KR20020026379A

KR20020026379A - 균일한 열 이력을 갖는 단결정 실리콘을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20020026379A
Application number: KR1020027002865A
Authority: KR
Inventors: 마꼬또 고지마; 야스히로 이시이
Original assignee: 헨넬리 헬렌 에프; 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-04-09
Also published as: US6458202B1; WO2001016406A1; JP2003508332A; KR100717237B1; DE60005985D1; JP4700874B2; TW562881B; EP1218571A1; DE60005985T2; CN1372604A; EP1218571B1

Abstract

본 발명은 균일한 열 이력을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 초크랄스키법에 관한 것이다. 이 방법에서, 측면 히터로 공급되는 전력은 잉곳의 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 실질적으로 일정하게 유지되며, 저면 히터로 공급되는 전력은 본체의 후반부와 엔드-콘의 성장 중에 점차로 증가된다. 본 방법에 의하면, 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD(light point defect)가 적고 개선된 게이트 산화막 인테그리티를 갖는 웨이퍼를 산출하는 잉곳이 얻어진다.

Description

균일한 열 이력을 갖는 단결정 실리콘을 제조하는 방법{PROCESS FOR PREPARING SINGLE CRYSTAL SILICON HAVING UNIFORM THERMAL HISTORY}

반도체 전자 부품의 제조를 위한 대부분의 공정에서 출발 재료인 단결정 실리콘은 일반적으로 소위 초크랄스키("CZ")법에 의해 제조된다. 이 방법에서는, 다결정 실리콘("폴리실리콘")이 도가니에 충전되어 용융되고, 시드 결정(seed crystal)이 용융된 실리콘과 접촉되어, 저속 적출(extraction)에 의해 단결정이 성장된다. 네크(neck)의 형성이 완료된 후, 소정 또는 목표 직경에 도달할 때까지 인상 속도 및/또는 멜트(melt) 온도를 감소시킴으로써, 결정의 직경이 확대된다. 그후, 감소하는 멜트 레벨(melt level)을 보상하면서, 인상 속도 및 멜트 온도를 제어함으로써 대략적으로 일정한 직경을 갖는 결정의 원통형 본체(main body)가 성장된다. 성장 과정의 종료에 거의 도달하여 도가니에 용융된 실리콘이 소진되기전에, 결정 직경은 엔드-콘(end-cone)을 형성하도록 점차로 감소되어야 한다. 일반적으로, 엔드-콘은 결정 인상 속도와 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 직경이 충분히 작아졌을 때, 결정은 멜트로부터 분리된다.

최근에, 단결정 실리콘 내의 많은 결함은, 잉곳이 응고 온도로부터 냉각됨에 따라 성장 챔버 내에서 형성되는 것으로 인식되었다. 구체적으로, 잉곳이 냉각됨에 따라, 결정 격자의 베이컨시 또는 실리콘의 셀프-인터스티셜(self-interstitial) 등의 고유 점 결함은, 어떤 임계 온도(threshold temperature)(이 임계 온도보다 낮은 온도에서 고유 점 결함의 소정 농도는 임계적으로 과포화됨)에 도달할 때까지 실리콘 격자 내에 용해 가능한 상태로 유지된다. 이 임계 온도 미만의 온도로 냉각될 때, 반응 또는 응집 현상이 발생하여 결과적으로 응집 고유 점 결함이 형성된다.

실리콘 내의 이들 점 결함의 형태 및 초기 농도는, 잉곳이 응고 온도(즉, 약 1410℃)로부터 약 1300℃를 초과하는 온도(즉, 약 1325℃, 1350℃ 또는 그 이상)까지 냉각될 때 결정되는 것으로 보고되었다(예컨대, 제PCT/US98/07365호 및 제PCT/US98/07304호). 즉, 이들 결함의 형태 및 초기 농도는 비율 v/G₀(여기에서, v는 성장 속도이고, G₀는 이 온도 범위에 걸친 평균 축방향 온도 구배)에 의해 제어된다. 특히, 증가하는 v/G₀값에 대해, 감소하는 셀프-인터스티셜 지배형 성장으로부터 증가하는 베이컨시 지배형 성장으로의 전이는, 현재 이용 가능한 정보에 기초하여 약 2.1×10^-5㎠/sK로 보이는 v/G₀(여기에서, G₀는 축방향 온도 구배가 위에서 한정된 온도 범위 내에서 일정한 조건 하에서 결정됨)의 임계값 부근에서 발생한다. 따라서, (v에 영향을 주는) 성장 속도 및 냉각 속도와 (G₀에 영향을 주는) 핫 존 구성(hot zone configuration) 등의 공정 조건은, 단결정 실리콘 내의 고유 점 결함이 지배적으로 베이컨시(여기에서, v/G₀는 일반적으로 임계값을 초과함)가 될 것인지 또는 셀프-인터스티셜(여기에서, v/G₀는 일반적으로 임계값 미만임)이 될 것인지를 결정하기 위해 제어될 수 있다.

결정 격자 베이컨시의 응집과 관련된 결함 또는 베이컨시 고유 점 결함은 D-결함, 플로우 패턴 결함(FPD: Flow Pattern Defect), 게이트 산화막 인테그리티(GOI: Gate Oxide Integrity) 결함, 결정 유발성 입자(COP: Crystal Originated Particle) 결함 및 결정 유발성 라이트 포인트 디펙트(LPD: Light Point Defect) 등의 관찰 가능한 결정 결함과, 스캐닝 적외선 현미경(Scanning Infrared Microscopy) 및 레이저 스캐닝 토모그래피(Laser Scanning Tomography) 등의 적외선 스캐터링 기술(infrared light scattering techniques)에 의해 관찰되는 어떤 종류의 벌크 결함(bulk defect)을 포함한다. 또한, 과도한 베이컨시의 영역에는 산화 유도 적층 결함(OISF: Oxidation Induced Stacking Fault)의 형성을 위한 핵으로서 작용하는 결함이 존재한다. 이러한 특정 결함은 과도한 베이컨시의 존재에 의해 촉진되며 고온에서 핵생성된 산소 응집체(high temperature nucleatedoxygen agglomerate)인 것으로 판단된다.

"응집 임계 상태(agglomeration threshold)"에 도달되면, 베이컨시 등의 고유 점 결함은 잉곳의 일부의 온도가 제2 임계 온도[즉, "확산 임계 상태(diffusivity threshold)"](이 온도 미만에서 고유 점 결함은 상업적으로 유용한 시간 동안 더 이상 이동 불가능함)를 초과하여 유지되기만 하면 실리콘 격자를 통해 계속하여 확산한다. 잉곳이 이 온도를 초과하여 유지되는 동안에, 베이컨시 고유 점 결함은 응집 베이컨시 결함이 이미 존재하는 위치로 결정 격자를 통해 확산하여, 소정의 응집 결함의 크기가 효과적으로 성장되게 한다. 본질적으로 응집체의 보다 유리한 에너지 상태 때문에, 이들 응집 결함 위치는 베이컨시 고유 점 결함을 유인하여 응집시키는 "싱크(sink)"로서 작용한다.

따라서, 이러한 응집 베이컨시 결함의 형성 및 크기는 열 이력, 구체적으로 "응집 임계 상태"로부터 "확산 임계 상태"까지의 온도 범위에 걸친 잉곳 본체의 냉각 속도 또는 체류 시간(residence time)에 의존한다. 예컨대, 높은 냉각 속도는 일반적으로 직경이 비교적 작은 대량의 응집 베이컨시 결함을 갖는 실리콘 잉곳이 형성되는 결과를 초래한다. 이러한 조건은 예컨대 집적 회로 제조에서 일반적으로 크기가 약 0.2 ㎛를 초과하는 결함의 개수가 200 ㎜ 직경의 웨이퍼에 대해 약 20개를 초과하지 않을 것을 요구하기 때문에 LPD(light point defect)에 대해 유리하다. 그러나, 이러한 조건은 일반적으로 수용 불가능한 GOI(gate oxide integrity)를 갖는 웨이퍼를 산출하기 때문에 불리하다. 즉, 이러한 조건은 게이트 산화막 인테그리티(GOI)에 부정적인 영향을 주는 대량의 작은 응집 베이컨시 결함을 갖는웨이퍼가 형성되는 결과를 초래한다. 반대로, 느린 냉각 속도는 일반적으로 소수의 매우 큰 응집 베이컨시 결함을 갖는 잉곳이 형성되는 결과를 초래하여, 수용 가능한 GOI 값을 갖지만 수용 불가능한 LPD 결과를 갖는 웨이퍼를 산출한다.

응집 베이컨시 결함과 관련된 문제점은, 잉곳의 냉각 속도가 본체의 길이에 걸쳐 흔히 균일하지 않다는 사실에 의해 더욱 복잡하게 된다. 결과적으로, 이러한 잉곳으로부터 얻어진 웨이퍼 내의 결함의 크기 및 농도는 동일하지 않을 것이다. 단일 잉곳으로부터 얻어진 웨이퍼 내의 이러한 편차(variation)는 이러한 응집 결함의 형성에 후속하여 이들을 제거하여야 하는 것으로 제안하였던 당사자에게 다른 문제점을 발생시킨다. 구체적으로, 그들 중 일부는, 웨이퍼 형태로 실리콘을 열처리함으로써 고속의 인상 속도로 성장된 잉곳 내에 형성되는 결함을 소멸시킬 것을 제안하였다. 예컨대, 후세가와 등은 결정 성장 공정 중에 형성되는 결함을 소멸시키기 위해 0.8 ㎜/분을 초과하는 성장 속도로 실리콘 잉곳을 성장시켜 1150℃ 내지 1280℃ 범위의 온도에서 잉곳으로부터 얇게 절단된 웨이퍼를 열처리하여야 한다고 유럽 특허 출원 공개 제503,816A1호에서 제안하고 있다. 이러한 열처리는 웨이퍼 표면 부근의 얇은 영역에서 결함 밀도를 감소시키는 것으로 나타났다. 그러나, 필요로 하는 특정한 조건은, 특히 결함의 농도 및 위치에 따라 변동될 것이다. 예컨대, 이러한 열처리는 시드-콘(seed-cone) 부근의 잉곳의 일부로부터 얻어진 웨이퍼 내의 응집 베이컨시 결함을 성공적으로 용해시킬 수도 있지만, 엔드-콘 부근의 잉곳의 일부로부터 얻어진 웨이퍼 내에서는 그러하지 못하다. 따라서, 불균일한 축방향 열 이력과 이에 따른 응집 결함의 불균일한 축방향 농도를 갖는 잉곳으로부터얻어진 웨이퍼의 열처리는 상이한 공정 조건을 필요로 한다. 결과적으로, 이러한 웨이퍼 열처리는 비경제적이다. 또한, 이들 열처리는 실리콘 웨이퍼 내로 금속 불순물을 유입시킬 가능성을 갖는다.

소정 잉곳의 불균일한 열 이력은 예컨대 잉곳의 본체 또는 엔드-콘의 성장과 관련된 조건에 기인할 수도 있다. 구체적으로, 일반적으로 (ⅰ) 측면 히터의 전력은 본체의 20% 정도가 성장된 후에 증가되고, (ⅱ) 측면 히터의 전력 및 성장 속도는 잉곳의 엔드-콘의 성장 중에 증가된다고 가정하면, 본체 및 엔드-콘의 후반부를 위한 냉각 속도는 본체의 초반부의 냉각 속도와 상이한 경우가 흔히 있다. 멜트 레벨이 감소함에 따라 폴리실리콘이 용융된 상태로 유지되게 하기 위해, 측면 히터 전력은 본체의 성장 동안 일반적으로 증가된다. 즉, 폴리실리콘 멜트가 재응고되거나 "동결(freeze)"되지 않도록 소비됨에 따라, 측면 히터 전력은 일반적으로 증가된다. 측면 히터 전력 및/또는 성장 속도는 일반적으로 잉곳 직경의 감소를 위해 엔드-콘 성장 중에 증가된다.

따라서, 잉곳의 본체가, LPD 요건을 충족하고 최적의 GOI 값을 갖는 웨이퍼를 얻게 하는, 비교적 균일한 열 이력을 갖는 방식으로, 단결정 실리콘 잉곳이 성장되도록 하는 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다.

일반적으로, 본 발명은 초크랄스키법에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 잉곳으로부터 얻어지는 웨이퍼 내의 베이컨시(vacancy)와 관련된 응집 결함의 밀도 및 크기를 제한하고 게이트 산화막 인테그리티(gate oxide integrity)를 개선하기 위해, 잉곳이 성장됨에 따라 잉곳의 열 이력을 제어하는 방법에 관한 것이다.

도1a는 본 발명의 실시예에 따른 초크랄스키 성장 장치의 단면도.

도1b는 "서냉" 핫 존의 예가 도시된 초크랄스키 성장 장치[이 장치(40)는 일반적으로 성장하는 잉곳이 냉각되는 속도를 늦추도록 인상 챔버로부터 그리고 멜트 위에서 연장될 수도 있는 단열재, 차폐체/반사체 또는 히터를 나타냄]의 부분 단면도.

도2는 "개방(open)" 형태의 핫 존 구성을 사용하여 종래의 방식으로 성장된 잉곳의 전체 본체를 통한 플로우 패턴 결함의 밀도 및 축방향 편차를 나타내는 그래프.

도3은 종래의 방식으로 그리고 본 발명의 방법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 인상할 때, 양자 모두 본체 길이의 함수로서 측면 히터 요소 및 저면 히터 요소에 공급되는 전력을 나타내는 그래프.

도4는 당업계에서 통상적인 수단에 의해 구성되는 "서냉" 핫 존을 사용하여 본 방법에 따라 성장된 잉곳의 전체 본체를 통한 플로우 패턴 결함의 밀도 및 축방향 편차를 나타내는 그래프.

도5는 전체 두께의 1/2의 두께를 가지는 측면 단열재를 갖는 "서냉" 형태의 초크랄스키 성장 장치에서 멜트 표면으로부터의 거리의 함수로서 단결정 실리콘 잉곳의 후반부(second half)(즉, 약 400 ㎜로부터 약 850 ㎜까지의 축방향 위치)의 축방향 온도 프로파일을 도시한 그래프.

도6은 전체 두께의 1/2의 두께를 가지는 측면 단열재를 갖는 "서냉" 형태의 초크랄스키 성장 장치에서 온도의 함수로서 단결정 실리콘 잉곳의 후반부(즉, 약 400 ㎜로부터 약 850 ㎜까지의 축방향 위치)의 축방향 온도 구배를 도시한 그래프.

도7은 전체 두께의 7/8의 두께를 가지는 측면 단열재를 갖는 "서냉" 형태의 초크랄스키 성장 장치에서 멜트 표면으로부터의 거리의 함수로서 단결정 실리콘 잉곳의 후반부(즉, 약 400 ㎜로부터 약 850 ㎜까지의 축방향 위치)의 축방향 온도 프로파일을 도시한 그래프.

도8은 전체 두께의 7/8의 두께를 가지는 측면 단열재를 갖는 "서냉" 형태의 초크랄스키 성장 장치에서 온도의 함수로서 단결정 실리콘 잉곳의 후반부(즉, 약400 ㎜로부터 약 850 ㎜까지의 축방향 위치)의 축방향 온도 구배를 도시한 그래프.

도9a 내지 도9e는 저면 히터가 채용되지 않고 측면 히터 전력이 성장 공정 중에 증가되는 "서냉" 핫 존 구성에서 성장된 단결정 실리콘 잉곳의 연속된 20% 부분에서 얻어진 다수 개의 웨이퍼에 대해 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 존재 여부를 분석한 히스토그램(Y축 = 웨이퍼의 개수, X축 = 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 개수).

도10a 내지 도10e는 저면 히터가 채용되고 측면 히터 전력이 성장 공정 중에 일정하게 유지되는 "서냉" 핫 존 구성에서 성장된 단결정 실리콘 잉곳의 연속된 20% 부분에서 얻어진 다수 개의 웨이퍼에 대해 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 존재 여부를 분석한 히스토그램(Y축 = 웨이퍼의 개수, X축 = 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 개수).

본 발명의 여러 가지 목적 및 특징에 따르면, 단결정 실리콘 잉곳의 열 이력을 제어하는 방법이 제공되고; 잉곳 본체의 냉각 속도가 비교적 균일한 방법이 제공되고; 결정 인상 장치의 측면 히터 전력이 잉곳의 본체 및 엔드-콘의 성장 중에실질적으로 일정하게 유지되는 방법이 제공되고; 잉곳 내의 응집 베이컨시 결함의 농도가 본체의 길이에 걸쳐 비교적 균일한 방법이 제공되고; 웨이퍼 형태로 실리콘 내의 응집 결함의 크기가 최소화되는 방법이 제공되고; 웨이퍼 형태로 실리콘의 게이트 산화막 인테그리티가 개선되는 방법이 제공되고; 웨이퍼 형태로 실리콘의 고온 열처리를 필요로 하지 않거나 서로 상이한 고온 열처리를 필요로 하지 않는 방법이 제공되고; 잉곳 본체의 성장 중에 인상 속도를 감소시킴으로써 처리량(throughput)을 크게 감소시키지 않는 방법이 제공되고; 결정 인상 장치 내의 잉곳의 축방향 온도 구배(이 온도를 초과하는 온도에서 고유 점 결함은 이동 가능한 상태로 유지됨)가 잉곳 본체의 열 이력의 균일성을 개선하도록 제어되는 방법이 제공된다.

간략하게 말하면, 본 발명은 초크랄스키법에 따라 실리콘 멜트로부터 인상되고, 시드-콘, 본체 및 엔드-콘을 순서대로 갖는 단결정 실리콘 잉곳의 열 이력을 성장 중에 제어하는 방법에 있어서, 베이컨시가 본체 내의 지배적인 고유 점 결함이 되도록 응고로부터 약 1325℃ 이상의 온도까지의 온도 범위에 걸쳐 잉곳 본체의 성장 중에 (ⅰ) 성장 속도(v) 및 (ⅱ) 평균 축방향 온도 구배(G₀)를 제어하는 단계와, 본체의 성장 중에 측면 히터와 저면 히터로 실리콘 멜트를 가열하는 단계로서, 측면 히터가 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 실질적으로 일정한 전력 레벨로 유지되는 가열 단계를 특징으로 하는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 적어도 약 50%의 게이트 산화막 인테그리티 값과 크기가 약0.2 ㎛를 초과하는 약 20개 미만의 LPD(light point defect)를 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 단결정 실리콘 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 멜트로부터 인상되며, 성장 속도(v) 및 평균 축방향 온도 구배(G₀)는 베이컨시가 내부에서 지배적인 고유 점 결함이 되도록 응고로부터 약 1325℃ 이상의 온도까지의 온도 범위에 걸쳐 성장 중에 제어된다. 잉곳은 시드-콘, 본체 및 엔드-콘을 순서대로 갖는다. 이 방법은, 본체 및 엔드-콘의 성장 중에, 측면 히터 전력은 실질적으로 일정하게 유지되는 한편, 멜트가 재응고되는 것을 방지하기 위해 저면 히터를 사용하여 실리콘 멜트의 아래로부터 열이 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 특징들은 이하에서 부분적으로 명백하게 되고 부분적으로 지적된다.

본 발명의 방법은 열 이력이 잉곳의 전체 본체에 걸쳐 실질적으로 균일하도록 초크랄스키 형태의 단결정 실리콘 잉곳(바람직하게는 지배적인 고유 점 결함으로서 실리콘 격자 베이컨시를 갖는 잉곳)을 성장시키는 수단을 제공한다는 점에서 유리하다. 구체적으로, 본 발명의 방법에 따르면, 성장 조건은 응집 임계 온도와 확산 임계 온도 사이에서 잉곳 본체의 소정 부분이 본체의 다른 부분과 대략 동일한 속도로 냉각되도록 제어된다. 다른 방식으로 말하면, 성장 조건은 소정 부분이 본체의 다른 부분과 대략 동일한 시간 동안 응집 임계 온도와 확산 임계 온도 사이에 체류하도록 제어된다. 따라서, 측면 히터 전력이 본체 및 엔드-콘의 성장 중에증가되는 종래의 방법과 대조적으로, 측면 히터로 공급되는 전력을 실질적으로 일정한 레벨로 유지하며, 저면 히터(즉, 결정 인상 장치 내에 실리콘 멜트를 보유한 도가니 아래에 위치된 히터)로부터 열을 공급함으로써, 본 방법에서의 잉곳 본체의 열 이력은 적어도 부분적으로 제어된다.

측면 히터 전력에 대해 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "실질적으로 일정한"은 대체로 약 10%, 5% 또는 심지어 2% 미만의 편차를 의미하는 것으로 이해되어야 한다는 것을 주목하여야 한다.

이제 도1a 및 도1b를 참조하면, 초크랄스키 형태의 단결정 실리콘 잉곳(10)을 제조하는 데 적절한 본 발명에 따른 결정 인상 장치(8)의 예가 도시되어 있다. 결정 인상 장치(8)는 그라파이트 서셉터(14)에 의해 둘러싸이고 수냉식 스테인리스강 성장 챔버(16) 내에 담긴 용융 실리카 도가니(12)를 포함하며, 성장 챔버는 잉곳 성장이 일어나는 공간 또는 "핫 존"을 규정한다. 도가니(12)는 고체 다결정 실리콘 또는 "폴리실리콘"(도시되지 않음)을 도가니(12)에 넣음으로써 제공되는 실리콘 멜트(18)를 보유한다. 폴리실리콘은 도가니(12)를 둘러싸는 측면 히터(20)로부터 제공되는 열에 의해 용융된다. 선택적으로, 폴리실리콘의 용융은 도가니(12) 아래에 위치된 저면 히터(22)의 사용에 의해 추가로 도움을 받을 수도 있다. 측면 히터(20)는 도가니 내에서의 열 보유를 돕도록 단열재(24)에 의해 둘러싸인다. 하단부에서 단결정(monocrystalline) 실리콘 시드(28)를 지지하는 인상 샤프트 또는 와이어(26)는 실리콘 멜트(18) 위에 위치된다.

일반적으로 말하면, 초크랄스키 공정 중에, 시드 결정(28)은 용융실리콘(18)의 표면과 접촉하여 용융되기 시작할 때까지 하강된다. 열평형 후, 인상 와이어(26)는 실리콘 멜트(18)로부터 시드(28)를 빼내도록 후퇴된다. 시드(28)를 빼냄에 따라, 멜트(18)로부터의 액체 실리콘은 멜트 위의 단결정으로 시드 주위에서 응고된다. 형성된 단결정이 매달려 있는 인상 와이어(26)는, 그것이 회전함에 따라 멜트(18)로부터 계속하여 후퇴되어, 실질적으로 원통형인 네크 영역(30)을 형성한다. 잉곳의 네크가 형성된 후, 인상 속도는 감소되어, 일반적으로 잉곳의 시드-콘으로 불리는 외향 확대 영역(outward flaring region)(32)을 형성한다. 원하는 직경이 얻어졌을 때, 성장 조건은 잉곳(10)의 본체(34)에 대해 실질적으로 연속인 직경을 제공하도록 제어된다.

잉곳(10)이 인상되는 동안에, 도가니(12)는 잉곳의 방향과 반대 방향으로 샤프트(36)를 통해 회전된다. 잉곳(10)이 성장함에 따라, 도가니(12)는 실리콘 멜트(12)의 소비를 보상하도록 성장 챔버(16) 내에서 상승된다. 종래의 성장 공정에서는, 멜트의 온도를 유지하여 멜트를 용융된 상태로 유지하기 위해, 결정 인상 장치의 핫 존의 특정한 구성에 따라 잉곳(10)의 본체(34)의 약 20% 내지 약 50%가 성장된 후에, 측면 히터 전력이 일반적으로 증가된다. 다시 종래의 공정에서는, 멜트가 거의 소비되었을 때, 측면 히터 전력, 인상 속도 또는 이들 모두가 잉곳(10)의 직경을 감소시키기 위해 증가되어, 결과적으로 원추형 엔드-콘(38)을 형성한다. 엔드-콘(38)의 직경이 대체로 2 ㎜ 내지 4 ㎜ 정도로 충분히 작아지면, 실리콘 멜트(18)로부터의 잉곳(10)의 분리는, 전위(dislocation)가 잉곳의 본체(34)에 분산되도록 하지 않고 수행될 수 있다. 그후, 잉곳(10)은 성장챔버(14)로부터 제거되고, 실리콘 웨이퍼를 형성하도록 가공된다.

일반적으로, 성장하는 잉곳의 각각의 응고 부분은 실리콘 멜트 및 도가니로부터 멀리 상승됨에 따라 냉각되어, 결과적으로 잉곳 본체의 길이에 걸친 온도 구배를 갖게 된다. 예컨대, 멜트/고체 계면 직상의 본체의 응고 부분은 약 1400℃의 온도를 가지며, 잉곳의 각각의 이미 응고된 부분은 상응하는 약 1400℃ 미만의 온도를 갖는다. 그러나, 각각의 부분이 냉각되는 정밀도는, 적어도 부분적으로 (ⅰ) 인상 속도, (ⅱ) 히터 전력 및 (ⅲ) 핫 존 설계(즉, 대체로 도1b에서 모두 40으로 나타낸 반사체, 복사 차폐체, 퍼지 튜브, 광 파이프, 제2 히터 등의 존재 및 위치)의 함수이다. 구체적으로, 각각의 응고 부분은 일반적으로 그 후속 부분보다 낮은 온도를 갖지만, 성장 조건 및/또는 핫 존 설계는 이 결과를 변화시키도록 제어될 수도 있다는 것을 주목하여야 한다.

상기의 예로서, 표준형 "개방" 핫 존 설계(즉, 성장하는 잉곳이 냉각되는 속도를 늦추기 위해 멜트 위에 존재하는 반사체, 복사 차폐체, 퍼지 튜브, 광 파이프, 또는 제2 히터가 없는 핫 존)에서 종래의 공정 조건(즉, 측면 히터 전력이 본체의 성장 중에 증가하고 측면 히터 전력 및 인상 속도가 엔드-콘 성장 중에 증가됨) 하에 성장된 200 ㎜의 공칭 직경 잉곳의 온도 구배는, 실리콘 멜트로부터 분리된 직후, 엔드-콘의 선단 부근의 약 1400℃로부터 시드-콘 부근의 약 750℃ 미만까지의 범위 내에 있을 것이다. 또한, 증가된 인상 속도와, 잉곳이 멜트로부터 받는 전도열의 이익을 잃게 하는 멜트로부터의 잉곳의 분리에 의해, 잉곳의 본체 및 시드-콘의 후반부는 본체의 초반부보다 신속하게 냉각된다.

이제 도2를 참조하면, 잉곳의 다양한 부분에 대한 냉각 속도의 차이는 우선 잉곳의 길이에 걸친 FPD(flow pattern defect) 또는 LPD(light point defect) 등의 응집 결함의 크기 및 분포에 영향을 줄 수 있다(예컨대, 이미 응고되어 냉각된 부분의 밀도에 대해 약 900 ㎜의 축방향 위치에서의 결함 밀도를 참조). 다른 방식으로 말하면, 잉곳의 일부에 대한 냉각 속도의 차이로 인해, 잉곳의 후반부는 일반적으로 잉곳의 초반부로부터 얻어진 웨이퍼에 비해 고밀도의 작은 LPD 또는 FPD로 인해 불량한 GOI 값을 갖는 웨이퍼를 산출할 것이다.

전술된 바와 같이, 핫 존 설계는 성장하는 잉곳이 결정 인상 장치 내에서 냉각되는 속도와 그에 따라 얻어질 결함의 크기 및 분포에 영향을 줄 수도 있다. 예컨대, 표준형 "개방" 핫 존으로부터의 예측된 결과와 대조적으로, 상술된 공정이 "서냉" 핫 존(즉, 성장하는 잉곳의 온도 프로파일을 대체로 약 2℃/㎜, 약 1℃/㎜ 또는 그 이하로 제한하기 위해, 대체로 도1b에서 40으로 나타낸 바와 같이 멜트 위에 존재하는 반사체, 복사 차폐체, 퍼지 튜브, 광 파이프, 제2 히터, 또는 이들의 조합을 갖는 핫 존)에서 수행되었다면, 측면 히터 전력의 증가는 실제로 잉곳의 후반부의 축방향 온도 프로파일의 감소라는 결과를 초래하여, 이 부분이 전반부의 속도보다 저속으로 냉각되게 한다. 성장 속도가 엔드-콘의 형성 중에 증가되더라도 상기 결과가 얻어진다.

이제 도9a 내지 도9e를 참조하면, 크기가 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 존재에 대해 당업계에서 통상적인 수단에 의해 분석된 다수 개의 웨이퍼의 결과가 대체로 도시되어 있다. 구체적으로, 다수 개의 웨이퍼는, 측면 히터 전력이 각각의 잉곳본체의 약 50%가 성장된 후에 증가되는 "서냉" 핫 존에서 제조된 잉곳으로부터 얻어졌다. 이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이(여기에서, 도9a 내지 도9e는 잉곳 본체의 연속된 20% 부분으로부터 얻어진 웨이퍼를 나타냄), 측면 히터 전력의 증가는 결국 형성되는 큰 LPD의 개수에 영향을 준다. 특히, 잉곳 본체의 전반 40%로부터 얻어진 웨이퍼(도9a 및 도9b 참조) 중에서, 단지 약 5매의 웨이퍼가 수용 불가능한 개수의 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD(즉, 20개를 초과하는 LPD)를 갖는다는 것을 주목하여야 한다. 대조적으로, 동일한 잉곳 본체의 다음 40%로부터 얻어진 웨이퍼(도9c 및 도9d 참조) 중에서, 약 8매의 웨이퍼가 수용 불가능하다. 그러나, 중요한 사실은 동일한 잉곳의 최종 20% 부분으로부터 얻어진 웨이퍼(도9e 참조) 중에서, 25매를 초과하는 웨이퍼가 수용 불가능하다는 것이다.

어떤 특정한 이론에 종속되지 않아도, 일반적으로, 열 프로파일을 제한하기 위해 핫 존에 추가되는 재료는, 전력이 증가됨에 따라 측면 히터에 의해 발생되는 부가적인 열을 흡수하고 이후 잉곳 본체의 인접부를 향해 이 열을 복사하는 것으로 판단된다. 결과적으로, 성장될 본체의 이 부분 및 본체의 잔여부의 냉각 속도는 감소한다. 다른 방식으로 말하면, 임계 온도 범위(즉, 상한으로서 "응집 임계" 온도를 갖고 하한으로서 "확산 임계" 온도를 갖는 온도 범위) 내에서 본체의 이들 부분의 "체류 시간"은 증가한다. 따라서, 잉곳의 이 부분으로부터 얻어진 웨이퍼는 잉곳 본체의 전반부로부터 얻어진 웨이퍼에 비해 저밀도의 작은 응집 결함 및 다수 개의 큰 결함을 가질 것이다.

전술된 바와 같이, 고집적 회로의 제조는 수용 가능한 응집 결함의 개수 및크기와 그에 따른 GOI의 관점에서 실리콘 웨이퍼에 대해 엄격한 제한을 부과하고 있다. 상기의 관점에서, 이들 제한이 잉곳의 길이에 걸쳐 충족되도록 잉곳 본체의 성장 중에 어떤 균형이 유지되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 잉곳으로부터 얻어진 소정 웨이퍼가 지나치게 다수인 작은 LPD를 포함하여 수용 불가능한 GOI 값을 갖지 않도록 너무 빠르게 냉각되지 않게 하면서, 동일한 웨이퍼가 약 0.2 ㎛의 크기를 초과하는 LPD의 개수에 대해 부과된 제한을 초과하지 않게 하기 위해, 잉곳 본체의 소정 부분이 충분히 신속하게 냉각되도록, 성장 조건이 유지되는 것이 바람직하다.

일반적으로 말하면, 본 발명의 방법은 열 이력이 잉곳의 전체 본체에 걸쳐 실질적으로 균일하도록 초크랄스키 형태의 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 수단을 제공한다는 점에서 유리하다. 본 발명에 따르면, 잉곳의 열 이력은 고유 점 결함이 이동 가능한 임계 온도(즉, 일반적으로 약 800℃, 900℃, 950℃ 또는 심지어 1050℃인 "확산 임계" 온도)를 초과하여 제어되므로, 실질적으로 잉곳의 전체 본체가 대략 동일한 속도로 냉각되도록 하거나, 또는 실질적으로 전체 본체가 대략 동일한 시간 동안 이 온도를 초과하여 체류하도록 한다. 측면 히터 전력이 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 증가되는 종래의 방법과 대조적으로, 본 발명에서는 본체 및 엔드-콘 모두의 성장 중에 실질적으로 일정한 레벨로 측면 히터에 공급되는 전력을 유지함으로써, 냉각 속도 또는 체류 시간이 적어도 부분적으로 제어된다.

저면 히터(즉, 도가니 및 실리콘 멜트 아래의 성장 챔버 내에 위치된 히터)에 의해 실리콘 멜트에 열을 인가함으로써, 구체적으로는 본체의 후반부 및 엔드-콘 모두의 성장 중에 이 저면 히터에 공급되는 전력을 증가시킴으로써, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키면서 측면 히터 전력을 대체로 일정한 레벨로 유지할 수 있게 된다. 일반적으로 말하면, 측면 히터 전력은 실질적으로 일정하게 유지되며, 열은 측면 히터 전력이 증가되는 방법에서와 동일한 시점에서 본체의 성장 중에 저면 히터에 의해 멜트로 인가된다. 예컨대, 종래의 "개방" 핫 존에서의 표준형 성장 공정은 일반적으로 본체의 약 20% 내지 약 30% 또는 그 이상이 성장된 후에 측면 히터 전력의 증가를 포함한다. 대조적으로, 저면 가열은 일반적으로 본체의 약 40%, 50%, 60% 또는 그 이상이 성장된 후에 "서냉" 핫 존에서 시작될 것이다. 따라서, 저면 가열이 시작되는 정확한 시점은 적어도 부분적으로는 사용된 핫 존 설계의 함수이므로 결정 인상 장치마다 변동될 수도 있다는 것을 주목하여야 한다.

이제 도10a 내지 도10b를 참조하면, 측면 히터 전력이 일정하게 유지되면서 잉곳 본체의 약 50%가 성장된 후에 전력이 저면 히터로 공급되는, "서냉" 핫 존에서 제조된 잉곳으로부터 얻어진 다수 개의 웨이퍼에 대해, LPD의 검출을 위한 당업계의 통상적인 수단에 의해 분석된 결과가 대체로 도시되어 있다. 이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이(여기에서, 도10a 내지 도10e는 잉곳 본체의 연속된 20% 부분으로부터 얻어진 웨이퍼를 나타냄), 도9a 내지 도9e에 제시된 대응 결과에 비해, 일정한 측면 히터 전력을 유지한 것은 얻어진 웨이퍼들 중에서 큰 LPD를 포함한 웨이퍼의 개수를 상당히 감소시켰다. 구체적으로, 잉곳 본체의 후반부 40%에서 약 2매 미만의 웨이퍼가 수용 불가능한 것으로 밝혀졌으며, 최종부 20%에서 단지 약 2매의 웨이퍼가 수용 불가능한 것으로 밝혀졌다는 것이 관찰될 수 있다.

단결정 실리콘 잉곳 본체의 성장 중에 측면 및 저면 가열 요소로 공급되는 전력에 대한 정확한 값은 우선 핫 존의 설계와 폴리실리콘 충전물의 크기에 따라 변동될 수도 있다. 그러나, 일반적으로, "서냉" 핫 존 구성에서 실질적으로 전체 본체(즉, 약 80%, 90%, 95% 또는 그 이상)와 엔드-콘의 성장 중에 측면 히터로 공급되는 전력은 약 100 내지 약 150 ㎾, 바람직하게는 약 120 내지 약 130 ㎾, 가장 바람직하게는 약 124 내지 약 126 ㎾로 유지된다. 대조적으로, 동일하거나 유사한 핫 존에 대해, 대략 본체의 전반부(본체의 약 40% 내지 60%) 정도의 성장 중에 저면 히터로 공급되는 전력은 약 0 내지 약 5 ㎾, 바람직하게는 약 0 내지 약 3 ㎾로 유지되며, 본체의 나머지 및 엔드-콘의 성장 중에 저면 히터로 공급되는 전력은 일반적으로 초기값으로부터 약 30 ㎾, 바람직하게는 약 25 ㎾, 보다 바람직하게는 약 20 ㎾, 가장 바람직하게는 약 15 ㎾ 미만의 값까지 서서히 증가된다.

저면 히터 전력을 증가시키는 방법에 관해서는, 몇몇 실시예에서 이 전력이 도3에 도시된 바와 같이 이차곡선(quadratic curve)에 따라 증가하는 반면에 다른 실시예들에서는 전력이 약 0.01 내지 약 0.1 ㎾/㎜, 양호하게는 약 0.01 내지 약 0.05 ㎾/㎜, 가장 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.03 ㎾/㎜만큼 통상적으로 증가되는 것을 알 수 있다.

보다 균일한 열 이력은 본체의 길이에 걸쳐 보다 균일하게 응집 베이컨시 결함이 분포된 실리콘 잉곳이 얻어지도록 할 수 있으며; 즉, 응집 결함이 형성되기 시작하는 온도와 베이컨시들이 상용 시간 동안 더 이상 충분히 이동할 수 없는 온도 사이에서, 잉곳의 본체가 냉각되는 방식을 제어함으로써, FPD의 보다 균일한 분포가 얻어진다. 보다 상세하게는, 성장하는 잉곳의 본체가 약 900 내지 1150℃, 양호하게는 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 온도 범위에 걸쳐 필수적으로 동일한 속도로 냉각될 수 있게 하기 위해, 열을 도가니의 아래로부터 멜트에 인가하면서 측면 히터 전력을 실질적으로 동일한 레벨로 유지한다. 달리 말해서, 본체의 각각의 부분이 전술한 온도 범위 내에서 대략 동일한 시간 동안 있을 수 있다면 결함 균일성은 증가하게 된다는 것이다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 방법은 저면 히터를 이용하여 실리콘 멜트에 열을 가하면서 잉곳의 본체 및 엔드-콘의 성장 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 측면 히터 전력을 이용한다. 일반적으로 말해서, 폴리실리콘이 공정 전체에 걸쳐 용융 상태로 있는 것을 보장하기 위해 필요하다면 저면 히터가 이용된다. 보다 상세하게는, 본체의 후반부가 이미 응고된 부분과 대략 동일한 속도로 냉각되는 것을 보장하기 위해, 본체의 약 40%, 50%, 60% 또는 그 이상이 형성된 후 "서냉" 형태의 핫 존 내의 멜트에 열이 인가된다. 그러므로, 본체의 소정 부분에 대한 냉각 속도는 다른 부분에 대해 약 50% 미만으로 변동되도록, 보다 더 바람직하게는 약 35%, 20% 및 10% 미만의 변동으로 제어된다. 그러나, 가장 바람직하게는, 본체의 다른 부분에 대한 본체의 소정 부분의 냉각 속도는 약 5% 미만으로 변동할 것이다.

도5 내지 도8을 참조하고 본 발명의 방법에 의하면, 잉곳 본체의 축방향 온도 구배를 약 2 ℃/㎜ 미만으로 유지하기 위해, 도가니 및 멜트의 아래로부터 열을 인가하면서 실질적으로 일정한 측면 히터 전력을 이용한다. 그러나, 양호하게는, 이 축방향 온도 구배는 약 1.5 ℃/㎜, 보다 양호하게는 약 1 ℃/㎜, 가장 양호하게는 약 0.5 ℃/㎜를 초과하지 않는다.

잉곳 본체의 열 이력은, 필요하다면 잉곳과 도가니 회전 속도를 조절하면서 본체 및 엔드-콘의 성장 전체에 걸쳐 상대적으로 일정한 인상 속도를 유지시킴으로써 더 제어될 수 있다. 본 발명의 공정에서, 본체, 즉 전반부 및 후반부의 성장 동안, 잉곳의 평균 인상 속도는 엔드-콘의 평균 인상 속도와 실질적으로 유사하게 된다. 그러므로, 일반적으로 본체의 전반부, 본체의 후반부 및 엔드-콘의 평균 인상 속도는 약 50%를 초과하여 변동되지 않는다. 그러나, 양호하게는 전반부, 후반부 및 엔드-콘의 평균 인상 속도는 약 35%, 보다 양호하게는 약 20%, 더욱 바람직하게는 약 10%를 초과하여 변동되지 않는다. 그러나, 가장 양호하게는, 본체의 전반부 및 후반부와 엔드-콘의 평균 인상 속도는 약 5%를 초과하여 변하지 않는다.

본체 및 엔드-콘의 성장 중에, 인상 속도는 전형적으로 약 0.4 내지 약 1.25 ㎜/분의 범위를 갖는다. 보다 구체적으로, 본체의 전반부 및 후반부와 엔드-콘에 대한 평균 인상 속도는 바람직하게는 약 0.45 내지 약 0.75 ㎜/분 사이, 보다 바람직하게는 약 0.45 내지 약 0.65 ㎜/분 사이의 범위를 갖는다. 그러나, 인상 속도는 적어도 부분적으로는 잉곳 직경의 함수이므로, 약 200 ㎜를 초과하는 잉곳 직경의 경우에 인상 속도는 통상 이에 대응되게 저하될 것이라는 것을 알 수 있다.

양호한 실시예에 있어서, 본체의 후반부(즉, 약 최종 60%, 50% 또는 그 이하)가 약 2℃/분 미만, 바람직하게는 약 1.5℃/분 미만, 보다 바람직하게는 약 1℃/분 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5℃/분 미만의 속도로 냉각되는 것을 보장하기 위해, 본 발명의 공정은 "서냉" 형태의 핫 존 내에서 수행되고 일정한 측면 히터 전력 및 인상 속도 제어와 함께 저면 히터가 사용된다. 달리 말하면, 적어도 약 100분, 150분 또는 그 이상이 바람직한 경우도 있지만, 적어도 약 25분 동안, 바람직하게는 적어도 약 50분 동안, 보다 바람직하게는 적어도 약 75분 동안, 잉곳의 전체 본체가 약 900 내지 약 1150℃ 사이, 바람직하게는 약 1000 내지 약 1100℃ 사이에 체류하게 되는 것을 보장하기 위해, 인상 속도 및 측면 히터 전력의 제어와 함께 저면 히터가 사용된다. 그러나, 양호하게는 이 "체류 시간"이, 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD 결함이 허용 불가능한 개수가 되는 지속시간을 초과하지 않으면서도 상대적으로 높은 GOI 값을 얻기에는 충분히 길다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 통상 소정 잉곳 부분은 약 250분을 초과한 시간 동안 이 온도 범위 내에 있지 않게 될 것이다.

그러나, 냉각 속도의 절대값과 체류 시간은 특히 핫 존 설계, 잉곳 직경 및 인상 속도에 따라 변화된다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 결함 균일성을 위해서, 절대값이 본 발명의 공정에 그리 중요하지 않게 되고, 오히려 임의의 소정 부분에 있어서의 냉각 속도의 절대값과 체류 시간 사이의 상대적인 차이가 중요한 고려 사항이 된다.

이제 도4를 참조하면, 이러한 공정에 의해 성장한 단결정 실리콘 잉곳은 특히 잉곳 본체 전체에 걸쳐 FPD와 같은 베이컨시-형태의 응집 결함의 비교적 균일한 축방향 농도를 나타낸다. 다른 장점들 중에서, 이러한 균일성은 성장후 가공 문제와 불균일 결정과 관련된 비용을 감소시킬 수 있다. 그러나, 잉곳 길이에 걸쳐 결함 분포의 균일성을 얻는 것 외에도, 형성된 응집 결함의 크기 및 개수를 제어하는것이 또한 중요하다. 그러므로, 본 발명의 공정은, 허용 가능한 GOI 값(적어도 약 50%, 60%, 70% 또는 그 이상의 GOI 값)이 얻어지는 것을 보장하면서 크기가 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 개수를 또한 제한하도록 최적화된다. 보다 상세하게는, 전술한 방법으로 열 이력을 제어함으로써, GOI에 부정적으로 영향을 미치는 FPD와 같은 작은 결함의 개수를 제한하면서 동시에 본체 내의 큰 LPD의 밀도 및 균일성도 제어될 수 있다.

따라서, 전형적으로 본 발명의 공정은 본체의 상당 부분(즉, 약 70%, 80%, 90% 또는 그 이상)에 걸쳐 FPD의 비교적 균일한 밀도를 갖는 단결정 실리콘 잉곳이 제조될 수 있게 하고, 이 밀도는 통상 약 150개/㎠ 미만, 바람직하게는 약 100개/㎠ 미만, 더욱 바람직하게는 약 75개/㎠ 미만, 가장 바람직하게는 약 50개/㎠ 미만이다. 더욱이, 본 발명의 방법에 의하면, 표면에 있는 큰(즉, 약 0.2 ㎛를 초과하는) LPD의 개수가 약 20개/웨이퍼 미만, 바람직하게는 약 15개/웨이퍼 미만, 보다 바람직하게는 약 15개/웨이퍼 미만인 실리콘 웨이퍼가 얻어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 방법에 의하면, 집적 회로 제조업체에 의해 부과되는 현재의 요구 조건을 만족하거나 넘어서는 웨이퍼를 얻을 수 있다.

이와 관련하여, 당업계에 통상적인 수단에 의해 FPD 및 LPD가 검출되고 측정된다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, FPD의 경우, 베이컨시가 많은(vacancy-rich) 웨이퍼는 통상 약 30분 동안 쎄코 에칭액(Secco etch solution)에 침지된 후 이러한 결함을 검출하기 위해 현미경으로 시각적으로 검사된다. LPD는 웨이퍼의 표면으로부터 반사하는 레이저 광에 의해, 모델명 서프스캔(Surfscan) 6200 또는 텐코르(Tencor) SP-1 장비를 이용하여 통상 검출되고 측정된다.

LPD 제한값 외에도, 집적 회로의 제조업체들은 실리콘 웨이퍼의 GOI에 대한 제한을 부과하며, 통상적으로 이 업계에서 표준적인 수단에 의해 결정되는 바와 같이 각각의 웨이퍼가 적어도 약 50%의 GOI를 가질 것을 요구하고 있다. 그러므로, 본 발명에서는 전술한 방법으로 잉곳 본체의 열 이력을 제어함으로써, 적어도 약 50%, 바람직하게는 약 60%, 보다 바람직하게는 약 70%, 더욱 바람직하게는 약 80%, 가장 바람직하게는 약 85%의 GOI를 갖는 실리콘 웨이퍼가 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 공정은 실질적으로 단결정 실리콘 잉곳의 사용 가능한 전체 길이(즉, 적어도 약 70%, 80%, 90%, 95% 또는 그 이상)에 걸쳐 현재 존재하고 있는 LPD 및 GOI 요구 조건을 만족시키는 실리콘 웨이퍼가 얻어지게 하는 수단을 제공하므로 효과적이다.

잉곳 본체의 성장 중에 히터 전력을 제어하는 것 외에도, 엔드-콘의 성장 중의 히터 전력을 제어하는 것도 중요하다. 보다 상세하게는, 측면 히터 전력이 본체 및 엔드-콘의 성장 전체에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지되지만, 일단 시작되면 저면 히터에 공급되는 전력은 본체 및 엔드-콘의 성장 전체에 걸쳐 통상 증가된다. 전술한 바와 같이, 몇몇 실시예에 있어서 도3에 예시된 바와 같이 전력이 이차 곡선을 따라 증가한다. 더욱이, 엔드-콘의 성장 중에 저면 히터에 공급되는 평균 전력이, 본체의 성장 중에 저면 히터에 공급되는 평균 전력의 적어도 약 110%라는 것을 알 수 있고, 이 평균 전력 레벨은 적어도 약 200%, 300% 또는 심지어 400%인 것이 보다 바람직하다.

그러나, 성장 공정 중에 저면 히터의 전력이 증가하는 경우에도, 저면 히터에 공급되는 평균 전력은 대부분 가열 요소에 공급되는 전체 전력의 단지 아주 작은 부분이 된다는 것을 알 수 있다. 보다 상세하게는, 엔드-콘의 성장 중에 저면 히터에 공급되는 전력은 통상 엔드-콘의 성장 중에 측면 히터에 공급되는 평균 전력의 약 5 내지 약 15%가 된다.

측면 히터 전력에 관해서는, 앞서 언급한 바와 같이, 특히 이 측면 히터는 전체 성장 공정(즉, 엔드-콘 및 본체의 성장) 전체에 걸쳐 필수적으로 일정하게 유지된다. 그러나, 전력 레벨은 엔드-콘의 성장 중에 변화될 수 있고, 공급되는 평균 전력은 때때로 본체의 성장 중에 측면 히터에 공급되는 평균 전력의 약 90 내지 약 110% 의 범위를 갖는다.

히터 전력과 인상 속도를 제어하는 것 이외에도, 잉곳 및 도가니 회전 속도가 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 조절될 수 있다. 전형적으로, 본체 성장 중의 잉곳 회전 속도 및 도가니 회전 속도는 각각 약 10 내지 약 15 rpm 사이 및 약 5 내지 10 rpm 사이로 유지된다. 엔드-콘의 성장 중에, 이들 회전 속도 중의 하나 또는 모두는, 엔드-콘 성장 중의 평균값이 본체 성장 중의 각각의 평균값보다 작은 상태로 통상 감소된다. 예를 들면, 엔드-콘 성장 중의 잉곳 회전 속도는 바람직하게는 약 10 rpm 미만인 한편, 엔드-콘 성장 중의 도가니 회전 속도는 바람직하게는 약 6 rpm 미만이다. 보다 바람직하게는, 잉곳 및 도가니의 회전 속도는 점점 감소된다. 가장 바람직하게는, 잉곳 및 도가니의 회전 속도는 각각 약 10 rpm으로부터 약 5 rpm으로, 그리고 약 6 rpm으로부터 약 1 rpm으로 감소된다.

본 발명의 방법은, 실리콘 격자 베이컨시가 잉곳 본체의 상당 부분에 걸쳐, 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 지배적인 고유 점 결함이 되게 하는 성장 조건 하에서 "서냉" 핫 존에서 제조된 단결정 실리콘 잉곳으로부터 얻어진 실리콘 웨이퍼 내에, 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 개수를 제한함과 동시에 GOI를 향상시키기에 특히 적합하다. 일반적으로 말해서, v/G_o의 비율의 값이 v/G_o의 임계값(현재 이용 가능한 정보에 의하면, G_o가 1300℃보다 높은 온도와 응고 온도에 의해 한정되는 온도 범위 내에서 축방향 온도 구배가 일정한 조건 하에서 결정되는 경우에, 약 2.1 × 10^-5㎠/sK로 나타남)보다 크게 되도록 상기 v/G_o의 비율을 제어함으로써, 단결정 실리콘 잉곳은 "베이컨시 형태"로 성장할 수 있다. v/G_o의 비율의 제어는 본원에서 참고 자료로 사용되는 제PCT/US98/03686호, 제PCT/US98/07365호 및 제PCT/US98/07304호에서 상세히 설명되어 있다.

후속의 예에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 방법은 단결정 실리콘 잉곳의 열 이력을 보다 엄밀하게 조절하기 위해 사용될 수 있다. 측면 히터 및 저면 히터 요소에 대한 전력 분포를 조절함으로써, 결정의 열 이력의 균일성이 향상된다. 조절된 전력 분포는 또한 결정의 보다 일정한 인상 속도/성장 속도를 가능하게 함으로써 열 이력의 균일성을 향상시킨다. 그 결과, 본 발명에 의해 제조된 단결정 실리콘 잉곳은, 이 업계의 통상적인 수단에 의해 더 가공되어 잉곳의 전체 길이에 걸쳐 향상된 GOI와 보다 적은 수의 LPD를 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 일관되게 산출하게 된다.

이 실시예는 원하는 결과를 얻는 데에 사용될 수도 있는 특정 관점의 조건들을 개시하고 있다. 그러나, 잉곳의 공칭 직경, 핫 존 설계, 도가니 직경 및 충전량 크기(charge size)와 같은 파라미터들에 따라, 이들 조건들을 변경하여 성장 공정 중의 어떤 시점에서 히터들에 공급되는 전력뿐만 아니라 예컨대 성장 속도, 잉곳 및 도가니의 회전 속도를 조절하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이들 조건들을 제한적인 관점으로 보아서는 안된다.

예

본 발명의 방법에 의하면, 다수의 단결정 실리콘 잉곳이 초크랄스키법에 따라 제조되었고, 베이컨시들이 실리콘 내에 지배적인 점 결함이 되는(즉, 잉곳이 베이컨시-지배형이 되는) 것을 보장하는 조건 하에서 성장되었다. 특히, 각각의 잉곳은 약 200 ㎜의 공칭 직경과 약 850 ㎜의 본체 길이를 갖도록 성장되었고, 각각은 100 ㎏의 폴리실리콘 충전물을 보유하는 22인치 직경의 도가니로부터 인상되었다. "서냉" 핫 존 형상을 갖는 강자성 유체(Ferrofluid) 결정 인상 장치가 모든 경우에서 사용되었다.

본체의 성장 중에, 인상 속도는 약 0.6 내지 약 1 ㎜/분의 범위를 가졌다(이 속도는 필요한 경우 실리콘을 베이컨시-지배형으로 유지되는 것을 보장하기 위한 목적으로 조절되었다). 잉곳의 회전 속도는 약 15 rpm인 반면에 도가니의 회전 속도는 약 6 내지 약 8 rpm의 범위를 가졌다. 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 측면 히터에 공급되는 전력은 사실상 일정하고 통상 그 범위가 약 120 내지 약 130 ㎾의범위를 가졌다. 저면 히터에 공급되는 전력은 본체의 대략 절반(즉, 약 400 ㎜)이 성장될 때까지 꺼져 있었고, 그 시점에서 전력 공급이 시작되어 이차 곡선을 따라 약 30 ㎾의 최종값으로 천천히 증가되었다. 보다 상세하게는, 약 400 내지 850 ㎜의 축방향 위치에 걸쳐 약 0 ㎾로부터 약 10 ㎾로 증가되었다. 엔드-콘의 성장이 시작됨에 따라, 잉곳 및/또는 도가니의 회전 속도가 증가되었고, 또는 대안으로 테이퍼링(tapering)을 시작하도록 하기 위해 필요한 경우 성장 속도가 증가되었으며, 또한 전력 공급이 약 10 ㎾로부터 약 30 ㎾의 최종값으로 증가되었다.

비교를 위해, 저면 가열이 채용되지 않았고 측면 히터 전력이 성장 공정 중에 증가되었다는 것을 제외하면, 다수의 단결정 실리콘 잉곳은 유사하게(즉, 성장 속도, 잉곳 및 도가니 회전 속도 및 결정 인상 장치/핫 존 구성 등이 유사하게) 제조되었다. 보다 상세하게는, 저면 히터가 공정 내내 꺼져 있었지만 측면 히터 전력은 본체의 대략 절반이 성장된 후 약 120 ㎾로부터 약 140 ㎾로 점차 증가되었다. 또한, 엔드-콘의 성장이 시작된 후, 측면 히터 전력은 약 140 ㎾로부터 약 160 ㎾로 증가되었다.

일단 성장되고 나면, 당업계에 통상적인 수단에 의해 각각의 잉곳의 본체는 웨이퍼로 얇게 절단되었고, 이 웨이퍼들은 이들이 얻어진 본체의 20% 부분에 따라 그룹화되었다. 이어서, 이 웨이퍼들은 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 존재에 대해 당업계에 통상적인 수단에 의해 분석되었다. 본 발명의 공정에 대한 결과는 도10a 내지 도10e에 도시되어 있고, 일정한 측면 히터/저면 히터를 사용하지 않고서 성장된 이들 잉곳들의 비교 결과들은 도9a 내지 도9e에 도시되어 있다. 이상에서 상세히 설명된 바와 같이, 측면 히터 전력이 증가할 때 잉곳의 마지막 부분 내의 약 0.2 ㎛를 초과하는 LPD의 개수가 현저히 증가한다는 것을 관측할 수 있다.

상기된 바와 같이, 본 발명의 여러 가지 목적이 달성되는 것을 알 수 있을 것이다. 다양한 변형예가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상기 공정 조건에서 수행될 수 있기 때문에, 상기 설명에 포함된 모든 사항은 제한을 위한 것이 아니라 설명을 위한 것으로 해석되어야 한다.

Claims

초크랄스키법에 따라 실리콘 멜트로부터 인상되고, 시드-콘, 본체 및 엔드-콘을 순서대로 갖는, 단결정 실리콘 잉곳의 열 이력을 성장 중에 제어하는 방법에 있어서:

베이컨시가 상기 본체 내의 지배적인 고유 점 결함이 되도록 응고로부터 약 1325℃ 이상의 온도까지의 온도 범위에 걸쳐 상기 잉곳 본체의 성장 중에 (ⅰ) 성장 속도(v) 및 (ⅱ) 평균 축방향 온도 구배(G₀)를 제어하는 단계와;

상기 본체의 성장 중에 측면 히터와 저면 히터로 실리콘 멜트를 가열하는 단계로서, 상기 측면 히터는 상기 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 실질적으로 일정한 전력 레벨로 유지되는, 상기 가열 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 본체의 성장 중에, 저면 히터 전력은 상기 본체의 약 40%가 성장된 후에 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 본체의 성장 중에, 저면 히터 전력은 상기 본체의 약 50%가 성장된 후에 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 본체의 성장 중에, 저면 히터 전력은 상기 본체의 약 60%가 성장된 후에 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 엔드-콘의 성장이 완료될 때까지 저면 히터 전력은 약 0.01 내지 약 0.05 ㎾/㎜ 만큼씩 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 본체는 약 1℃/㎜ 미만의 평균 축방향 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 방법.
제1항에 있어서, 상기 본체는 약 0.5℃/㎜ 미만의 평균 축방향 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 잉곳 본체의 적어도 약 75%는 약 100개/㎠ 미만인 플로우 패턴 결함의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 잉곳 본체의 적어도 약 85%는 약 100개/㎠ 미만인 플로우 패턴 결함의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 측면 히터 전력은 상기 본체 및 엔드-콘의 성장 중에 약120 ㎾ 내지 약 130 ㎾ 사이에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 측면 히터 전력이 일단 개시되면, 저면 히터 전력은 약 0 ㎾로부터 약 25 ㎾ 미만까지 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 잉곳 본체의 상당 부분(substantial portion)은 약 25 내지 약 100분 동안 약 1000 내지 약 1100℃ 사이에서 체류하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 잉곳 본체의 상당 부분은 약 50 내지 약 75분 동안 약 1000 내지 약 1100℃ 사이에서 체류하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳 본체의 상당 부분은, 약 0.2 ㎛ 미만의 크기의 약 20개 미만인 LPD(light point defect)를 갖는 실리콘 웨이퍼를 얻도록 얇게 절단되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 잉곳 본체의 적어도 약 85%로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 잉곳 본체의 적어도 약 95%로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 웨이퍼는 약 0.2 ㎛ 미만의 크기의 약 15개 미만인 LPD(light point defect)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 웨이퍼는 적어도 약 70%의 게이트 산화막 인테그리티를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 웨이퍼는 적어도 약 80%의 게이트 산화막 인테그리티를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
잉곳으로부터, 적어도 약 50%의 게이트 산화막 인테그리티 값과 크기가 약 0.2 ㎛를 초과하는 약 20개 미만의 LPD(light point defect)를 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼가 얻어지도록, 상기 잉곳은 초크랄스키법에 따라 실리콘 멜트로부터 인상되고, 베이컨시가 내부의 지배적인 고유 점 결함이 되도록 성장 속도(v) 및 평균 축방향 온도 구배(G₀)가 응고로부터 약 1325℃ 이상의 온도까지의 온도 범위에 걸쳐 성장 중에 제어되며, 시드-콘, 본체 및 엔드-콘을 순서대로 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 있어서,

상기 본체 및 엔드-콘의 성장 중에, 측면 히터 전력은 실질적으로 일정하게유지되는 한편, 멜트가 재응고되는 것을 방지하기 위해 저면 히터로써 실리콘 멜트의 아래로부터 열을 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 웨이퍼는 적어도 약 70%의 게이트 산화막 인테그리티를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 웨이퍼는 적어도 약 80%의 게이트 산화막 인테그리티를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항, 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 웨이퍼는 약 0.2 ㎛를 초과하는 약 15개 미만의 LPD(light point defect)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항, 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 웨이퍼는 약 0.2 ㎛를 초과하는 약 10개 미만의 LPD(light point defect)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항, 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 잉곳 본체의 적어도 약 85%로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항, 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 잉곳 본체의 적어도 약 95%로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.