영역, 즉 실질적으로 응집된 침입 결함이 없는 영역이 잉곳내에 존재한다.

또한, 축 위치로부터 약 125mm 내지 약 170mm 범위 및 약 290mm 로부터 400mm 이상 범위의 영역에서, 응집된 고유 점 결함이 또한 없는 정공 지배물질의 원통형 코어를 둘러싸는 응집된 고유 점 결함이 없는 침입 지배물질의 축방향 대칭 영역이 있다.

마지막으로, 약 100mm 내지 약 125mm 범위의 축 위치의 영역에서, 일반적으로 정공 지배물질의 원통형 코어를 둘러싸는 응집된 결함이 없는 침입 지배물질의 축방향 대칭 영역이 있다. 정공지배물질내에서, 응집된 정공 결함을 포함하는 코어를 둘러싸는 응집된 결함이 없는 축방향 대칭 영역이 있다.

예 7

냉각율 및 V/I 경계의 위치

일련의 단결정 실리콘 잉곳 (통상 지름 150mm 및 200mm) 는, 약 1050℃ 를 넘는 온도에서 실리콘의 잔여 시간에 영향을 끼치는 당해 기술에서 흔한 수단으로 설계된 상이한 고온 영역 구성을 이용하여 초크랄스키법에 따라 성장되었다. 각 잉곳에 대한 인상율 프로파일은 응집된 정공 점 결함 영역으로부터 응집된 침입 점 결함 영역으로의 천이를 생성하기위해 잉곳 길이를 따라 변경되었다.

성장후, 잉곳은 성장방향과 평행한 중심축을 따라 길이방향으로 절단되고, 두께 약 2mm 의 섹션으로 각각 분리되었다. 상기한 구리 대체 기술을 사용하여, 이러한 길이방향 섹션의 한 세트가 가열되었고 의도적으로 구리로 오염되었으며, 가열 조건은 구리 침입의 고농도 용해에 대하여 적절하다. 열처리 이후에, 산화 클러스터 또는 응집된 침입 결함이 존재하는 영역에서 구리 불순물이 확산소멸되거나 침전되는 시간동안 샘플은 급속히 냉각되었다. 표준 결함 에칭이후, 샘플은 침전된 불순물 존재에 대하여 시각적으로 검사되었다. 이러한 침전된 불순물이 없는 영역은 응집된 침입 결함이 없는 영역에 상응한다.

또다른 세트의 길이방향 섹션은 캐리어 수명 매핑에 앞서 새로운 산화 클러스터의 성장 및 결정핵 생성이 발생하도록 일련의 산소 침전 열처리를 받는다. 각 잉곳의 다양한 축 위치에서 순간 용융/응고 인터페이스의 형태를 측정하고 결정하기위해 수명 매핑의 대조 밴드가 이용된다. 이후 용융/응고 인터페이스 형태에 관한 정보가 아래 설명되는 바와같이 사용되어 평균 축 온도 경사도 (G₀) 에서의 절대값 및 방사상 변경을 예측한다. v/G₀에서의 방사상 변경을 측정하기위해 인상율에 맞춰, 상기 정보가 또한 이용된다.

효과를 보다 정밀하게 조사하기위해, 성장 조건은 단결정 실리콘 잉곳 질을 갖고, 지금까지 이용가능한 실험 증거에 의거하여 정당한 것으로 보이는 여러가지 가정이 이루어졌다. 우선, 응집된 침입 결함이 발생하는 온도로 냉각하는데 걸리는 시간이라는 점에서 열 히스토리 처리를 간략하게 하기위해, 응집된 실리콘 자기침입이 발생하는 온도에 대하여 약 1050℃ 가 적절하다고 가정되었다. 상기 온도는 상이한 냉각율이 사용되는 실험동안 관측되는 응집된 침입 결함 밀도의 변화와 부합되는듯하다. 그럼에도 불구하고, 상기한 바와같이, 응집 발생 여부는 침입 농도의 인자이지만, 초크랄스키 성장 공정에 특정한 침입 농도 범위에서, 1050℃ 이상의 온도에서 응집은 발생하지 않을 것이며, 그 이유는 시스템이 사잇 온도 이상에서 임계 과포화되지 않을 거라 가정하는 것이 합리적이기 때문이다. 환언하면, 초크랄스키형 성장 공정에 특정한 침입 농도에 대하여, 시스템이 임계 과포화되지 않을 것이며 따라서 약 1050℃ 이상의 온도에서 응집 이벤트가 발생하지 않는다고 가정하는 것이 합리적이다.

단결정 실리콘 질에서의 성장 조건 효과를 매개변수화하는 제 2 가정은 실리콘 자기침입 확산성의 온도 의존성이 무시할만하다는 것이다. 환언하면, 자기침입은 약 1400℃ 내지 약 1050℃ 간의 모든 온도에서 동일한 속도로 확산된다고 가정된다. 약 1050℃ 가 응집 온도로서 적절한 근사값이라고 고려되는 것을 이해할 때, 상기 가정의 요지는 용융점으로부터의 냉각 곡선의 상세는 문제되지 않는다는 것이다. 확산 거리는 용융점으로부터 약 1050℃ 으로의 냉각에 소모된 전체 시간에만 의존한다.

각 고온 영역 설계에 대하여 축 온도 프로파일 데이터, 및 특정한 잉곳에 대하여 실제 인상율 프로파일을 사용하여, 약 1400℃ 으로부터 약 1050℃ 으로의 전체 냉각 시간이 계산될 수도 있다. 온도가 각 고온 영역에 대하여 변하는 속도가 균등하다는 것을 주의해야한다. 상기 균등하다는 것은, 결정핵 응집된 침입 결함에 대한 생성 온도, 즉, 약 1050℃ 선택시 어떠한 에러도 논쟁의 여지가 있는 계산된 냉각시간에서 스케일링된 에러라는 것이다.

잉곳의 정공 지배영역의 방사 정도 (R_vacancy), 또는 대체하여 축방향 대칭 영역의 폭을 측정하기위해, 정공 지배 코어의 반경이, 수명 맵에서 측정된 바와같이, v/G₀= v/G₀임계인 응고점일 때와 같다고 또한 가정된다. 환언하면, 축방향 대칭 영역 폭은 일반적으로 실온으로 냉각후 V/I 경계 위치에 의거한다고 가정된다. 상기한 바와같이, 이것은, 잉곳이 냉각될 때 정공과 실리콘 자기침입의 재결합이 발생할 수도 있기 때문에 명백해진다. 재결합이 발생할 때, V/I 경계의 실제 위치는 잉곳의 중심축쪽으로 천이한다. 이것이 최종 위치이다.

G₀를 쉽게 계산하기위해, 결정에서 응고시 평균 축 온도 경사도, 용융/응고 인터페이스 형태는 용융점 등온선이라는 것이 가정된다. 결정 표면 온도는 유한 소자 모델링 (FEA) 기술 및 고온 영역 설계의 상세를 이용하여 계산된다. 결정내의 전체 온도 필드, 및 따라서 G₀는 라플라스 공식을 적절한 경계 조건, 즉 용융/응고 인터페이스를 따른 용융점 및 결정 축을 따른 표면 온도에 대한 FEA 결과와 함께 풀어 추론된다. 준비되고 평가된 잉곳중 한개로부터의 다양한 축 위치에서 얻어진 결과는 도 25 에 도시된다.

G₀의 방사상 변경이 초기 침입 농도에 대한 효과를 측정하기위해, 방사상 위치 (R'), 즉, V/I 경계와 결정 표면중간의 위치는 잉곳내의 싱크로부터 실리콘 자기침입이 있을 수 있는 가장 떨어진 위치라고 가정되며, 상기 싱크는 정공지배영역내에 또는 결정 표면위에 있다. 상기 잉곳에 대한 성장율과 G₀데이터를 사용함으로써, 위치 (R') 에서 계산된 v/G₀및 V/I 경계에서의 v/G₀(즉, 임계 v/G₀) 간의 차이는, 결정 표면위의 싱크 또는 정공 지배영역에 이르기위해 과다 침입할 수 있는 효과뿐만 아니라 초기 침입 농도의 방사상 변경을 나타낸다.

이러한 특정 데이터 세트에 대하여, 방사상 변경 (v/G₀) 에서 결정 질의 체계적 의존성은 없는 것으로 보인다. 도 26 에서 알 수 있듯이, 잉곳의 축 의존성은 상기 샘플에서 최소이다. 일련의 실험에서 관련된 성장 조건은 방사상 변경 (G₀) 의 상당히 좁은 범위를 나타낸다. 그 결과, 상기 데이터 세트는 너무 좁기에 방사상 변경 (G₀) 에서 결정 질 분별 의존성 (즉, 응집된 고유 점 결함 밴드의 존재 여부) 을 해결하지 못한다.

상기한 바와같이, 준비된 각 잉곳의 샘플은 응집된 침입 결함 여부를 위해 다양한 축 위치에서 평가되었다. 검사된 각 축 위치에서, 샘플의 질 및 축방향 대칭 영역의 폭간에 상호연관이 있을 수도 있다. 도 27 에서, 주어진 샘플의 질을, 특정한 축 위치에서 응고점으로부터 약 1050℃ 로 냉각되는 시간에 비교하는 그래프가 있을 수 있다. 예상할 수 있듯이, 상기 그래프는 축방향 대칭 영역 (R_crystal- R_vacancy) 의 폭이 주어진 특정 온도 범위에서 샘플의 냉각 히스토리에 크게 의존한다는 것을 나타낸다. 축방향 대칭 영역 폭이 증가하는 순서로, 확산 시간이 길어지거나, 또는 냉각율이 느려지는 것이 필요하다는 것을 보여준다.

상기 그래프에 나타난 데이터에 의거하여, 좋은 질 (즉, 결함이 없음) 로부터 불량한 질 (결함이 있음) 로인 실리콘 질의 천이를 나타내는 최적의 선이, 이러한 특정 온도 범위에서 주어진 잉곳에 대하여 허용된 냉각시간 함수로서 계산될 수도 있다.

축방향 대칭 영역의 폭과 냉각율간의 일반적인 관계는 아래와 같은 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서, R_crystal은 잉곳 반경이며, R_transition은 결함이 없는 침입 지배물질로부터 결함이 있는 물질로, 또는 그 반대로의 천이가 발생하는 샘플의 축 위치에서 축방향 대칭 영역의 반경이고, D_eff는 약 9.3 × 10^-4cm²sec^-1인 상수이며, 침입 확산성의 온도 및 평균 시간을 나타내고, t_1050℃는 응고점으로부터 약 1050℃ 으로 냉각하기 위해 샘플의 주어진 축 위치에 대하여 필요한 시간이다.

도 27 에서, 주어진 잉곳 지름에 대하여, 원하는 지름의 축방향 대칭 영역을 얻기위해 냉각시간이 측정될 수도 있다. 예를 들어, 약 150mm 지름를 갖는 잉곳에 대하여, 상기 잉곳의 특정 부분이 약 10 내지 약 15 시간동안 냉각될 수 있다면, 약 1410℃ 내지 약 1050℃ 의 온도범위에서 잉곳의 반경과 대략 같은 폭을 갖는 축방향 대칭 영역이 얻어질 수도 있다. 유사하게, 지름 약 200mm 를 갖는 잉곳에 대하여, 상기 잉곳의 특정 부분이 약 25 내지 약 35 시간동안 냉각될 수 있다면, 상기 온도범위에서 잉곳의 반경과 대략 같은 폭을 갖는 축방향 대칭 영역이 얻어질 수도 있다. 이 선이 더 보외된다면, 지름 약 300mm 를 갖는 잉곳의 반경과 약 동일한 폭을 갖는 축방향 대칭 영역을 얻기 위해 약 65 내지 75시간인 냉각시간이 필요할 수도 있다. 이러한 점을 고려할 때, 잉곳 지름이 증가할 때, 잉곳 표면에서의 싱크에 도달하기위해 또는 정공 코어에 도달하기위해 침입이 확산해야 하는 거리 증가때문에 추가 냉각시간이 필요하다는 것을 주의해야한다.

도 28, 29, 30, 및 31 에서, 다양한 잉곳에 대하여 증가된 냉각 시간의 효과가 관측될 수 있다. 각 도는, 도 28 내지 도31 에서 급진적으로 증가하는 응고 온도로부터 1050℃ 로인 냉긱시간으로 통상 200mm 지름을 갖는 잉곳의 일부를 나타낸다.

도 28 에서, 축 위치가 숄더로부터 약 235mm 내지 약 350mm 인 잉곳의 일부가 도시된다. 약 255mm 의 축 위치에서, 응집된 침입 결함이 없는 축방향 대칭 영역 폭이 최대이며, 잉곳 반경의 약 45% 이다. 상기 위치를 벗어나, 이러한 결함이 없는 영역으로부터 결함이 존재하는 영역으로의 천이가 발생한다.

도 29 에서, 축 위치가 숄더로부터 약 305mm 내지 약 460mm 인 잉곳의 일부가 도시된다. 약 360mm 의 축 위치에서, 응집된 침입 결함이 없는 축방향 대칭 영역 폭이 최대이며, 잉곳 반경의 약 65% 이다. 상기 위치를 벗어나, 결함 형성이 시작된다.

도 30 에서, 축 위치가 숄더로부터 약 140mm 내지 약 275mm 인 잉곳의 일부가 도시된다. 약 210mm 의 축 위치에서, 축방향 대칭 영역 폭은 잉곳 반경과 대략 같으며, 즉, 상기 범위에서 잉곳의 작은 일부는 응집된 고유 점 결함이 없는다는 것이다.

도 31 에서, 축 위치가 숄더로부터 약 600mm 내지 약 730mm 인 잉곳의 일부가 도시된다. 약 640mm 내지 약 665mm 의 축 위치에 대하여, 축방향 대칭 영역 폭은 잉곳 반경과 대략 같다. 또한, 축방향 대칭 영역의 폭이 잉곳 반경과 대략 같은 잉곳 세그먼트의 길이는 도 30 의 잉곳에서 관측되는 것보다 길다.

따라서, 도 28, 29, 30, 및 31 을 조합하여 볼 때, 결함이 없는 축방향 대칭 영역의 폭과 길이에 대한 1050℃ 로의 냉각시간 효과를 나타낸다. 일반적으로, 응집된 침입 결함을 포함하는 영역은 결정 인상율의 계속되는 감소 결과로서 발생하며 결정의 상기 부분의 냉각시간을 줄이기에는 매우 상당한 초기 침입 농도가 야기된다. 축방향 대칭 영역의 길이가 길수록 결함이 없는 물질의 성장에 대하여 보다 넓은 범위의 인상율 (즉, 초기 침입 농도) 이 이용가능하다. 냉각시간을 증가시킴으로써 초기에 보다 높은 침입 농도가 가능해지며, 농도를 침입 결함의 응집에 필요한 임계 농도이하로 억제하기위해 방사상 확산을 위한 충분한 시간이 얻어질 수도 있다. 환언하면, 냉각시간을 늘리기위해, 보다 낮은 인상율 (그리고, 보다 높은 초기 침입 농도) 로 인해 최대 축방향 대칭 영역 (6) 이 발생할 것이다. 따라서, 냉각시간을 더 늘림으로써 최대 축방향 대칭 영역 지름에 필요한 조건에 대하여 이용가능한 인상율 변경을 증가시키고 공정 제어에서의 제한요소를 쉽게할 수 있다. 그 결과, 잉곳의 긴 길이에 대하여 축방향 대칭 영역을 위한 공정은 보다 수월해진다.

도 31 에서, 결정의 숄더로부터 약 665mm 내지 약 730mm 범위의 축 위치에 대하여, 응집된 결함이 없는 정공 지배물질 영역은 상기 영역 폭이 잉곳의 반경과 동일한 곳에 존재한다.

본 발명의 결정 풀러

도 32 에서, 잉곳의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 상기 한 공정에 따르는 단결정 실리콘 및 웨이퍼를 제조하기 위한 본 발명의 결정 풀러가 일반적으로 참조 번호 121 로 지시되어 있다. 결정 풀러 (121) 는 초크랄스키 법에 따라 단결정 실리콘 잉곳 (예를 들어, 도 32 의 잉곳 (I)) 을 성장시키는데 사용되는 형태의 것이 바람직하다. 결정 풀러 (121) 는 일반적으로 실린더형인 성장 챔버 (127), 상기 성장 챔버 위에 있는 일반적으로 실린더형인 풀 챔버 (pull chamber; 129), 및 상기 성장 챔버 및 풀 챔버를 연결하는 돔 형 (dome-shaped) 의 전이 부분 (132) 를 구비한다. 풀 챔버 (129) 는 성장 챔버 (127) 보다 작은 가로축 치수를 가진다. 성장 챔버 (127) 내에 배치된 석영 도가니 (131) 는 용융 반도체 소스 재료 (M; 예를 들어, 실리콘) 를 담고 있는데, 이 소스 재료로부터 단결정 실리콘 잉곳 (I) 가 성장한다. 도가니 (131) 는 실린더 형 측벽 (133) 을 포함하고 수직축 둘레에서의 회전을 위해 턴테이블 (135) 상에 탑재된다. 도가니 (131) 은 또한, 잉곳 (I) 가 성장하고 소스 재료가 용융체로부터 제거될 때 용융 소스 재료 (M) 의 표면이 동일한 높이를 유지하도록 성장 챔버 (127) 내에서 상승될 수 있다.

도가니 (131) 내의 소스 재료 (M) 을 용융시키기 위한 도가니 히터는, 일반적으로 참조 번호 137 로 지시되는데, 도가니 측벽 (33) 과 방사상으로 간격을 둔 상태에서 도가니를 둘러싸는 일반적으로 수직방향으로 된 발열체 (139) 를 포함한다. 이 발열체 (139) 는 소스 재료 (M) 의 용융점 이상의 온도로 도가니 (131) 을 가열한다. 절연물 (141) 은 하우징 (125) 의 내부에 열을 가두어 두도록 배치된다. 또한, 냉각수의 순환을 허용하기 위해, 상부 풀 챔버 (129) 를 포함하여 하우징 (125) 내에 통로가 있다. 이들 통로 중 일부가 도 32 에 참조 번호 (143) 을 지정되어 있다.

인상 장치 (pulling mechanism) 는 상승, 하강 및 회전할 수 있는 풀 챔버 (129) 위의 장치 (도시되어 있지 않음) 로부터 연장된 풀 샤프트 (pull shaft; 145) 를 포함한다. 결정 풀러 (121) 는 풀러의 형태에 따라 샤프트 (145) 라기 보다도 풀 와이어 (도시되어 있지 않음) 를 가질 수도 있다. 풀 샤프트 (145) 는 단결정 잉곳 (I) 을 성장시키기 위해 사용되는 시드 결정 (149) 를 홀딩하는 시드 결정 처크 (147) 에서 끝난다. 풀 샤프트 (145) 는 시드 처크 (147) 및 잉곳 (I) 의 상승된 위치의 예를 분명히 나타내기 위해 도 32 에서 부분적으로 절단된 형태로 나타나 있다. 하우징 (125) 의 돔 전이 부분 (132) 에서의 관찰 포트 (view port; 148) 카메라 제어 장치 (도시 않됨) 와 같은 종래 잉곳 직경 제어 장치에 의해서 용융 소스 재료 (M) 의 용융체 표면과 잉곳 (I) 사이의 액체/고체 계면에 대한 관찰을 위해 제공된다. 관찰 포트 (148) 로부터 잉곳 (I) 의 액체/고체 계면으로의 시선 (L) 은 도 32 에서 점선으로 나타나 있다. 잉곳 직경 제어 장치를 포함하여, 결정 풀러 (121) 의 일반적인 구성 및 동작은 본 기술 분야의 통상적인 기술을 가진 자에게 잘 알려져 있어서 아래에서 상세하게 설명된 것이외에는 더 이상 설명하지 않을 것이다.

본 발명의 결정 풀러 (121) 에서의 사용을 위한 전기 저항 히터 (123) 는, 하우징 (125) 의 상부 풀 챔버 (129) 내에 탑재된 일반적으로 관 모양으로 된 발열체 (151) 를 구비한다. 발열체 (151) 의 중앙 개구 (153) 는, 성장 중인 잉곳 (I) 이 풀러 (121) 의 하우징 (125) 를 통해 위로 인상될 때, 발열체를 통해 중앙으로 통과하도록 허용한다. 본 실시예에서, 발열체 (151) 는 바람직하게는, 결정 성장 챔버 (127) 로 작은 거리만큼 아래로 연장되어, 용융 소스 재료 (M) 을 포함하는 도가니 (131) 위에서 실질적으로 끝난다. 특히, 발열체 (151) 의 저부는 용융체 표면 위로 충분하게 간격을 두고 있어서, 발열체가 관찰 포트 (148) 을 통한 잉곳 직경 제어 장치의 시선 (L) 을 가로막지 않도록 한다. 예를 들어, 200 mm 의 직경을 갖는 잉곳 (I) 을 성장시키기 위해 사용되는 결정 풀러에서, 히터의 발열체 (151) 는 바람직하게는, 용융체 표면 위의 약 300 mm 에서 끝난다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 발열체 전체가 풀 챔버 (129) 내에 위치하도록 발열체 (151) 가 성장 챔버 (127) 로 아래로 연장될 필요가 전혀 없다는 것을 이해하여야한다.

성장하는 잉곳 (I) 에 방사될 소정 열의 량 및 상기 열이 방사될 잉곳의 축방향 부분에 근거하여 발열체가 풀 챔버 (129) 내에서 소정 높이만큼 연장되도록 발열체 (151) 의 길이가 정해진다. 일반적으로, 발열체 (151) 의 길이가 증가함에 따라, 1050 ℃ 위의 온도에서의 이곳의 체재 시간은 또한 증가한다. 예를 들어, 발열체는 바람직하게는 약 300 mm 보다 큰 길이를 가질 수 있다. 그러나, 발열체 (151) 는 실질적으로 풀 챔버 (129) 의 전체 높이에 연장되도록 크기가 정해져서 풀 챔버 내에 연장된 완전히 성장한 잉곳의 전체 길이가 그 전체 성장 기간동안에 1050 ℃ 위의 온도에서 풀 챔버 내에 유지될 수 있도록 할 수 있다.

도 2 에 나타난 바와 같이, 발열체 (151) 는, 나란히 배치되어 전기 회로를 형성하도록 서로 연결된 수직 방향의 히팅 세그먼트 (155) 들을 구비한다. 특히, 각각, 참조 번호 157 및 159 로 지정된, 인접한 히팅 세그먼트 (155) 의 상단부 및 하단부는 연속적인 구불구불한 구성으로 서로 교대로 연결되어 닫힌 기하학적 형상을 형성하는데, 본 실시예에서는 실린더 형으로 되어 있다. 마주보는 탑재 브래킷 (mounting bracket; 161) 은, 발열체 (151) 의 상부에 연결되어 히팅 세그먼트와 전기적으로 접속되어 있고, 풀 챔버 (129) 내의 하우징 (125) 상에 히터 (123) 을 탑재하기 위해 발열체로부터 위로 연장되어 있다. 하우징 (125) 내의 개구 (도시 않됨) 는, 발열체 (151) 를 통해 전류가 흐르도록 탑재 브래킷과 접속하기 위한 개구를 통하여 뻗은 종래의 전극 (도시 않됨) 에 의해 탑재 브래킷 (161) 이 전류의 소스 (도시 않됨) 에 전기적으로 접속되도록 허용한다. 바람직하게는 흑연 (graphite) 으로 구성된, 관 모양의 열 실드 (heat shield; 163) 는, 일반적으로, 발열체 (151) 와 상부 풀 챔버 (129) 의 벽 사이에 배치되어 하우징 (125) 에 의한 발열체의 냉각을 방지하도록 한다.

발열체 (151) 는 전류의 흐름에 대한 저항을 제공하는 비오염성 저항 발열 재료 (non-contaminating resistive heating material) 로 구성되는데, 발열체에 의해 발생된 파워 출력은 재료의 전기 저항와 함께 증가한다. 특별히 바람직한 저항 발열 재료는 고순도의 압출된 흑연이다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 발열체 (151) 는 실리콘 카바이드 코팅 흑연, 이소몰딩된 (isomoled) 흑연, 탄소 섬유 복합물, 텅스텐, 금속 또는 다른 적당한 재료들로 구성될 수 있다. 또한, 발열체 (151) 는 석영 튜브 상에 감싸여진, 텅스텐 또는 몰리브덴 와이어와 같은 와이어로 구성되어 발열 코일 (도시되어 있지 않음) 을 형성할 수도 있다. 코일들 사이의 간격은 발열체 (151) 의 파워 출력 프로파일을 형성하도록 변할 수 있다. 발열체 (151) 는 바람직하게는 1000 ℃ - 1100 ℃ 의 범위의 온도에서 열을 방출할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 더 높은 온도를 발생시킬 수 있는 발열체가 사용되고 유지될 수 있다.

도 34 및 35 는, 발열체 (151) 의 히팅 세그먼트 (155) 가 다양한 길이를 가지고 있고, 상기 세그먼트의 상단부 (157) 가 발열체의 상단부에서 발열체의 둘레 주위로 함께 평평하게 되어 있고, 상기 세그먼트의 하단부 (159) 가 상기 세그먼트의 다양항 길이 때문에 서로에 대해 수직으로 엇갈리게되어 있는 히터의 또다른 실시예를 나타낸다. 가장 긴 세그먼트 (165) 의 하단부 (159) 는 발열체 (151) 의 저부를 규정한다. 이와 같이 히팅 세그먼트의 길이를 다양하게 함으로써, 발열체 (151) 의 높이에 따라 프로파일된 발열 파워 출력을 제공하게 되고, 성장하는 잉곳 (I) 의 냉각 속도를 더 양호하게 프로파일하기 위해 상기 발열 파워 출력은 발열체의 저부로부터 상단부로 증가한다.

발열체 (151) 의 구성하는 바람직한 방법에서, 구불구불한 구성을 규정하도록, 수직으로 연장된 슬롯이 저항성 발열 재료로 구성된 튜브 (도시 않됨) 안으로 베어져 있다. 특히, 아래로 연장된 슬롯 (169) 이 발열체 (151) 의 상단부로부터 아래로 연장되어 세그먼트 (155) 의 하단부 (159) 에 못미쳐 끝나서, 인접한 세그먼트가 하단부에서 서로 연결되도록 한다. 위로 연장된 슬롯 (171) 은 세그먼트 (155) 의 하단부 (159) 로부터 위로 연장되어 발열체 (151) 의 상단부에 못미쳐 끝나서, 인접한 세그먼트가 이들 세그먼트들의 상단부 (157) 에서 서로 연결되도록 한다. 발열체 (151) 의 둘레 주위에서 아래로 및 위로 연장되는 슬롯 (169, 171) 을 교대시킴으로써 발열체를 구불구불한 구성으로 만든다. 도 34 및 35 의 실시예에서와 같이, 발열체 (155) 의 길이가 일정하지 않은 경우에는, 상기 튜브에서 수직으로 연장된 슬롯 (169, 171) 을 베어내기 전에, 튜브 (도시 않됨) 의 부분들은, 일반적으로 히팅 세그먼트 (155) 의 하단부 (159) 의 계단형 구성을 규정하도록 절단된다.

동작에 있어서는, 다결정 실리콘 ("폴리실리콘") 이 도가니 (131) 에 담겨지고, 도가니 히터 (137) 로부터 방사된 열에 의해 용융된다. 시드 결정 (149) 이 용융 실리콘 (M) 과 접촉하게 되어 단결정 실리콘 잉곳 (I) 이 인상 장치를 통해 느리게 인상됨으로써 성장한다. 성장하는 잉곳 (I) 은 용융체로부터 인상될 때, 즉시 냉각되기 시작하여, 하부 결정 성장 챔버 (127) 를 통해 위로 인상됨에 따라 계속해서 냉각된다. 잉곳 (I) 의 부분들이 발열체 (151) 의 저부와 방사상의 등록 (registration) 될 때, 더이상의 냉각 속도를 감소시키기 위해 잉곳의 이 부분들로 발열체에 의해서 열이 방출된다.

적어도 1000 ℃ - 1100 ℃ 의 온도에서 잉곳 (I) 으로 열을 방사함으로써, 응고 온도 (예를 들어, 1400 ℃ 를 넘는 온도) 와 1050 ℃ 사이에서의 잉곳의 냉각 속도는 실질적으로 감소되고, 그에 따라 1050 ℃ 를 초과하는 온도에서 잉곳이 체재하는 시간을 증가시키게 된다. 잉곳의 부분들이 상대적으로 긴 시간동안 1050 ℃ 위의 온도에서 유지될 때, 자기 침입의 방사상 확산이 발생하여 침입 결함의 응집에 요구되는 임계 농도 아래로 농도를 억제한다. 이와 같이, 잉곳의 실질적인 방사상 부분이 침입 지배 영역이고, 응집된 고유 점 결함이 없는 잉곳이 제조된다. 전술한 바와 같이, 잉곳의 온도가 1050 ℃ 을 넘는 온도에서 더 길게 체재할수록, 응집된 고유 점 결함이 없는 잉곳의 방사상 부분이 증가한다.

예를 들어, 전술한 형태의 결정 풀러 (121) 내에서 초크랄스키법에 따르는 3 개의 단결정 실리콘 잉곳 (I) 의 성장을 시뮬레이팅하기 위해 , 유한 요소 모델 분석법이 수행되었는데, 각각은 200 mm 의 직경을 가지고 있다. 각각의 잉곳은 0.3 mm/분 의 인상율 (pull rate) 로 성장하였다. 제 1 잉곳 (I) 의 성장은 풀러 하우징 (125) 의 상부 풀 챔버 (129) 내에 히터 (123) 없이 시뮬레이팅되었다. 제 2 잉곳 (I) 의 성장을 시뮬레이팅하기 위해 전술한 바와 같은 전기 저항 히터 (123) 가 모델링되었다. 이 히터 (123) 는 용융체 표면 위로 493 mm 의 높이로성장 챔버 (127) 을 향해 아래로 연장되면서 약 350 mm 이 길이를 가졌다. 제 3 잉곳 (I) 은 실질적으로 더 긴 히터 (123) 를 포함하는 결정 풀러 (121) 내에서 성장하였는데, 이 히터는 약 500 mm 의 길이를 가졌고 용융체 표면 위로 493 mm 의 높이로 성장 챔버 (127) 을 향해 아래로 연장되어 있다.

도 36, 37 및 38 에서, 잉곳의 온도와 하우징 내의 다양한 구조가 기록되었고, 잉곳의 냉각 패턴을 지시하도록 등온선이 도시되었다. 각각의 도면에서, 주어진 온도는 °K 로 되어 있다. 어떠한 등온선도 직접 1050 ℃ 를 나타내지 않는다. 그러나, 비교를 하면, 1050 ℃ 등온선의 대략적 위치가, 각 도면에서 점선으로 지시된 바와 같이, 숫자 10 과 11 로 지시된 등온선 사이에 위치할 것이다.

(상부 풀 챔버 내에 추가적인 히터가 없이 성장한 잉곳에 해당하는) 도 36 에서, 1050 ℃ 를 나타내는 등온선이 용융체 표면 위로 약 250 mm 만큼 간격을 두고 있으며, 잉곳의 급속 냉각을 나타내고 있다. 0.3 mm/분의 인상 속도에 대해서, 이것은 약 14 시간의 1050 ℃ 를 넘는 온도에서의 체재 시간을 나타낸다.

히터 (121) 가 제 2 성장 시뮬레이션에서 사용될 때, 도 37 에 나타난 바와 같이, 1050 ℃ 를 나타내는 등온선이 용융체 표면 위로 600 mm 이상 만큼 간격을 두고 있다. 0.3 mm/분 의 인상 속도에서, 성장하는 잉곳의 온도는 33 시간 이상의 기간 동안 1050 ℃ 을 넘는 온도에서 체재할 것이다. 예 7 에 관하여 설명한 바와 같이, 이 시간은, 잉곳의 전체 반경을 따라 실질적으로 응집된 고유 점 결함이 없는 잉곳을 제조하는 데 바람직한 범위 내에 있다. 도 38 에 나타난 바와 같이, 히터의 길이를 증가시키는 것은 용융체 표면 위로 1050 ℃ 등온선의 높이를 약 900 mm 로 증가시키고, 약 50 시간의 1050 ℃ 를 넘는 온도에서의 잉곳 체재 시간을 초래한다. 도 39 는, 유한 요소법에 의해 만들어진 3 개의 잉곳의 축 온도 프로파일을 비교한 도면이다.

전술한 것으로부터, 여기서 설명된 결정 풀러는 본 발명의 다양한 목적을 만족시키고 다른 유리한 결과를 달성한다는 것을 알 수 있다. 탑재된 발열체 (151) 을 갖고 상부 풀 챔버 내에서 연장된 히터 (123) 는 잉곳의 냉각 속도를 실질적으로 감소시키고 1050 ℃ 를 넘는 온도에서 잉곳 온도가 체재하는 시간을 증가시키기 위해, 성장 하는 잉곳의 충분한 축방향 부분을 따라 열을 방사하도록 적절히 크기가 정해진다. 특히, 잉곳 (I) 이 1050 ℃ 를 넘는 온도에서 체재하는 시간이 충분하게 길어서 잉곳의 실질적으로 전체 반경을 따라 응집된 고유 점 결함을 갖지 않도록 발열체 (151) 의 크기가 정해진다. 발열체 (151) 의 길이를 증가시키는 것은 또한, 결정의 인상 속도가 증가되도록 (그러나 침입 지배형 실리콘 이 성장하는 속도의 범위 내에 유지됨) 허용하여 생산 능력을 향상시키도록 한다.

중요하게는, 하우징 (125) 의 상부 풀 챔버 (129) 내에 히터 (123) 를 탑재하여 연장시킴으로써, 발열체 (151) 는 하부 성장 챔버 (127) 내에 실질적인 공간을 차지하지 않고서 소정의 길이로 크기가 정해진다. 이것은, 성장 챔버 (127) 내에 추가적인 공간을 요구하지 않고 또, 관찰 포트 (148) 으로부터 액체/고체 계면으로의 시선을 방해하지 않으면서, 히터 (123) 가 종래 결정 풀러에 탑재되도록 허용한다. 따라서, 하우징 내의 공간 부족과 관련된 크기의 제한은 극복된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다양한 변형례들이 사기 구성에 있어서 이루어질 수 있으므로, 상기한 설명과 첨부된 도면에 나타난 모든 사항들은 예시적 의미로 해석되는 것이지 한정적 의미로 해석되어서는 않된다.

Claims (10)

1. 잉곳의 반경의 실질적인 부분에 걸쳐 응집된 고유 점 결함이 없는 단결정 실리콘 잉곳을 초크랄스키 법에 따라 성장시키기 위한 결정 풀러로서,

   하부 성장 챔버와 상기 성장 챔버보다 더 작은 가로축 치수를 갖는 상부 풀 챔버를 갖는 내부를 한정하는 하우징,

   용융 실리콘을 포함하기 위한, 상기 하우징의 상기 성장 챔버 내의 도가니,

   성장하는 잉곳을 용융 실리콘으로부터 상기 성장 챔버 및 풀 챔버를 통해 위로 인상하기 위한 인상 장치, 및

   상기 잉곳이 상기 풀 챔버 내에서 상기 용융 실리콘에 대해서 위로 인상될 때 상기 잉곳으로 열을 방사하기 위해서 상기 성장하는 잉곳의 외부 표면과 방사상으로 간격을 둔 상태에서 적어도 부분적으로 상기 하우징의 상기 상부 풀 챔버 내에 배치되도록 크기와 형상이 정해진 발열체를 갖는 전기 저항 히터를 구비하고, 상기 발열체가 상기 하우징 내에 위치할 때 상기 발열체의 하단부는 상단부보다 상기 용융 실리콘에 실질적으로 더 근접하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 발열체는 상기 하우징의 하부 성장 챔버를 향해 아래로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 잉곳이 상기 용융 실리콘으로부터 위로 인상되는 동안 상기 하우징 밖으로부터 상기 성장하는 잉곳을 관찰하기 위해 상기 하우징 내에 포트를 더 구비하고,

   상기 하우징 내의 상기 포트를 통한 상기 성장 챔버의 내부에 있는 상기 성장하는 잉곳에 대한 관찰이 상기 발열체에 의해서 실질적으로 방해받지 않도록 상기 발열체의 상기 하단부가 상기 용융 실리콘의 위의 소정 높이에 있는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 상기 상부 풀 챔버를 규정하는 풀 챔버 측벽을 구비하고,

   상기 발열체는 상기 하우징의 상기 상부 풀 챔버 내에서 상기 상부 풀 챔버 벽 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 발열체는, 나란히 배치되어 서로 전기적으로 접속된 수직 방향의 제 1 및 제 2 의 히팅 세그먼트와, 각각의 상기 히팅 세그먼트에 전기적으로 접속된 제 1 및 제 2 탑재 브래킷을 포함하고,

   상기 탑재 브래킷은, 전류의 소스와 전기적으로 접속하도록 상기 발열체를 상기 하우징의 상기 상부 풀 챔버 내에서 상기 하우징 상에 탑재하는데 적합하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 발열체에 의해서 발생된 발열 파워 출력이 상기 발열체의 상기 하단부로부터 상기 상단부로 점차 증가하도록 상기 발열체가 구성되는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 세그먼트는 각각 상단부 및 하단부를 갖고,

   상기 제 2 세그먼트는, 상기 제 1 세그먼트보다 실질적으로 더 큰 길이를 갖고 상기 발열체가 상기 하우징 내에 위치할 때 상기 제 2 세그먼트의 하단부가 상기 제 1 세그먼트의 하단부보다 상기 도가니 내의 상기 용융 실리콘에 더 근접하게 배치되도록 상기 제 1 세그먼트와 관련하여 위치하는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
8. 제 1 항에 있어서, 약 200 mm 의 직경을 갖는 실리콘 잉곳을 성장시키기에 적합하고,

   상기 발열체는 상기 성장하는 잉곳에 충분한 열을 방사하여 상기 잉곳의 온도가 25 시간을 초과하는 시간 동안 1050 ℃ 를 넘는 온도에서 유지하도록 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 발열체는 상기 성장하는 잉곳에 충분한 열을 방사하여 상기 잉곳의 온도가 35 시간을 초과하는 시간 동안 1050 ℃ 를 넘는 온도에서 유지하도록 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 발열체는 상기 성장하는 잉곳에 충분한 열을 방사하여 상기 잉곳의 온도가 약 50 시간을 초과하거나 그와 동일한 시간 동안 1050 ℃ 를 넘는 온도에서 유지하도록 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 결정 풀러.