KR20070094726A

KR20070094726A - 단결정 제조장치

Info

Publication number: KR20070094726A
Application number: KR1020077008057A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 사쿠라다
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-09-21
Also published as: CN101040068A; US20080035050A1; EP1808514A1; WO2006040878A1; JPWO2006040878A1

Abstract

쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 단결정 제조장치로서, 적어도, 상기 단결정의 육성을 행하는 챔버 내에서 실리콘 단결정을 둘러싸도록 배치되고, 이 챔버에 도입되는 가스의 흐름을 정류하는 가스정류통을 구비하고, 이 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치. 이것에 의해, CZ 실리콘 단결정을 육성할 때에, 단결정 면내경 방향의 F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여, 면내에서 균일한 소망의 결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수가 있고, 더욱이 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 방지하여 고품질의 실리콘 단결정의 제조가 가능한 단결정 제조장치가 제공된다.

실리콘, 단결정, 가스정류통, 석영재, 결함영역, 오염

Description

단결정 제조장치{Single-Crystal Production Apparatus}

본 발명은, 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ법' 이라고 칭함)에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 단결정 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단결정 인상 시에 결정 성장 축 방향에 있어서의 고액계면 근방의 온도구배가 단결정 경(徑)방향으로 균일하게 되도록 제어할 수 있고, 그것에 의해, 소망의 결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 효율 좋게 제조할 수 있고, 또한, 불순물 금속 원소에 의한 오염이 적어 고품질의 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 단결정 제조장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 기판으로서 이용되는 단결정에는, 예를 들면 실리콘 단결정이 있고, 주로 CZ법에 의해 제조되고 있다.

근년, 반도체의 고집적화 및 미세화가 진행되고 있고, 이것에 수반하여, 실리콘 단결정의 성장중에 도입되는 그론-인(Grown - in)결함의 문제가 중요시 되고 있다.

그론-인 결함에는 결정성장속도(결정인상속도) F가 비교적 고속의 경우에 형성되는 FPD(Flow Pattern Defect) 나 COP(Crystal Originated Particle)과 같은 보이드 기인의 공공형 결함과 이것 보다 인상속도가 낮은 경우에 발생하는 OSF(산소 유기적층결함, Oxidation Induced Stacking Fault), 인상속도가 보다 낮은 경우에 발생하는 LSEP(Large Secco Etching Pit)나 LFPD(Large Flow Pattern Defect)와 같은 전위 루프 기인으로 여겨지는 격자간 실리콘이 응집한 결함이 존재한다.

근년, FPD 나 COP가 존재하는 V(Vacancy)영역과 LSEP 나 LFPD가 존재하는 I(Interstitial)영역의 중간으로서 OSF링의 외측에, 보이드 기인의 공공형 결함이나 전위 루프 기인의 격자간 실리콘형 결함의 어느 것도 존재하지 않는 N(Neutral)영역이 존재하는 것이 발견되었다.

이 영역을 보다 분류하면, 공공이 많은 Nv 영역과 격자간 실리콘이 많은 Ni영역이 있다.

Nv영역은 열 산화처리를 한 때에 산소 석출량이 많고, Ni영역은 산소석출이 거의 없는 것으로 알려져 있다.

게다가, 열 산화처리 후, 산소 석출이 발생하기 쉬운 Nv 영역의 일부에, Cu디포지션 처리로 검출되는 결함이 존재하는 영역이 있는 것이 알려져 있다.

일반적으로 CZ법에 의해 실리콘 단결정을 제조할 때에는 예를 들면 도 7에 나타난 바와 같은 단결정 제조장치가 이용된다.

이 단결정 제조장치 30은, 예를 들면 실리콘과 같은 원료 다결정을 수용하는 도가니나 가열히터, 및 복사열을 차단하기 위한 단열부재 등을 격납하는 메인챔버 1을 포함하고 있다.

이 메인챔버 1의 상부에는 육성한 단결정 3을 수용하고, 취출하기 위한 인상 챔버 2가 연접되어 있고, 이 상부에 단결정 3을 와이어 14로 인상하는 인상기구(도 시되어 있지 않음)가 설치되어 있다.

메인챔버 1내에는 용융된 원료융액4를 수용하는 석영도가니 5와 그 석영 도가니 5를 지지하는 흑연 도가니 6이 설치되고, 이들 도가니 5, 6은 구동기구(도시되어 있지 않음)에 의하여 회전승강자재하게 지지축(13)으로 지지되어 있다.

이들 도가니 5, 6의 구동 기구는, 단결정 3의 인상에 수반하는 원료 융액 4의 액면 저하를 보상하기 위하여 도가니 5, 6을 액면 저하 분만큼 상승시키도록 하고 있다.

그리고, 도가니 5, 6을 둘러싸도록, 원통 형상의 가열히터 7이 배치되어 있다. 이 가열히터 7의 외측에는, 가열히터 7로부터의 열이 메인챔버 1에 직접 복사되는 것을 방지하기 위하여, 단열부재 8이 그 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다. 또한, 메인챔버 1의 내부에는 가스정류통 31이 설치되어 있고, 이 가스정류통 31의 하단에는 차열부재 32가 설치되어 원료융액 4의 표면으로부터의 복사를 컷트함과 함께 원료융액 4의 표면을 보온하도록 하고 있다.

또한, 가스정류통 31의 윗쪽에는 냉각통 11이 설치되어 있어 냉매도입구 12에서 냉각 매체를 흘리는 것에 의해 단결정 3을 강제냉각 할 수 있도록 되어 있다.

이러한 단결정 제조장치 30을 이용하여 CZ법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 경우, 우선, 석영 도가니 5에 원료가 되는 다결정 실리콘을 수용하고, 가열히터 7에 의해 석영 도가니 5내의 다결정 실리콘을 가열하여 용융한다.

다음에, 인상 챔버 2의 상부에 설치된 가스도입구 10으로부터 Ar 등의 불활성 가스를 도입하면서, 원료융액 4에 종 홀다 15에 고정된 종 결정 16을 착액시키 고, 그 후, 회전시키면서 조용하게 인상하는 것에 의해 대략 원주상의 실리콘 단결정 3을 성장시킬 수가 있다.

이 때, 가스도입구 10으로부터 도입된 불활성 가스는, 가스정류통 31과 인상중의 실리콘 단결정 3과의 사이를 통과하여, 가스 유출구 9에서 배출할 수가 있다.

이러한 CZ법에 의한 단결정의 제조에 있어서, 상기한 그론-인 결함은, 단결정을 성장시킬 때의 인상 속도 F(mm/min)와 고액 계면 근방의 실리콘의 융점으로부터 1400℃ 사이의 인상 축방향의 결정 온도구배 G(℃／mm)의 비인 F/G(mm²/℃·min)라고 하는 파라미터에 의해, 그 도입 양이 결정된다고 생각되고 있다(예를 들면,Ⅴ.Ⅴ. Voronkov, Journal of Crystal Growth,Ⅴo1.59(1982), pp.625~643 참조).

통상, 결정 성장 축방향의 온도구배는 결정길이(長)나 잔융액량 등의 변화에 따라 CZ 로내의 열적인 환경이 서서히 변화하기 때문에, 단결정의 육성중에는 단결정의 성장에 수반하여 결정 성장 축방향의 온도구배 G가 서서히 변화해 버린다.

그 때문에, 예를 들면 단결정의 성장에 수반하여 인상 속도 F를 F/G가 일정하게 되도록 온도구배 G의 변화에 대응하여 조절하는 것에 의해, 단결정 직동부의 전역에 소망의 결함 영역 혹은 소망의 무결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 인상하는 것이 가능하게 된다(일본특개 평 8－330316호 공보 참조).

그렇지만, 인상속도를 제어하여 N 영역을 갖는 단결정을 인상하는 경우, 단결정 면내에 예를 들면 OSF 영역과 N 영역,Ⅴ영역과 N 영역,Ⅰ영역과 N 영역이 혼재하는 경우가 많다. 이와 같이, 웨이퍼 면내에 있어서 N 영역 외에 Ⅴ영역, OSF 영역 혹은 I영역이 존재하면, 현저한 전기 특성의 악화를 초래할 위험성이 있다.

이 때문에, 웨이퍼면내 결함 품질의 균일성의 개선이 과제가 되고 있다.

웨이퍼 면내의 결함 분포를 균일하게 제어하는 방법으로서, 예를 들면, 융액 표면으로부터 가스정류통 하단까지의 거리를 넓히는 방법 등이 제안되어 있다.

그러나, 융액표면으로부터 가스정류통 하단까지의 거리를 과잉으로 넓히면, 불활성 가스의 흐름을 정류화한 것에 의한 효과, 예를 들면, 결정 중의 산소 농도 제어나 N 영역 결정 인상 속도의 저하 등을 일으키기 때문에, 융액표면으로부터 가스정류통 하단까지의 거리를 넓히지 않고 실리콘 단결정을 육성하는 것이 필요하게 되었다.

한편, 근년의 소자제조에 있어서의 수율 향상의 중요한 요소로서, 웨이퍼의 외주부에 있어서의 소자의 수율 향상이 과제가 되고 있고, 그 때문에, 웨이퍼 외주 부에 있어 철(Fe) 및 동(Cu)등의 중금속을 저감시키는 것이 중요해지고 있다.

이러한 단결정에 생기는 중금속오염의 원인으로서는, 원료 및 로내 구성부품으로부터 Fe 및 Cu 원소가 원료융액 중에 혼입되고, 고액 계면으로부터 실리콘 단결정에 취입되는 것이 알려져 있지만, 최근에는, 예를 들면 가스정류통 등에서 방출된 Fe나 Cu 등이 인상중의 단결정에 부착되고, 이것이 내부로 확산하는 것에 의해, 결정 주변 부에서 중금속 등의 불순물 오염이 발생하는 것이 밝혀지고 있다. 특히, 200 mm 이상의 직경을 갖는 대구경의 실리콘 단결정을 CZ법에 의해 육성하는 경우에는, 원료 융액으로부터 인상한 단결정을 둘러싸도록 가스정류통을 설치한 단결정 제조장치를 사용하는 일이 많다.

이 가스정류통은 육성중에 챔버 내에 공급된 불활성 가스를 정류시키고, 원료융액으로부터 증발하는 실리콘 산화물을 로외로 효율적으로 배출시키기 위해서도 중요하다.

일반적으로, 이러한 가스정류통으로서는 흑연부재 등의 탄소재가 이용되고, 결정으로부터 10~200 mm의 범위의 거리, 특히, 10~100 mm의 거리로 결정에 근접 하도록 배치된다.

또한, 가스정류통의 재료로서는, 텅스텐, 몰리브덴 등의 고융점 금속을 이용하는 것도 있다.

게다가, 적당한 냉매를 이용하는 경우에는, 스텐레스나 동을 가스정류통의 재료로서 이용할 수도 있다.

또한, 가열히터나 원료융액으로부터의 복사를 차단하고 가스정류통내의 보온성을 높이기 위하여, 가스정류통의 내측에 카본 펠트로 이루어진 단열재를 설치하는 경우가 있다.

그렇지만, 실리콘 단결정을 육성할 때에 가스정류통으로부터 Fe 및 Cu등의 중금속 성분이 방출되면, 그러한 중금속 성분이 육성중의 단결정 표면에 부착하고, 그 후의 고온에서 실온까지 냉각되는 과정에서 결정주변으로부터 Fe 및 Cu의 확산이 일어나고, 단결정 주변부, 특히 단결정의 외주로부터 직경 10%이내의 외주부에 서 금속오염을 일으키게 된다.

그 중에서도, 카본 펠트제의 단열재는, 흑연부재 등에 비해 순도가 낮고, 또한 실리콘 단결정의 육성중에 섬유가 비산하기 쉽고, 이것에 의해 Fe나 Cu 등에 의 한 오염을 일으키기 쉽다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은, CZ 실리콘 단결정을 육성할 때에, 단결정면 내경 방향의 F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여, 면내에서 균일한 소망의 결함영역을 갖는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수가 있고, 더욱이 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 방지하여 고품질의 실리콘 단결정의 제조가 가능한 단결정 제조장치를 제공하는 것에 있다

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 단결정 제조장치로서, 적어도, 상기 단결정의 육성을 행하는 챔버 내에서 실리콘 단결정을 둘러싸도록 배치되고, 이 챔버에 도입되는 가스의 흐름을 정류하는 가스정류통을 구비하고, 이 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치를 제공한다.

이와 같이, 챔버 내에서 실리콘 단결정을 둘러싸도록 배치되는 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있는 단결정 제조장치이면, 실리콘 단결정을 육성할 때에 실리콘 융액을 가열하는 히터나 실리콘 융액으로부터의 복사열을 차단하여, 가스정류통내의 보온성을 높일 수가 있는 단결정 제조장치로 할 수가 있다.

이것에 의해, 단결정 인상중의 고액 계면 근방에서의 인상 축방향의 결정온도구배 G를 단결정 경방향으로 균일하게 제어하는 것이 가능하게 되고, 경방향으로 F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여 소망의 결함 영역, 특히 무결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수 있는 단결정 제조장치가 된다.

더욱이, 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있으므로, 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 효과적으로 방지하여, 고품질의 실리콘 단결정을 안정되게 제조할 수 있는 장치로 할 수가 있다.

이 경우, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재중의 기포 밀도가, 5 ×10⁴개/cm³ 이상 1 ×10⁶개/cm³ 이하인 것이 바람직하다.

이와 같이, 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재중의 기포 밀도가, 5 ×10⁴개/cm³ 이상 1 ×10⁶개/cm³ 이하인 것이면, 실리콘 단결정을 육성할 때에 실리콘 융액을 가열하는 히터 나 실리콘 융액으로부터의 복사열을 보다 효과적으로 차단하여 가스정류통내의 보온성을 높일 수가 있다.

이것에 의해, 높은 인상 속도 F에서 F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여, 소망의 결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 제조할 수 있게 됨과 동시에, 특히 무결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 인상 속도의 제어허용폭이 넓어지므로, 무결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 안정되게 제조할 수 있는 단결정 제조장치가 된다.

이 경우, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 상기 가스정류통의 내측의 표면적에 대한 점유율이 20%이상이고, 또한, 두께가 3 mm이상 50 mm이하인 것이 바람직하다.

이와 같이, 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재가, 가스정류통의 내측의 표면적에 대한 점유율이 20%이상이고, 또한 두께가 3 mm이상 50 mm이하인 것이면, 가열히터나 실리콘 융액으로부터의 복사열을 보다 효과적으로 차단해 가스정류통내의 보온성을 한층 더 향상시킬 수가 있는 단결정 제조장치가 된다.

이 경우, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 1250℃에서의 대수점도(對數粘度)가 10 poise 이상 14 poise 이하인 것이 바람직하다.

이와 같이, 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재가, 1250 ℃에서의 대수점도가 10 poise 이상 14 poise 이하인 것이면, 실리콘 단결정 육성중에 석영재가 고온에 노출되어 연화하여 변형되는 것을 확실히 방지할 수 있는 것이 된다.

이 경우, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 이 석영재 표면으로부터 깊이 10㎛까지의 표면층 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 1 ppm 미만이고, 또한 석영재 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하는 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 상기 표면층 영역보다 낮은 것이 바람직하다.

가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재가 상기한 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 되는 것이면, 육성하는 단결정의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 확실히 방지할 수가 있는 단결정 제조장치가 된다.

더욱이, 본 발명은, 상기의 단결정 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정을 육성하는 단결정 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 단결정 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정을 육성하는 것에 의해, 실리콘 단결정을 육성할 때에 가열히터나 실리콘 융액으로부터의 복사열을 차단하여 가스정류통 내의 보온성을 높일 수가 있으므로, 단결정 인상중의 고액 계면 근방에서의 인상 축방향의 결정온도구배 G를 단결정경방향으로 균일하게 되도록 제어하는 것이 가능하게 되어, F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여 실리콘 단결정을 인상할 수 있다.

이 때문에, 소망의 결함 영역, 특히 무결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수 있다.

또한, 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있으므로, 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 효과적으로 방지하여, 고품질의 실리콘 단결정을 고수율로 제조할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재를 설치하는 것에 의해, 가열히터나 실리콘 융액으로부터의 복사를 차폐하여 가스정류통내의 보온성을 높일 수가 있는 단결정 제조장치가 된다.

이러한 장치는, 단결정 인상중의 고액 계면 근방에서의 인상 축방향의 결정 온도구배 G를 경방향으로 균일하게 제어하고, F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여 소망의 결함 영역, 특히 무결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수 있는 것이 된다.

또한, 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 고품질의 실리콘 단결정을 안정되게 제조할 수 있는 단결정 제조장치가 된다.

도 1은 본 발명의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 단결정 제조장치의 다른 예를, 가스정류통 하부의 단면을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 3은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 실리콘 단결정을 육성할 때의, 단결정 직동부의 결정성장축방향의 길이와 결정인상속도와의 관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 실시예 1 및 2의 실리콘 단결정에서의 인상속도와 결정결함분포와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 5는 비교예 1 및 2의 실리콘 단결정에서의 인상속도와 결정결함 분포와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 6은 실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2로 제작한 샘플 웨이퍼의 외주부에서의 평균 Fe 농도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 7은 종래의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 구체적으로 설명 하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명자는, CZ법에 따라 면내 균일하게 소망의 결함 영역, 특히 N 영역을 갖는 고품질의 실리콘 단결정을 효율적으로 안정되게 제조하기 위하여, 단결정 제조장치의 가스정류통의 내부구조에 주목했다.

그리고, 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재를 설치하는 것으로, 가열히터나 실리콘 융액으로부터의 복사를 차단하여 가스정류통내의 보온성을 높일 수가 있고, 이것에 의해, 단결정 인상중의 고액 계면 근방에서의 인상 축방향의 온도구배 G를 단결정 경방향으로 균일하게 되도록 제어할 수 있어, F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여 면내에서 균일한 소망의 결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 효율적으로 제조할 수 있는 것, 더욱이, 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 효과적으로 방지하여 고품질의 실리콘 단결정을 안정되게 제조할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.

도 1은, 본 발명의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

본 발명에 관한 단결정 제조장치 20은, 예를 들면 메인챔버 1내에 원료 융액 4를 수용하는 석영 도가니 5와 이 석영 도가니 5를 보호하는 흑연 도가니 6이 도가니 구동기구(도시되어 있지 않음)에 의해 회전·승강 자재하게 지지축 13으로 지지되어 있고, 또한 이들 도가니 5, 6 상부에는, 육성한 실리콘 단결정 3을 수용하고, 취출하기 위한 인상챔버 2가 연접되어 있고, 인상 챔버 2의 상부에는 실리콘 단결정 3을 와이어 14 로 회전시키면서 인상하는 인상기구(도시되어 있지 않음)가 설치되어 있다.

또한, 메인챔버 1의 내부에는 육성되는 실리콘 단결정 3을 둘러싸도록 흑연재로 이루어진 가스정류통 17이 배치되어 있어 챔버 내로 도입되는 가스의 흐름을 정류할 수가 있다.

또한, 원료융액 4의 표면으로부터의 복사를 컷트함과 함께 원료융액 4의 표면을 보온하기 위하여, 가스정류통 17의 외측 하단에는 차열부재 18이 설치되어 있다.

차열부재 18은, 예를 들면, 흑연, 몰리브덴, 텅스텐, 탄화 규소, 혹은 흑연의 표면을 탄화 규소로 피복 한 것을 이용할 수가 있고, 그 형상이나 크기는 특히 한정되는 것이 아니고, 필요에 따라 적당히 변경할 수가 있다.

더욱이, 가스정류통 17의 상방에는, 가스정류통과 재질이 다른 냉각통 11이 설치되어 있고, 냉매도입구 12로부터 냉각 매체를 흘리는 것에 의해 실리콘 단결정 3을 강제 냉각할 수 있게 되어 있다.

또한, 냉각통 11은 반드시 설치될 필요는 없고 목적에 따라 생략할 수가 있고, 또한, 예를 들면 가스정류통에 냉각매체를 유통시키도록 하여 단결정의 강제 냉각을 실시하도록 해도 좋다.

또한, 인상챔버 2의 상부에 설치된 가스도입구10으로부터는 Ar등의 불활성 가스를 도입할 수가 있다. 이 불활성 가스는 가스정류통 17에 의해 그 흐름이 정류되어 차열부재 18과 원료융액 4의 융액면과의 사이를 통과시켜, 가스 유출구에서 배출할 수가 있다.

그리고, 본 발명의 단결정 제조장치 20은, 실리콘 단결정 3을 둘러싸도록 배치되는 가스정류통 17로서, 가스정류통 17의 내측에 기포를 함유하는 석영재 19가 설치되어 있는 것이 사용된다. 기포를 함유하는 석영재 19는, 가스정류통의 내측 에 원통 형상으로 설치되어도 좋고, 평판의 석영재를 가스정류통의 내측에 씌우도록 배치해도 좋다.

여기서, 본 발명의 기포를 함유하는 석영재란, 일반적으로 불투명 석영 유리라고 불리는 것이다.

불투명 석영 유리는, 고순도로 내열성 등이 우수하고, 투명한 석영 유리에 비해 열선이나 적외선의 차단성이 우수하다.

이러한 불투명 석영 유리를 가스정류통의 내측에 설치하는 것에 의해, 실리콘 단결정 인상중에 가열히터나 원료 융액으로부터의 복사를 차단하여 가스정류통내의 보온성을 높여 고액 계면 근방의 인상 축방향의 결정 온도구배 G를 단결정 경방향으로 균일하게 제어한다.

이것에 의해 F/G를 일정치로 제어하여 소망의 결함 영역이 면내에 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 제조할 수 있게 된다.

이러한 기포를 함유하는 석영재 19는, 직경 30~120㎛의 기포의 밀도가, 5 ×10⁴개/cm³ 이상 1 ×10⁶개/cm³ 이하인 것이 바람직하다.

예를 들면, 두께 4 mm의 투명한 석영 유리의 경우, 파장 1~2.5㎛의 적외선의 직선 투과율은 90%정도이지만, 기포를 함유하는 석영재(불투명 석영 유리)의 경우, 유리 안의 미세한 기포에 의해 적외선이나 열선이 반사되므로, 예를 들면 두께 4 mm의 상기의 기포밀도를 갖는 석영재에서는, 파장 1~2.5㎛의 적외선의 직선 투과율이 0.5%이하가 된다.

따라서, 이러한 기포 밀도를 갖는 석영재이면, 가열히터나 원료융액으로부터의 장파장의 적외선 영역의 복사를 효과적으로 차단하여 가스정류통 내부의 보온성을 향상시켜, 높은 인상속도 F에서 F/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하여 소망의 결함 영역이 면내에서 균일하게 분포하는 실리콘 단결정을 제조할 수 있도록 됨과 동시에, 특히 무결함 영역을 갖는 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 인상속도의 제어허용폭을 넓히는데 충분한 단열성을 얻을 수 있다.

또한, 고온 하에서도 기포의 팽창에 의한 석영재의 변형이 발생하기 어렵게 된다. 특히, 기포밀도가 2 ×10⁵개/cm³ 이상이면, 파장 2㎛이상의 적외선의 복사를 차단하는데 보다 효과적이다.

또한, 가스정류통 17의 내측에 설치하는 기포를 함유하는 석영재 19는, 가스정류통 17의 내측의 표면적에 대한 점유율이 20%이상이고, 또한 두께가 3 mm이상인 것이 바람직하다.

이와 같은 석영재에 의해, 가열히터나 실리콘 융액으로부터의 복사열을 보다 효율적으로 차단할 수가 있다.

또한, 가공성이나, 경제성, 석영재의 자중 등을 고려하면, 기포를 함유하는 석영재의 두께는 50 mm이하인 것이 바람직하다.

가스정류통 17의 내측에 설치하는 기포를 함유하는 석영재 19는, 단결정 육성중에 고온에 노출되기 때문에, 내열성이 뛰어난 것이 요구된다.

그 때문에, 기포를 함유하는 석영재 19는, 제조상의 이유도 고려하여, 1250 ℃에서의 대수점도가 10 poise 이상 14 poise 이하인 것이 바람직하고, 이것에 의해, 고온에 의한 석영재의 변형을 방지할 수가 있어 석영재의 수명을 길게 할 수가 있다.

이 때, 석영재 표면은 고온의 버너에 의해 구움(燒)마무리를 실시하고, 표면을 광택 또는 평탄하게 마무리하는 것이 바람직하게 이용된다.

또한, 이와 같은 가스정류통 17의 내측에 설치되어 있는 석영재 19는, 석영재 표면으로부터 깊이 10㎛까지의 표면층 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 1 ppm 미만이고, 또한 석영재 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하는 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균불순물농도가 상기 표면층 영역보다 낮은 것인 것이 바람직하다.

가스정류통의 내측에 설치되어 있는 석영재가, 상기와 같은 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도를 갖는 것이면, 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 불순물 오염을 확실히 방지할 수가 있어 불순물 오염이 없는 고품질의 실리콘 단결정을 안정되게 제조할 수가 있다.

또한, 기포를 함유하는 석영재 19는, 도 1과 같이 가스정류통 17하부의 내측에 설치되는 것 외에, 예를 들면, 도 2(a)와 같이 가스정류통 17의 내측에 기포를 함유하는 석영재 19를 설치하고, 또한 이 석영재 19의 내측 하부에 단열재 커버 21로 덮인 카본 펠트 등으로 이루어진 단열재 22를 설치하는 것도 가능하다.

이와 같이 하면, 가스정류통내의 보온성이 한층 높아지고 또한, 단열재로부터의 Fe나 Cu의 오염을 방지할 수 있다.

또한, 도 2(b)와 같이, 가스정류통 17의 내측뿐만 아니라 하단 및 외측도 기포를 함유하는 석영재 19로 씌우거나, 도 2(c)와 같이, 가스정류통 17 자체를 기포를 함유하는 석영재와 동일한 재질로 구성하는 것도 가능하다.

이와 같이 하는 것에 의해서도, 가스정류통내의 보온성을 높이고 또한, Fe나 Cu에 의한 오염을 방지할 수 있다.

다음에, 상기의 본 발명의 단결정 제조장치 20을 이용하여 실리콘 단결정을 육성하는 본 발명의 단결정 제조 방법에 대하여 설명한다.

상기 단결정 제조장치 20을 이용하여 CZ법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 경우, 먼저, 종홀더15에 종결정 16을 유지함과 함께, 석영 도가니 5내에 실리콘의 고순도 다결정 원료를 수용시키고, 가열히터 7로 융점(약 1420℃)이상으로 가열하여 융해한다.

그리고, 가스도입구 10에서 챔버에 Ar등의 불활성 가스를 도입하면서, 와이어 14를 권출(卷出)하는 것에 의해 원료융액 4의 표면 대략 중심부에 종결정 16의 선단을 접촉 또는 침적시킨다.

그 후, 도가니 5, 6을 회전시키는 것과 동시에, 와이어14를 회전시키면서 종 결정 16을 천천히 인상하고, 예를 들면 종 조임을 형성하고 나서 소망의 직경까지 확경하여 콘부를 형성한 후, 대략 원주형상의 직동부를 갖는 실리콘 단결정 3을 성장시킬 수가 있다.

본 발명은, 이와 같이 하여 실리콘 단결정 3의 육성을 실시할 때에, 상기에서 설명한 바와 같은 내측에 기포를 함유하는 석영재 19가 설치된 가스정류통 17이 실리콘 단결정 3을 둘러싸도록 배치되어 있으므로, 실리콘 융액을 가열하기 위한 히터나 실리콘 융액으로부터의 열복사를 차단하여, 가스정류통내의 보온성을 향상시킬 수가 있다.

이것에 의해, 단결정 인상중의 고액계면근방의 인상축방향의 결정온도구배G를 단결정 경방향으로 균일하게 제어할 수가 있어, 특히 무결함 영역이 면내에서 균일하게 분포한 실리콘 단결정을 높은 인상 속도로 제조할 수가 있다.

더욱이, 무결함 영역을 제조하기 위한 인상 속도의 제어 허용폭을 넓힐 수가 있다.

구체적으로 설명 하면, 예를 들면 실리콘 단결정을 결함영역이 경방향의 전면에 걸쳐서 N 영역이 되도록 육성하는 경우, 실리콘 단결정의 직동부가 N 영역으로 육성할 수 있도록 단결정의 제조가 행해지는 제조 환경(예를 들면, 단결정 제조장치의 HZ등 )에 따라서 인상속도 F를 설정한다.

이 때, 본 발명에서는 면내의 온도구배 G가 균일하기 때문에, 인상속도 F는 실리콘 단결정을 N 영역으로 육성 가능한 범위의 최대치로 설정할 수가 있다.

즉, 면내의 온도구배 G가 균일하므로, 인상속도 F가 최대가 되도록 설정하여도, 결함분포가 N 영역으로부터 벗어나는 일이 없다.

게다가, 본 발명에서는, 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있으므로, 단결정의 육성중에 가스정류통으로부터 Fe 및 Cu의 불순물 오염이 생기는 것을 효과적으로 방지하여 고품질의 실리콘 단결정을 고수율로 안정되게 제조할 수가 있다.

특히, 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 석영재의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 상기에서 설명한 바와 같이 매우 낮은 것이면, 육성되는 실리콘 단결정에로의 불순물 오염을 확실히 방지할 수가 있다.

상기의 방법으로 제조된 실리콘 단결정으로부터 얻어진 웨이퍼는, 예를 들면, 웨이퍼의 주변 10%에서의 Fe 농도가 1 ×10¹⁰ atoms/cm³ 이하이고, 또한 Cu 농도가 1 ×10¹¹ atoms/cm³ 이하인 불순물 오염이 생기지 않은, 웨이퍼 전면이 N 영역인 저결함의 웨이퍼가 된다.

이하에서 본 발명의 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1에 나타난 단결정 인상 장치 20을 이용하여, 직경 24인치(600 mm)의 석영 도가니 5에 원료 다결정 실리콘을 150 kg 장입하고, CZ법에 의해 직경 8인치(200mm), 방위＜100＞, 산소 농도 22~23 ppma(ASTM '79)의 실리콘 단결정을 인상하였다.

인상 챔버 2의 천정에서 단결정 성장 방향으로 인상 단결정을 둘러싸도록 매달려 있는 등방흑연재제품의 가스정류통 17 하단의 내측에, 기포 직경 30~120㎛, 기포 밀도 2 ×10⁵개/cm³ ~ 3 ×10⁵개/cm³, 1250℃에서의 대수점도 12 poise, 내측 표면적에 대한 점유율 90%, 두께 10 mm, 높이 150 mm의 기포를 함유하는 석영재 19를 설치했다.

또한, 석영재에 포함된 기포밀도는 30mm ×10mm ×0.3mm의 크기의 석영재를 현미경으로 관찰하여 직경 30~120㎛의 기포수를 카운트 하여, 1cm³당으로 환산한 것으로 얻어졌다.

또한, 융액표면으로부터 가스정류통 하단까지의 거리를 60 mm로 했다.

단결정의 인상 속도 조건으로서는, 도 3에 나타난 바와 같이, 단결정 직동부 10cm에서 110 cm의 사이에서의 인상속도를, 0.7mm/min로부터 0.3 mm/min의 범위로 결정 두부(頭部)로부터 미부(尾部)에 걸쳐 점감시키도록 제어했다.

다음에, 상기와 같이 하여 육성한 단결정의 성장 축방향 10cm 마다의 부위로부터 웨이퍼를 절출한 후, 평면연삭 및 연마를 행하여 검사용의 샘플 웨이퍼를 제작하여, 이하의 결정 품질 특성의 검사를 실시했다.

(1) FPD(V 영역) 및 LEP(I 영역)의 조사

샘플 웨이퍼에 30분간 세코 에칭을 무교반으로 행한 후, 웨이퍼 면내를 현미경으로 관찰하여 FPD 및 LEP의 유무를 확인하였다.

(2) OSF 영역의 조사

샘플 웨이퍼에, 웨트 산소 분위기하, 1100℃에서 100분간의 열처리를 실시한 후, 웨이퍼 면내를 현미경으로 관찰하여, OSF 영역의 유무를 확인하였다.

(3) Cu 디포지션 처리에 의한 결함의 조사

샘플 웨이퍼의 표면에 산화 막을 형성한 후, Cu 디포지션 처리를 행하여 산화막 결함의 유무를 확인하였다. 처리 조건은 하기와 같다.

산화막： 25 nm,

전계강도： 6 MV/cm,

전압인가시간： 5분간.

(4) Fe 농도의 측정

샘플 웨이퍼의 주변 10%, 즉 웨이퍼의 최외주로부터 경방향으로 20 mm이내의 웨이퍼 외주부에서의 벌크 중의 평균Fe농도를 SPV법(Surface Photo-voltage method)에 의해 측정하였다. 또한, Fe 농도의 측정 조건은 다음과 같다.

FeB 해리 온도： 210℃,

해리 시간： 3분간,

측정 장치： SDI 사제 CMS－ⅢA.

(5) Cu 농도의 측정

샘플 웨이퍼의 산증기에 의한 전용해 용액을 유도결합 플라스마 질량분석기(ICP－MS)로 분석하는 것에 의해, 웨이퍼 주변 10%(웨이퍼 최외주로부터 경방향으로 20 mm이내의 웨이퍼 외주부)에서의 벌크중의 평균 Cu 농도를 측정하였다.

실시예 1에서 제조한 실리콘 단결정에 대하여 상기의 검사를 실시한 결과, 도 4에 나타난 결정결함 분포도가 얻어지고, Cu 디포지션 결함 N 영역/Cu 디포지션 결함 프리 N 영역의 경계에서의 인상속도는 0.51 mm/min, Cu 디포지션 결함 프리 N 영역/ I영역의 경계에서의 인상속도는 0.48 mm/min이 되었다.

샘플 웨이퍼 최외주로부터 경방향 20mm이내의 웨이퍼 외주부에서의 평균 Fe 농도는, 도 6에 나타난 바와 같이, 3.5 ~ 7.6 ×10⁹atoms/cm³였다.

또한, 평균 Cu 농도는 1 ×10¹¹ atoms/cm³ 이하였다.

(실시예 2)

단결정 제조장치 20에 설치하는 가스정류통 17 하단의 내측에, 기포직경 30~120㎛, 기포밀도 5 ×10⁴개/cm³, 1250℃에서의 대수점도 10 poise, 내측 표면적에 대한 점유율 90%, 두께 10 mm, 높이 150 mm의 기포를 함유하는 석영재 19를 설치한 가스정류통을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 단결정 제조장치를 이용하여, CZ법에 의해 직경 8인치(200 mm), 방위＜100＞, 산소 농도 22~23 ppma(ASTM '79)의 실리콘 단결정을 인상하였다.

또한, 단결정을 인상할 때의 인상속도조건으로서는, 실시예 1과 동일하게, 단결정 직동부 10cm로부터 110cm의 사이에서의 인상속도를 0.7 mm/min으로부터 0.3 mm/min의 범위가 되도록, 결정두부로부터 미부에 걸쳐 인상속도를 점감시키도록 제어하였다.

실시예 2에서 제조한 실리콘 단결정에 대하여 상기의 검사를 실시한 결과, 실시예 1의 도 4와 거의 동일한 결정결함분포도가 얻어지고, Cu 디포지션 결함 N 영역/Cu 디포지션 결함 프리 N 영역의 경계에서의 인상 속도는 0.51 mm/min, Cu디포지션 결함 프리 N 영역/ I영역의 경계에서의 인상속도는 0.49 mm/min이 되었다

샘플 웨이퍼 최외주로부터 경방향 20 mm이내의 웨이퍼 외주부에서의 평균 Fe 농도는, 도 6에 나타난 바와 같이, 4.5 ~ 8.1 ×10⁹ atoms/cm³였다. 또한, 평균 Cu 농도는 1 ×10¹¹ atoms/cm³ 이하였다.

(비교예 1)

단결정 제조장치에 설치하는 가스정류통 하단의 내측에, 내측 표면적에 대한 점유율 90%, 두께 10mm, 높이 100mm의 카본 펠트 제의 단열재를 설치한 가스정류통을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 단결정 제조장치를 이용하여, CZ법에 의해 직경 8인치(200mm), 방위＜100＞, 산소 농도 22~23 ppma(ASTM '79)의 실리콘 단결정을 인상하였다.

비교예 1에서 제조한 실리콘 단결정에 대하여 상기의 검사를 실시한 결과,도 5(a)에 나타난 결정결함분포도가 얻어지고, Cu 디포지션 결함 N 영역/Cu 디포지션 결함 프리 N 영역의 경계에서의 인상속도는 0.51 mm/min, Cu디포지션 결함 프리 N 영역/ I영역의 경계에서의 인상속도는 0.49 mm/min이 되었다

샘플 웨이퍼 최외주로부터 경방향 20mm이내의 웨이퍼 외주부에서의 평균 Fe 농도는, 도 6에 나타난 바와 같이, 1.3 ~ 3.4 ×10¹¹ atoms/cm³였다. 또한, 평균 Cu 농도는 1~2 ×10¹² atoms/cm³ 였다.

(비교예 2)

단결정 제조장치에 설치하는 가스정류통 하단의 내측에, 내측 표면적에 대한 점유율 90%, 두께 10mm, 높이 100mm의 카본 펠트제의 단열재를 설치한 가스정류통을 이용하여 융액표면으로부터 가스정류통 하단까지의 거리를 70mm로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 단결정 제조장치를 이용하여, CZ법에 의해 직경 8인치(200mm), 방위 <100＞, 산소농도 22~23 ppma(ASTM '79)의 실리콘 단결정을 인상하였다.

또한, 단결정을 인상할 때의 인상속도조건으로서는, 실시예 1과 동일하게, 단결정 직동부 10cm에서 110cm의 사이에서의 인상속도를 0.7mm/min으로부터 0.3 m m/min의 범위가 되도록, 결정두부로부터 미부에 걸쳐 인상 속도를 점감시키도록 제어했다.

비교예 2에서 제조한 실리콘 단결정에 대하여 상기의 검사를 실시한 결과, 도 5(b)에 나타난 결정결함 분포도가 얻어지고, Cu 디포지션 결함 N 영역/Cu 디포지션 결함 프리 N 영역의 경계에서의 인상속도는 0.47mm/min, Cu 디포지션 결함 프리 N 영역/I영역의 경계에서의 인상 속도는 0.44 mm/min이 되었다.

샘플 웨이퍼 최외주로부터 경방향 20mm이내의 웨이퍼 외주부에서의 평균 Fe 농도는, 도 6에 나타난 바와 같이, 2.1 ~ 5.2 ×10¹¹ atoms/cm³였다.

또한, 평균 Cu 농도는 1 ~ 2 ×10¹² atoms/cm³였다.

실시예 1 및 실시예 2의 실리콘 단결정은, 기포를 함유하는 석영재를 내측에 배치한 가스정류통을 이용한 단결정 제조장치에 의해 제조한 것으로, 가스정류통내의 보온성이 향상되고, 고액계면 근방의 인상축방향의 온도구배를 경방향으로 균일하게 제어할 수 있었기 때문에, 면내에서 균일한 결함 분포를 얻을 수 있었다. 또한, 석영재를 이용한 것으로 가스정류통으로부터의 Fe 및 Cu의 오염을 방지할 수 있어 단결정 내에 포함되는 Fe 및 Cu 농도가 낮아졌다.

특히, 실시예 1의 실리콘 단결정에서는, 보다 기포 밀도가 높은 석영재를 이용하는 것에 의해 가스정류통내의 보온성이 한층 더 향상되었기 때문에, Cu 디포지션 결함 프리 N 영역을 얻을 수 있는 인상 속도의 제어폭이 저속측으로 넓어졌다.

한편, 비교예 1의 실리콘 단결정에서는, 카본 펠트제의 단열재를 내측에 배치한 가스정류통을 이용한 단결정 제조장치에 의해 제조한 것에 의해, 가스정류통내의 보온성을 향상시킬 수가 있었기 때문에, Cu 디포지션 결함 프리 N 영역을 얻을 수 있는 인상속도가 높아졌지만, 고액 계면 근방의 인상 축방향의 온도구배를 경방향으로 균일하게 제어할 수 없었기 때문에, 면내에서 균일한 결함 분포는 얻을 수 없었다.

따라서, 실시예 1보다 인상 속도의 제어 폭이 좁아졌다.

또한, 카본 펠트제 단열재 유래의 Fe 및 Cu의 불순물 오염이 발생하고, 결정 중의 Fe 및 Cu 농도가 높아졌다.

비교예 2의 실리콘 단결정에서는, 융액과 가스정류통 하단과의 거리를 넓힌 것으로, 면내에서 균일한 결함 분포를 얻을 수 있어 Cu 디포지션 결함 프리 N 영역을 얻을 수 있는 인상 속도의 제어폭은 넓어졌지만, Cu 디포지션 결함 프리 N 영역을 얻을 수 있는 인상 속도가 낮아졌다.

또한, 카본 펠트제 단열재를 사용했기 때문에 결정 내의 Fe 및 Cu 농도가 높아졌다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술 범위에 포함된다.

Claims

쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하는 단결정 제조장치로서,

적어도, 상기 단결정의 육성을 행하는 챔버 내에서 실리콘 단결정을 둘러싸도록 배치되고, 이 챔버에 도입되는 가스의 흐름을 정류하는 가스정류통을 구비하고, 이 가스정류통의 내측에 기포를 함유하는 석영재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치
제1항에 있어서, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재중의 기포밀도가, 5 ×10⁴개/cm³ 이상 1 ×10⁶개/cm³ 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 상기 가스정류통의 내측의 표면적에 대한 점유율이 20%이상이고, 또한, 두께가 3mm이상 50mm이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제1항에서 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 1250℃에서의 대수점도가 10 poise 이상 14 poise 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제1항에서 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가스정류통의 내측에 설치되어 있는 기포를 함유하는 석영재는, 이 석영재 표면으로부터 깊이 10㎛까지의 표면층 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 1ppm 미만이고, 또한 석영재 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하는 영역에서의 Fe 및 Cu의 평균 불순물 농도가 상기 표면층 영역보다 낮은 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제1항에서 제5항 중의 어느 한 항에 기재된 단결정 제조장치를 이용하여 실리콘 단결정을 육성하는 단결정 제조방법