KR20070028114A - 실리콘 단결정 잉곳 성장장치 - Google Patents

Abstract

실리콘 단결정 잉곳 성장장치가 개시된다. 개시된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와; 상기 도가니의 외주면에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터와; 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 발생되는 COP 형성구간과 OISF 형성구간을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된 그래파이트 링;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 그래파이트 링을 그 하부 공간이 단열되도록 설치하여 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있는 이점이 있다.

COP, OISF, 그래파이트 링

Description

실리콘 단결정 잉곳 성장장치{APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}

도 1은 일반적인 결정 내부의 결함 형성구을 설명하기 위해 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 종래의 기술에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 4는 도 2와 도 3의 장치에서의 결정의 온도를 비교하여 나타내 보인 그래프.

도 5는 도 2와 도 3의 장치에서의 결정의 냉각속도를 비교하여 나타내 보인 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서의 결함 제어를 결정하는 인자를 설명하기 위해 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31. 도가니

32. 실리콘 융액

33. 실리콘 단결정 잉곳

34. 도가니 지지대

35. 회전축

36. 히터

37. 그래파이트 링

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속결정 성장에 있어서 결정특성에 크게 영향을 주는 결함형성구간에 따라 각각 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 크기(Size)와 밀도(Density)를 가진 결함을 얻을 수 있게 하기 위한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다. 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로서 일반적으로 몇 가지 공정단계로 나누어진다.

상기한 쵸크랄스키 법에 따라 단결정을 성장시킬 때 일반적으로 도가니의 외방에 설치된 히터로부터 발생되는 열이 실리콘 융액으로 전달되며, 이 때 융액의 온도는 잉곳에서 멀리 떨어질수록 높은 상태이므로, 열이 가장자리의 고온 융액으 로부터 상대적으로 저온인 잉곳에 도달할 때 받는 열충격이 결정 성장에 악영향을 미친다.

이와 같은 쵸크랄스키 법에 의한 고속 결정 성장 공정에서는 저결함 결정을 얻기가 어려워 결함이 발생하게 되는데 이때 발생되는 결함을 원하는 형태로 제어하는 것이 중요하다.

그러나, 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP(Crystal Originate Particle)와 OISF(Oxygen Induced Stacking Fault) 핵은 그 생성되는 온도 구간이 연속적으로 구성되어 있어 결함 형성에 있어서, 서로 비슷한 냉각속도를 가지게 된다.

도 1 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳 내부의 결함 형성구간을 나타내 보인 것이다.

도 1을 참조하면, 실리콘 융액(22)을 담는 도가니(21) 내의 중심에서 실리콘 단결정 잉곳(23)이 성장하면서 COP 형성구간 T1과, OISF 형성구간 T2를 각각 G1과 G2의 냉각속도를 가지며 지나게 된다.

이때 결함 형성구간 T1과 T2를 높은 냉각속도로서 지나게 되면, 작은 크기의 높은 밀도를 가진 결함이 형성되며, 낮은 냉각속도로서 지나게 되면 큰 크기의 낮은 밀도를 가진 결함이 형성하게 된다. 이는 반도체의 특성에 크게 영향을 미치는 결함이므로 결함을 적절히 제어해야 할 필요가 있다.

그리고 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서, 그래파이트(Graphite)로 이루어진 열실드(24)를 이용해 히터(Heater)(25)의 열을 적절히 차단 함으로써, 전술한 COP 형성구간(A)과 OISF 형성구간(B)의 냉각속도를 비슷하게 제어를 한 경우를 나타내 보인 것이다.

그러나, 상기한 COP 형성구간(A)과 OISF 형성구간(B)이 인접하므로, 두 구간의 냉각속도를 분리하는 새로운 장치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 그래파이트 링을 설치하여 결정의 결함 구간을 분리시킴으로써 고속 결정성장에서 결정특성에 크게 영향을 주는 결함형성구간인 COP 형성구간과 OISF 형성구간에서 각각 다른 냉각속도를 가지게 함으로써 원하는 크기와 밀도를 가진 결함을 얻을 수 있도록 한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와; 상기 도가니의 외주면에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터와; 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 발생되는 COP 형성구간과 OISF 형성구간을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된 그래파이트 링;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설 명하기로 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버(미도시)를 포함하며, 챔버의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)(33)의 성장이 이루어진다.

상기 챔버 내에는 실리콘 융액(SM)(32)을 담는 석영의 도가니(31)가 설치되며, 이 도가니(31)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(34)가 도가니(31)를 에워싸도록 설치된다.

그리고 상기 도가니 지지대(34)는 회전축(35) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(35)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(31)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 또한 상기 도가니 지지대(34)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(36)에 의해 에워싸여지며, 이 히터(36)는 보온통(미도시)에 의해 에워싸여진다.

상기 히터(36)는 도가니(31) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(32)으로 만들며, 상기한 보온통은 히터(36)에서 발산되는 열이 챔버의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

또한 상기 챔버의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 도가니(31) 내의 실리콘 융액(32)에 접촉되어 인상하면서 실리콘 단결정 잉곳(33)을 성장시키는 종결정이 설치된다.

상기한 인상 수단은 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(33)은 도가니(31)의 회전축(35)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(31)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올리도록 한다.

그리고 원활한 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장을 위해, 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 챔버의 상부로 유입하고, 사용된 불활성 가스는 챔버의 하부를 통해 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.

또한 상기 실리콘 단결정 잉곳(33)과 도가니(31) 사이에는 이 실리콘 단결정 잉곳(33)을 에워싸도록 열실드로써 그래파이트 링(37)(Graphite Ring)이 설치된다.

상기 그래파이트 링(37)은 웨이퍼가 면내에서 특성이 균질할 것이 요구되는 추세에 따라, 결정 반경방향으로의 수직 온도 기울기의 편차를 줄이기 위해 다양한 핫존(Hot Zone)을 설계하는 과정에서 개발된 것으로서, 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 방사되는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳(33) 외주부에서의 냉각속도를 늦추는 역할을 한다.

또한 본 발명의 특징부를 이루는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 그래파이트 링(37)은, 실리콘 단결정 잉곳(33) 성장 시 발생되는 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된다.

상기 그래파이트 링(37)은, 이 그래파이트 링(37)의 하부 공간이 단열되도록 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 일정 간격을 두고 수평을 유지하며 설치되고, 후술하는 도 6에 도시된 바와 같이, 좌우 길이 및 상하 위치가 조정되어 결정 결함 제어가 가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 그래파이트 링(37)이 설치되는 결정 결함 발생 영역은 900∼1120℃이고, 상기 그래파이트 링(37)은 실리콘 단결정 잉곳(33)과의 간격은 약 1㎝ 이격되며 설치된다. 즉, 상기 그래파이트 링(37)의 내주면과 실리콘 단결정 잉곳(33)의 외주면 사이에는 약 1㎝ 이격되며 설치된다. 그러나 이 이격 거리는 본 발명을 한정하지 않고, 상기 그래파이트 링(37)의 하부 공간이 단열이 이루어지면, 상기한 이격 거리는 1㎝ 이상이면 한정되지 않는다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

쵸크랄스키 법에 의한 고속 결정 성장 공정에서는 저결함 결정을 얻기가 어려워 결함이 발생하게 되는데 이때 발생되는 결함을 원하는 형태로 제어하는 것이 중요하다.

그러나, 전술한 바와 같이 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 핵은 그 생성되는 온도 구간이 연속적으로 구성되어 있어 결함 형성에 있어 서로 비슷한 냉각속도를 가지게 된다.

따라서 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 상기한 두 가지 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 함으로써 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있게 한 것이다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

도 3을 다시 참조하면, 상기 그래파이트 링(37)을 이용해 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 분리하여 그래파이트 링(37) 아래쪽에서 위쪽으로의 열전달을 차단함으로써 그래파이트 링(37) 아래 공간을 단열시켜 COP 형성구간(C)은 서서히 냉각되어 큰 크기의 낮은 밀도를 가지게 제어하며, 반면에 OISF 형성구간(D)은 빨리 냉각되어 OISF가 생성되지 않거나, 아주 작은 크기를 가지게 제어한다.

이를 위해 상기 그래파이트 링(37)을 실리콘 단결정 잉곳(33)으로부터 일정 간격을 두고 수평을 유지하며 설치되게 하고, 상기 그래파이트 링(37)을 결정 결함 발생 영역(900∼1120℃)에 설치하도록 하고, 특히 그래파이트 링(37)과 실리콘 단결정 잉곳(33)과의 간격을 약 1㎝ 이격되게 하며 설치한다.

이를 더욱 명료하게 설명하기 위하여 도 4에는 종래 기술에 따른 장치(도 2 참조)와 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(도 3)에서의 결정 온도를 비교한 그래프가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 종래의 기술에 따른 장치와 본 발명에 따른 장치에서의 결정의 온도가 상당한 차이를 나타내는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 장치의 결정이 결정 30cm까지는 서서히 냉각되는 것을 알 수 있다.

그리고 도 5에는 상기한 두 장치에서의 각각의 두 결정의 냉각속도를 비교한 그래프가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 결정이 COP 형성구간(C)에서의 냉각속도는 낮은 반면, OISF 형성구간(D)의 냉각속도는 상당히 빠른 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 장치를 이용하면 고속 쵸크랄스키 단결정 성장에서 COP 형성구간(C)과 OISF 형성구간(D)을 적절히 구분하여 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한 도 6에는 이러한 결함 제어를 결정하는 두 가지 인자를 나타내었다. 즉, 이 두 가지 인자는 상기 그래파이트 링(37)의 위치와 길이인데, 전술한 바와 같이, 상기 그래파이트 링(37)의 위치는 결정의 결함 발생 영역(900∼1120℃)에 위치해야 하며, 그래파이트 링(37)의 길이는 결정으로부터 1cm 이상부터이면 된다.

한편, 상기 그래파이트 링(37)은 흑연 재질의 링(37) 모양을 한 것으로, 이 그래파이트 링(37)의 길이가 길어질수록 결함 형성구간을 효과적으로 분리할 수 있으나, 결정의 직경을 고려하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 전산모사를 통해 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있게 장치설계를 할 수 있으며, 나아가서는 고속 단결정 성장에서 반도체의 수율에 좋지 않은 영향을 미치는 OISF의 발생은 제어하면서, 적절한 COP 크기와 밀도를 가질 수 있도록 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

그래파이트 링을 그 하부 공간이 단열되도록 설치하여 결정성장에서 발생되는 주된 결함인 COP와 OISF 결함의 형성 온도구간을 분리하여 다른 냉각속도를 가지게 하여 원하는 결함의 크기와 밀도를 제어할 수 있다. 따라서 원하는 형태의 결정결함을 얻을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 있어서,

   챔버와;

   상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와;

   상기 도가니의 외주면에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터와;

   상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 발생되는 COP 형성구간과 OISF 형성구간을 분리되게 결정 결함 발생 영역 위치에 설치된 그래파이트 링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 그래파이트 링은,

   상기 그래파이트 링의 하부 공간이 단열되도록 상기 실리콘 단결정 잉곳으로부터 일정 간격을 두고 수평을 유지하며 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 그래파이트 링은 좌우 길이 및 상하 위치가 조정되어 결정 결함 제어가 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 결정 결함 발생 영역은 900∼1120℃인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 그래파이트 링은 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 간격은 약 1㎝ 이격되며 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.

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