KR20020062971A - 실리콘 반도체 단결정의 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

실리콘 반도체 단결정을 육성함에 있어, 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 축방향으로의 산소 석출량의 안정화와 균일화를 도모하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치를 제공한다. 실리콘 융액을 유지하는 도가니를 수용하여 실리콘 반도체 단결정을 육성하기 위한 주육성로와, 실리콘 융액에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 수용하여 냉각하는 상부 육성로를 구비한 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 제조장치에 있어서, 그 주육성로의 천정부에 연통하는 그 상부 육성로에, 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 둘러싸는 상부 단열재를 배설하도록 했다.

Description

실리콘 반도체 단결정의 제조장치 및 제조방법{SILICON SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD}

종래부터, CZ법을 이용한 실리콘 반도체 단결정의 육성에 있어서는, 실리콘 반도체 단결정의 제조장치 육성로에 배치된 도가니에 다결정 실리콘을 수용하고, 도가니를 둘러싸듯이 배치된 가열히터를 발열시킴으로써 다결정 실리콘을 융해하여 실리콘 융액으로 하며, 이 실리콘 융액의 표면에 종결정을 착액한 후에, 천천히 회전시키면서 실리콘 융액 상방으로 끌어올림으로써, 거의 원통모양의 정경부(定徑部)를 가지는 실리콘 반도체 단결정을 육성하는 것이다. 이후, 끌어올린 실리콘 반도체 단결정은, 정경부를 남겨 두고 절단, 연삭 가공되며, 웨이퍼 가공 공정을 거쳐 실리콘 반도체 웨이퍼가 된다. 이와 같이 하여 얻어진 실리콘 반도체 웨이퍼는, 웨이퍼 표층에 전기회로가 형성되어 집적회로 등을 만들기 위한 반도체소자 기판으로서 이용된다.

이 실리콘 반도체 웨이퍼의 표층에 전기회로를 제작하는 공정에 있어서, 실리콘 반도체 웨이퍼 중에 포함되는 산소원자는 실리콘 원자와 결합하여, 실리콘 반도체 웨이퍼 내부에 BMD(Bulk Micro Defect) 등의 산소 석출물을 형성한다. 그리고, 이 BMD 등의 산소 석출물은, 반도체 소자 형성공정 중에 혼입하는 여분의 중금속 등의 오염원자를 포획(Gettering)하여, 반도체소자의 특성과 수율을 향상시키는 것이 알려져 있다. 따라서, BMD 등의 산소 석출물이 보다 많이 존재하는 실리콘 반도체 웨이퍼기판을 이용하면, 기판표층에 형성되는 반도체소자의 수율향상을 도모할 수 있게 된다.

산소 석출물의 량은, 실리콘 반도체 웨이퍼 중에 최초부터 포함되는 산소의 농도와, 그 실리콘 반도체 웨이퍼가 결정성장 중에서부터 반도체소자 형성공정에 들어갈 때까지 받는 열이력에 의존한다. 그러나, 일반적으로 실리콘 반도체 웨이퍼에 포함되는 산소농도에는 규격이 있으며, 용이하게 변경할 수 있는 것은 아니다.

또, 실리콘 반도체 단결정에서는, 성장축방향의 산소농도분포가 균일하더라도, 산소 석출량에, 성장한 결정의 종측에서는 비교적 산소 석출량이 많으며, 융액측에서는 비교적 적다는 축방향 분포가 있는 것이 알려져 있다. 이것은 단결정 중에 산소 석출핵이 형성되어, 성장하는 비교적 저온의 온도대에서의 열이력의 축방향 분포에 기인하는 것으로 생각되어 지고 있다.

그래서, 실리콘 반도체 단결정의 육성에서 실리콘 반도체 웨이퍼로 가공하는 동안에, 열이력을 소망의 값으로 조작하는 기술이 개시되어 있다. 예컨대, 특개소 58-120591호 공보에는, 실리콘 반도체 단결정의 성장 중에 히터가열을 가함으로써, 결정의 열이력을 조작하여 석출을 증가시키는 방법이 개시되어 있으며, 또, 특개평2-263792호 공보에는, 실리콘 반도체 결정의 육성 후에 어닐하는 방법 등도 검토가 행해지고 있다.

그러나, 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 시에 가열하는 방법으로는, 제조장치에 육성된 실리콘 반도체 단결정을 가열하기 위한 가열장치를 설치하는 대규모의 개조나 육성결정을 가열하기 위한 전력이 필요하며, 코스트나 작업성의 면에서 보아 효율적인 방법이라고는 말할 수 없다. 또, 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 시의 온도 밸런스를 강제적으로 변경하는 것으로 되기 때문에, 육성결정에 전위가 발생하여 제품화할 수 없다는 문제점도 있다.

한편, 실리콘 반도체 단결정 성장 후에 어닐을 행하는 방법에 있어서는, 인고트(ingot)의 상태에서의 어닐 혹은 웨이퍼 상태에서의 어닐 등과 같은 방법을 생각할 수 있지만, 어느 경우도 어닐을 위한 고가의 장치가 필요하며, 또, 일반적으로는 이들 어닐을 위한 장치의 러닝 코스트도 높고, 역시 제조 코스트를 고려하면 비효율적인 방법이다. 그리고, 이 어닐에 의해 결정 중의 산소 석출을 컨트롤한다는 방법은, 어닐공정에서의 중금속에 의한 오염 등의 염려도 있는 과제가 남아있는 방법이기도 하다.

(발명의 개시)

본 발명은, 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 실리콘 반도체 단결정을 육성함에 있어, 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 축방향에서의 산소 석출량의 안정화와 균일화를 도모하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실리콘 단결정의 제조장치는, 실리콘 융액을 유지하는 도가니를 수용하여 실리콘 반도체 단결정을 육성하기 위한 주 육성로와, 실리콘 융액에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 수용하여 냉각하는 상부 육성로를 구비한 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 제조장치에 있어서, 그 주육성로의 천정부에 연통하는 그 상부 육성로에, 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 둘러싸는 상부 단열재를 배설한 것을 특징으로 한다.

실리콘 반도체 단결정에 산소를 보다 많이 석출시키기 위해서는, 결정육성 시에 산소 석출을 초래하는 핵을 결정 내부에 형성하여, 그것을 크게 성장시키는 것이 필요하다. 어느 일정한 온도로 실리콘 반도체 단결정에 열처리를 가한 경우, 그 온도에서의 임계반경보다 큰 산소 석출핵은 크게 성장하며, 그 이하의 사이즈의 것은 실리콘 반도체 단결정의 내부에서 소멸해 간다. 이때의 산소 석출핵의 임계반경은, 열처리 온도가 높게 됨에 따라 크게 된다. 따라서, 실리콘 반도체 웨이퍼의 오염물질을 포획(Gettering)하는 BMD를 형성하기 위해서는, 반도체소자 형성공정의 열처리에서 없어지지 않을 정도로 산소 석출핵을 크게 해 두는 것이 긴요(肝要)하다. 그러기 위해서는, 반도체소자 형성공정에서 받는 열처리 온도보다도 낮은 온도에서의 열처리 또는 열이력을 많이 부가하여, 산소 석출핵을 크게 하는 것이 필요하게 된다.

실리콘 반도체 단결정은, 제조장치의 육성로에서 단결정 형성이 행해진 후에 상부 육성로로 끌어올려져 방냉이 행해지기 위해서, 이때의 저온부분에서의 냉각온도가 소망의 값이 되도록 조정하면, 저온부분에서 열이력을 많이 얻을 수 있도록되어 BMD의 형성이 촉진된다.

이와 같은 품질을 지닌 실리콘 반도체 단결정을 용이하게 육성하기 위해서는, 실리콘 반도체 단결정이 방냉될 때의 냉온부에서의 열이력을 충분히 얻을 수 있도록, 상부 육성로에 끌어올린 결정을 보온하기 위한 상부 단열재를 배치하는 것이 가장 간단하고 우수한 방법이며, 상부 육성로의 전장(全長) 정도로 하든지, 최소라도 상부 육성로의 전장의 1/20 정도를 보온할 수 있도록 상부 단열재를 배치하면 좋다. 상부 육성로에 배치하는 상부 단열재는, 상부 육성로 전장의 1/20 이하에서는 충분한 보온효과를 얻기 어렵게 되기 때문이다.

그리고 낭비없이 적절하게 실리콘 반도체 단결정의 저온영역에서의 보온효과를 얻기 위해서는, 실리콘 반도체 단결정의 육성이 행해지는 제조장치의 육성로 천장부에 연통하는 상부 육성로 내부의 온도가 800℃ 이하, 가장 상부 단열재의 길이가 짧은 경우라도 400℃ ~ 650℃의 온도대 부분이 보온되도록 상부 단열재를 배설하여, 이들의 온도영역에서의 실리콘 반도체 단결정의 열이력이 길게 되도록 조정하면, 산소 석출량을 크게 할 수 있을 뿐아니라, 결정의 전장에 걸쳐 안정한 산소 석출을 확보할 수 있다.

특히, 실리콘 반도체 단결정의 제조장치를 본 발명 장치의 구성으로 함으로써, 실리콘 반도체 단결정의 육성에 있어, 종결정측에 해당하는 결정 전반부는, 결정의 후반부의 육성 중에 상부 육성로 내에 놓인 단열부재의 내부를 통과하고 있기 때문에, 충분한 저온부에서의 열이력을 받을 수 있으며, 또, 실리콘 반도체 단결정의 후반부는 단결정 육성 중에 이 단열부재의 내부를 통과하는 일은 없지만, 실리콘 반도체 단결정을 방냉하기 위해 상부 육성로 내로 감아올려, 실리콘 반도체 단결정을 추출할 수 있는 정도의 저온으로 될 때까지 냉각할 때에, 상부 육성로의 단열부재에 둘러싸이게 되며, 실리콘 반도체 단결정의 전반부와 마찬가지로 결정이 실리콘 융액에서 떼어낸 후에도, 저온부에서의 열이력을 충분하게 얻을 수 있는 것이다.

그리고, 이와 같은 대책을 논함으로써, 실리콘 반도체 단결정을 육성하기 위한 조업조건 등에 의해 결정의 전반부와 후반부에서는, 저온에서 보온을 받는 시간에 다소의 차이는 있지만, 단열부재가 없을 때에 비하면 결정 전반부와 후반부에서의 산소 석출량의 차는 작게 되며, 결정 직동(直胴)부의 전장에 걸쳐 산소 석출량이 균일화된 결정을 얻을 수 있는 것이다.

또, 상술한 바와 같이 실리콘 단결정에 초래되는 산소 석출량은, 결정이 냉각될 때의 저온부에서의 열이력의 길이에 크게 관계하는 것으로부터, 육성을 행하는 실리콘 반도체 단결정의 품종이나 품질에 맞추어, 제조장치의 상부 육성로에 배설하는 상부 단열재의 길이를 조정하도록 하면, 보다 효과적으로 소망하는 산소 석출량을 지닌 실리콘 반도체 단결정의 육성이 가능하다. 예컨대, 끌어올리는 실리콘 반도체 단결정의 직경이나 길이 혹은 결정 중의 산소농도 등으로 한 결정품종에 맞추어, 단결정을 육성할 때마다, 상부 육성로 내의 상부 단열재를 길이가 상이한 것으로 교환하도록 해도 좋으며, 상부 단열재 그것을 결정성장 축방향으로 복수 겹치게 한 것으로서 상부 육성로 내에 장비하고, 소망하는 실리콘 반도체 단결정의 산소 석출량에 의해, 장비하는 상부 단열재의 수를 바꾸어 보온하는 결정 저온부의온도영역을 바꿀 수 있도록 해도, 바람직하다.

이와 같은 제조장치를 이용함으로써, 상부 육성로에 배설하는 상부 단열재의 길이를 바꿈으로써, 보온되는 결정 저온부의 온도영역 폭을 적절하게 조절하는 것이 가능하게 되며, 끌어올리는 실리콘 반도체 단결정의 산소 석출량을 소망하는 값으로 컨트롤 가능하게 된다.

한편, 이 실리콘 반도체 단결정을 보온하는 목적으로 상부 육성로에 배설되는 상부 단열재에는, 상부 육성로 내부라 해도 수백℃에서 800℃정도의 고온에 노출되게 되기 때문에, 실리콘 반도체 단결정을 육성하는 육성로에 배치되어 있는 히터 단열재 등과 동일한 탄소섬유를 형성하여 얻어지는 재료를 이용한 상부 단열재를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 바람직하게는 단열부재에서 불순물 등이 육성로 내에 비산하지 않도록 상부 단열재 표면을 고순도 흑연재, 혹은 표면을 열분해 탄소 또는 탄화규소의 피막을 시행한 고순도 흑연재로 피복하거나, 또는, 철, 니켈, 크롬, 동, 티탄, 텅스텐 및 몰리브덴 등으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 한 금속을 주 성분으로 하는 금속재료로 덮도록 하는 것이 좋다.

그리고, 이들의 장치를 이용함으로써 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 축방향의 산소 석출량이 거의 균일하게 안정되기 때문에, 각각의 결정부위에서 얻어진 실리콘 반도체 웨이퍼에, 다음 공정에서 디바이스 시뮬레이션 등의 어떠한 열처리를 시행함으로써 얻어지는 산소 석출량의 개체간의 편차도 경감되어, 소자품질이나 수율의 안정을 도모하는 것이 가능하게 되는 것이다.

본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조방법의 제1의 태양은, 상기한 본 발명의 제조장치를 사용하여 실리콘 반도체 단결정을 제조하는 것이다.

본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조방법의 제2의 태양은, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 제조방법에 있어서, 도가니에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정의 온도가 800℃ 이하가 되는 부분을, 외부에서 가열하지 않고 보온하면서 실리콘 반도체 단결정을 성장시키는 것이다.

(도면의 간단한 설명)

도1은, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치의 하나의 실시형태를 나타내는 개략 단면적 설명도이다.

도2는, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치의 다른 실시형태를 나타내는 것으로, (a)는 요부의 개략 단면 설명도, (b)는 상부 단열재의 적시 사시도이다.

도3은, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치의 또 다른 실시형태를 나타내는 것으로, (a)는 요부의 개략 단면 설명도, (b)는 상부 단열재의 적시 사시도이다.

도4는, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치의 다른 실시형태를 나타내는 것으로, (a)는 요부의 개략 단면 설명도, (b)는 상부 단열재의 적시 사시도이다.

도5는, 실시예1 및 비교예1에서의 주육성로 ~ 상부 육성로 중심부의 온도와 실리콘 융액면에서의 거리와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도6은, 실시예2 및 비교예2에서의 (a) 정경부의 0 ~ 25㎝, (b) 정경부의 25㎝ ~ 75㎝, (c) 정경부의 75㎝ 이후의 초기 산소농도와 산소 석출량의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

이하에, 본 발명의 실시형태를 첨부도면을 참조하면서, CZ법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 육성예를 들어 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 육성에 이용하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치는, 실리콘 융액에 자장을 인가하면서 단결정을 육성하는, 자계하인상법(Magnetic Field Applied Czochralski Method, 이하, MCZ법이라고 칭한다.)을 이용한 실리콘 반도체 단결정의 제조장치에도 당연히 이용하는 것은 가능하다.

도1은, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치(이하, 단결정 제조장치라 칭하는 경우도 있다.)의 하나의 실시형태를 나타내는 단면 개략도이다. 도1에서 단결정 제조장치(10)는, 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하는 주육성로(12)와, 끌어올린 실리콘 반도체 단결정(S)을 수용 방냉을 행하기 위한 상부 육성로(14)를 가지고 있으며, 주육성로(12)의 내부 중앙에는 도가니 지지축(16)을 축으로 하여, 내측을 석영제 도가니(18a)로 외측을 흑연제 도가니(18b)로 구성된 도가니(18)가, 도가니 지지축(16)의 하단에 설치된 도가니 구동기구(20)에 의해 회전동가능 또 상하동가능하게 배치되어 있다. 도가니(18)에는 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하기 위한 원료가 되는 실리콘 융액(M)이 수용되어 있으며, 또한, 도가니(18)의 외측에는 도가니(18)를 둘러싸듯이 흑연제의 가열히터(20)가 배치되며, 이 가열히터(20)를 발열시킴으로써 도가니(18) 내에 담긴 다결정 실리콘을 용해하여, 얻어진 실리콘 융액(M)에서 실리콘 반도체 단결정(S)을 끌어올리는 것이다. 그리고, 가열히터(20)와 주육성로(12)의 사이에는 히터 단열재(22)가 설치되어, 주육성로(12)의 로벽의 보호와 로내를 보온하는 열활을 하고 있다.

상부 육성로(14)의 상부에는 육성한 실리콘 반도체 단결정(S)을 끌어올리기 위한 와이어(24)를 감거나 또는 풀기 위한 와이어 권양기(winch)(26)가 있으며, 결정 육성시에는 도가니(18)와 반대방향으로 와이어(24)를 회전시키면서 천천히 감음으로써, 종결정(26)의 하방에 결정의 성장을 도모한다. 와이어(24)의 선단에는 종결정(26)을 유지하기 위한 종홀더(28)가 설치되며, 종결정(26)은 이 종홀더(28)에 의해 와이어(24)와 계합되어 있다.

그리고, 단결정을 육성하기에 있어서는 육성로 내부를 Ar(아르곤) 등의 불활성가스로 채워 로내의 압력을 소망의 값으로 조정하여 육성작업을 행하기 위해, 육성로 외에는 불활성가스의 유량과 로내 압력을 조정하는 가스량 제어장치(30)와 콘덕턴스 밸브(32)가 장비되어 있으며, 이것에 의해 육성로 내의 불활성가스 압력과 유량을 육성조건에 맞추어 적절하게 조정 가능하게 하고 있다.

또, 상부 육성로(14)의 주육성로(12)의 천정부(12a)와 연통하는 부분 부근에는, 실리콘 융액(M)에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정(S)의 방냉에 있어, 결정 저온영역의 보온을 행하기 위한 상부 단열재(34)가 그 실리콘 반도체 단결정(S)을 둘러싸듯이 배치되어 있다. 이 상부 단열재(34)의 배치는 본 발명장치의 특징적 구성으로, 실리콘 반도체 단결정(S)이 통과할 때에, 소망하는 결정 냉각 온도대의 보온을 행하는 것이다.

상부 단열재(34)의 재질은, 보온효과를 높이기 위해 탄소섬유 성형 단열재를 이용하며, 상부 단열재의 표면은, 육성로 내부의 오염방지를 위해 스테인레스제의 피복을 시행하고, 탄소섬유의 먼지 등이 육성로 내에 비산하지 않도록 하고 있다.

실리콘 반도체 단결정(S)의 산소 석출량을 크게 하고, 또 성장축방향의 산소 석출량 분포를 작게 하기 위해서는, 상부 단열재(34)를 상부 육성로 내부의 온도가 800℃ 이하, 보다 바람직하게는 400℃ ~ 650℃인 부분에 설치하는 것이 바람직하다. 또, 육성된 단결정의 온도가 상부 육성로 내에서 800℃ 이하로, 바람직하게는 400℃ ~ 650℃가 되는 부분에 상부 단열재(34)를 설치하는 것도 유효하다.

또한, 상부 단열재(34)를 피복하는 재질로서는, 상술의 스테인레스 이외에 고순도 흑연재, 혹은 고순도 흑연재의 표면을 탄화탄소 또는 열분해 탄소로 피복한 것을 사용해도 좋으며, 니켈, 크롬, 동, 티탄, 텅스텐, 몰리브덴 등의 금속을 주성분으로 하는 금속재료를 이용하여 피복해도 좋다.

이와 같은 단결정 제조장치(10)을 이용하여 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하기 위해서는, 먼저 다결정 실리콘을 주육성로(12) 내부의 도가니(18)에 충전하여 로내를 불활성가스로 채운 후에, 주육성로(12) 내에 흐르는 불화성가스의 량과 압력을 조정하면서 가열히터(20)를 발열하여 다결정 실리콘을 융해한다. 다결정 실리콘이 완전하게 융해되면, 실리콘 융해(M)를 수용한 도가니(18)를 상하로 움직여 종결정(26)을 실리콘 융액면(M)에 착액시키는데 적합한 위치에 조정한다.

그후, 실리콘 융액(M)의 온도를 종결정(26)을 착액시키는데 적합한 온도까지온도를 내려, 융액온도가 충분하게 낮게 안정하면 와이어(24)를 풀어 종결정(26)을 실리콘 융액(M)에 천천히 착액시켜 종결정(26)을 정지하며, 온도가 안정되었을때 이번은 종결정(26)과 도가니(18)를 서로 반대방향으로 천천히 회전시키면서, 서서히 와이어(24)를 감아올려 종결정(26)의 하방에 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하는 것이다.

실리콘 반도체 단결정(S)의 형성에 있어서는, 먼저 종결정(26)의 선단부를 가늘게 좁힌 압연부(26a)를 형성하여, 종결정(26)을 실리콘 융액(M)에 착액시켰을 때에 초래된 슬립프 전위를 제거한다. 슬립프 전위가 육성결정에서 소멸한 후에, 종결정(26) 하방에 형성되는 결정 직경을 소망의 직경으로 될때까지 확대하여, 실리콘 반도체 단결정(S)의 확경부(擴徑部)(S1)를 형성한다. 확경부(S1)를 형성한 후에는, 실리콘 반도체 웨이퍼가 되는 소망한 일정 직경을 지닌 거의 원통모양의 정경부(S2)의 형성으로 이행한다. 그리고, 소망한 길이의 정경부(S2)의 형성을 끌어올리면, 실리콘 반도체 단결정(S)에 열 충격을 가하지 않고 실리콘 융액(M)에서 떼어냄으로써, 서서히 결정지름을 축경하여 축경부(縮徑部)(S3)의 형성으로 옮겨간다.

축경부(S3)의 형성이 완료하고, 실리콘 반도체 단결정(S)이 실리콘 융액(M)에서 떨어진 후는, 실리콘 반도체 단결정(S)을 천천히 상부 육성로(14)까지 감아올려 방냉을 행하여, 실리콘 반도체 단결정(S)의 육성작업을 종료하는 것이다.

또한, 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하는 동안은, 결정 직경을 일정하게 유지하여 결정품질이나 실리콘 반도체 단결정(S)에 가해지는 열이력의 안정을 도모하기 위해 도가니 구동기구(20)를 조작하여 항상 실리콘 융액면(M)의 높이를 일정하게 유지하여 조업이 행해지고 있다.

도2는, 본 발명 장치에서의 상부 단열재(34)를 상부 육성로(14)에 설치한 다른 예를 나타내는 것이다. 도2의 예에서는 상부 육성로(14)에 설치된 볼록부(36)에 장척의 상부 단열재(34)가 착탈 가능하게 배치되어 있다. 도3은 상부 단열재(34)의 또 다른 설치예를 나타내는 것으로, 볼록부(36)를 통해서 단축의 상부 단열재(34)가 설치된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 육성하는 실리콘 반도체 단결정(S)의 요구품질에 의해 용이하게 상부 단열재(3)를 교환 가능하게 한 것이다.

도4는, 본 발명 장치에서의 상부 단열재(34)의 배치의 다른 예를 나타낸 것이다. 도4의 예에서는, 상부 육성로(14) 내에 설치된 복수개(도시 예에서는 5개)의 볼록부(36)에 복수개(3개가 설치되며, 1개는 제거되어 있다)의 상부 단열재(34)가 착탈 가능하게 배치되어 있다. 이 경우, 상부 단열재(34)를 적절하게 착탈함으로써, 상부 육성로(14) 내에 수용된 실리콘 반도체 단결정(S)의 보온부위나 보온을 행하는 결정육성 축방향의 길이를, 적절하게 간단하게 변경할 수 있다.

도2 ~ 도4와 같은 장치구조로 함으로써, 자유롭게 보온을 행하는 온도영역이나 그 폭을 변경할 수 있는 것이다. 상부 단열재(34)의 형상으로서, 도시예에서는 통상체(筒狀體)로 한 예를 나타냈지만, 실리콘 반도체 단결정(S)을 둘러싸는 형상이면 좋고, 통상체를 분할한 형태의 것, 혹은 상면마제형의 거의 통상체 등을 이용할 수도 있다. 또한, 도2 ~ 도4에 있어서는, 도1과 동일 또는 유사부재는 동일의 부호를 이용하여 나타내고 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정하여 해석되는 것은 아니다.

(실험예 1)

본 발명장치에서의 상부 육성로(14)에 설치된 상부 단열재(34)의 보온효과를 확인하기 위해, 도1과 동일한 장치를 이용하여, 로내 중심의 결정육성 축방향의 온도분포를 측정하여, 상부 육성로(14)에 상부 단열재(34)가 없는 통상의 단결정 육성장치와의 비교를 행했다. 또한, 이때의 상부 단열재(34)의 길이는 50㎝로 했다. 이 결과를 도5에 나타낸다.

이 측정결과에서, 단결정 제조장치(10)의 상부 육성로(14) 내에 단열부재(34)를 설치한 효과에 의해, 600℃ ~ 300℃ 사이의 전후로 비교적 저온의 온도영역에서 온도분포가 완만하게 되는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 단결정 제조장치(10)를 이용하여 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성하면, 상부 육성로(14)에 단열부재(34)를 배치하지 않은 때에 비해, 실리콘 반도체 단결정(S)이 방냉될 때에 저온 열이력을 길게 받는 것이 판명되었다.

(실시예 1)

다음에, 실제로 도1에 나타내는 상부 단열재(34)를 설치한 본 발명의 단결정 제조장치(10)를 이용하여, 복수개(3개)의 실리콘 반도체 단결정(S)의 육성을 행했다.

단결정 제조장치(10)의 주육성로(12)에는 구경이 55㎝인 석영제 도가니(18)를 넣고, 도가니(18) 내에 다결정 실리콘을 120㎏ 넣어, 가열히터(20)를 발열시켜 실리콘 융액(M)으로 했다. 그리고, 실리콘 융액(M)의 온도가 안정하게 된 후에 종결정(26)을 실리콘 융액(M) 표면에 접융시켜 끌어올려, 종결정(26)의 하방에 정경부(S2)의 길이가 100㎝이며 결정 직경이 200㎜인 실리콘 반도체 단결정(S)을 육성했다. 이때의 실리콘 반도체 단결정(S)의 정경부(S2)의 인상속도는 0.9 ~ 1.0㎜/min이 되도록 설정하여 결정육성을 행했으며, 실리콘 반도체 단결정(S)의 육성종료 후, 또한 실리콘 반도체 단결정(S)의 정경부(S2)를 웨이퍼로 가공하여 결정 중심부에서의 산소 석출량을 측정했다. 육성한 3개의 실리콘 반도체 단결정(S)에 대해서의 측정결과를, 도6에 나타낸다.

도6에 있어서는, 실리콘 반도체 단결정(S)의 종결정측의 정경부(S2) 선단을 0㎝로 하며, 정경부(S2)의 0 ~ 25㎝ 이하를 전반부, 정경부(S2)의 25㎝ ~ 75㎝를 중반부, 그리고, 정경부(S2)의 75㎝ 이후를 후반부라 하여, 각각의 실리콘 반도체 단결정(S)의 초기 산소농도에 대한 산소 석출량을 도6의 (a) (b) (c)로 각각 나타냈다.

또한, 산소 석출량을 측정하기 위해 웨이퍼 샘플에 가한 열처리 조건은, 600℃ × 180min + 1000℃ × 60min + 110℃ × 180min으로 하여 열처리를 시행한 후에 측정을 행한 것이다. 또, 산소 석출량은 열처리 전후의 적외흡수에 의해 산소 온도를 측정하여, 열처리 전의 값에서 열처리 후의 값을 빼 산출했다.

(비교예 1)

도1에 나타내는 반도체 단결정 제조장치(10)의 상부 육성로(14)에서 상부 단열재(34)를 제거한 이외는 실시예 1과 같은 조건으로 직경이 200㎜, 정경부의 길이가 100㎝인 실리콘 반도체 단결정(3개)의 인상을 행했다. 실리콘 반도체 단결정의 제조가 완료한 후에, 역시 실시예 1과 같이 산소 석출량의 확인을 행하기 위한 측정 샘플용 웨이퍼를 결정의 각 부위에서 커팅처리를 행하며, 열처리를 가하여 산소 석출량의 측정을 행했다. 육성한 3개의 실리콘 반도체 단결정에 대한 측정결과를 도6에 나타낸다.

도6의 그래프에 있어서도, 실리콘 반도체 단결정의 종결정측의 정경부 선단을 0㎝로 하며, 정경부의 0 ~ 25㎝ 이하를 전반부, 정경부의 25㎝ ~ 75㎝를 중반부, 그리고, 정경부의 75㎝ 이후를 후반부라 하여, 각각의 실리콘 반도체 단결정의 초기 산소농도에 대한 산소 석출량을 도6의 (a) (b) (c)로 각각 나타내는 것이며, 이때의 산소 석출량을 측정하기 위해 웨이퍼 샘플에 가한 열처리 조건도, 600℃ × 180min + 1000℃ × 60min + 1100℃ × 180min으로 하여 실시예 1과 동일하게 했다.

이상의 결과에서, 실시예 1에서는 비교예 1에서 나타낸 상부 육성로(14)에 상부 단열재(34)를 설치하지 않는 단결정 제조장치로 육성한 실리콘 반도체 단결정(S)에 비해, 정경부(S2) 전체에 걸쳐 산소 석출량이 많고, 정경부(S2)의 전반부와 후반부에서의 산소 석출량도 균일성이 높은 것이 판명되었다. 또한, 상부 육성로(14)에 상부 단열재(34)를 설치함으로써, 실리콘 반도체 단결정(S)의 육성 도중에 슬립프 전위가 발생하여 육성결정이 단결정화하지 않은 것과 같은 문제도 발생하지 않고 단결정 육성이 행해져, 상부 단열재(34)를 배치하여 준비함으로써단결정 제조장치 내부의 열 밸런스를 붕괴하여 결저성장을 저해하는 등의 불합리도 생기지 않는 것도 확인되었다.

이것에 대해, 비교예 1의 결과에서는, 실시예 1의 경우와 비교하여, 산소 석출량이 적고, 정경부 전반부에 비해 후반부의 산소 석출량이 낮은 것이 판명되며, 결정성장 축방향에서 산소 석출량에 편차가 있다는 것을 알 수 있다. 또, 전체적으로 산소 석출량 그 자체도 낮은 값을 나타내고 있다.

또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상술의 실시형태는 단순한 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이라도, 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것은 물론이다.

예컨대, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 육성에 이용하는 종결정이나 실리콘 반도체 단결정의 제조방법을, 실리콘 융액에 자장을 인가하지 않고 실리콘 융액에서 실리콘 반도체 단결정을 끌어올리는 CZ법을 예로 들어 설명했지만, 반도체 단결정 제조장치의 육성로의 외측에 자석을 배치하여, 실리콘 융액에 자장을 인가하면서 단결정을 육성하는 MCZ법을 이용한 실리콘 반도체 단결정의 제조에 있어서도, 같은 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명은, 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하, CZ법이라 칭한다)을 이용한 실리콘 반도체 단결정의 제조장치와, 그 장치를 이용한 실리콘 반도체 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

이상에 서술한 바와 같이, CZ법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 육성에 있어서, 본 발명의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치를 이용하면, 실리콘 반도체 단결정의 제조장치에 고가이며 복잡한 장치를 부가하거나, 혹은 육성 후의 실리콘 반도체 단결정에 열처리를 가하기 위한 장치등을 도입하지 않고, 결정 전장에 걸쳐 산소 석출량이 안정한 균일한 실리콘 반도체 단결정을 육성할 수 있도록 되며, 저코스트이며 또 제조공정의 변경을 필요로 하지 않으며 품질편차가 적은 우수한 실리콘 반도체 웨이퍼가 제조 가능하게 된다.

또, 동시에 종래의 것에 비해 산소 석출량을 높인 실리콘 반도체 단결정을 용이하게 공급 가능하게 되는 것이며, 그들의 실리콘 반도체 단결정에서 얻어진 웨이퍼를 이용하여 반도체소자를 제조하면, 소자 수율의 향상을 도모할 수 있을 뿐만아니라, 반도체소자의 품질을 더 높이는 것이 가능하게 되는 것이다.

Claims (11)

1. 실리콘 융액을 유지하는 도가니를 수용하여 실리콘 반도체 단결정을 육성하기 위한 주육성로와, 실리콘 융액에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 수용하여 냉각하는 상부 육성로를 구비한 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 제조장치에 있어서, 그 주육성로의 천정부에 연통하는 그 상부 육성로에, 끌어올린 실리콘 반도체 단결정을 둘러싸는 상부 단열재를 배설한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재의 결정성장 축방향의 길이를, 그 상부 육성로의 전장(全長)에 대해 1/20 이상으로 또 그 상부 육성로의 전장 이하의 길이로 한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재를, 그 상부 육성로 내부의 온도가 800℃ 이하가 되는 위치에 배설한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재를, 그 상부 육성로 내부의 온도가 400℃ ~ 650℃가 되는 위치에 배설한 것을 특징으로 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재는, 탄소섬유를 성형하여 얻어진 재료로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재의 표면을 고순도 흑연재, 혹은 표면을 열분해 탄소 또는 탄화규소의 피막을 시행한 고순도 흑연재로 피복한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재의 표면을 철, 니켈, 크롬, 동, 티탄, 텅스텐 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 금속을 주성분으로 하는 금속재료로 피복한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한항에 있어서,

   소망하는 실리콘 반도체 단결정의 냉각 열이력에 맞추어, 상기 상부 육성로에 배설하는 상기 상부 단열재를 교환 가능하게 한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 상부 육성로 내에 실리콘 반도체 단결정의 결정성장축에 따라 상기 상부 단열재를 복수개 배설하여, 소망하는 실리콘 반도체 단결정의 냉각 열이력에 맞추어, 실리콘 반도체 단결정의 결정성장 축방향으로 배치하는 상기 상부 단열재의 개수를 조정 가능하게 한 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한항 기재의 실리콘 반도체 단결정의 제조장치를 사용하여 실리콘 반도체 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조방법.
11. 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 반도체 단결정의 제조방법에 있어서,

    도가니에서 끌어올린 실리콘 반도체 단결정의 온도가 800℃ 이하가 되는 부분을, 외부에서 가열하지 않고 보온하면서 실리콘 반도체 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 단결정의 제조방법.