KR20110063287A

KR20110063287A - 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법

Info

Publication number: KR20110063287A
Application number: KR1020100100999A
Authority: KR
Inventors: 토마스 슈뢰크; 폰 빌프리트 암몬; 클라우스 크로프쇼퍼
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-06-10
Also published as: TWI473915B; JP5743511B2; CN102134741B; SG191568A1; US8906157B2; SG171512A1; CN102134741A; JP2011116643A; US20110126757A1; TW201120258A; DE102009056638B4; KR101340804B1; DE102009056638A1

Abstract

본 발명에 따르면, 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법은, 예정된 소망하는 인상 속도(v_p)(단위: mm/min)로 단결정을 인상하는 것과, 직경의 변화가 (2 × 18 mm)/v_p 이하의 기간(T)에 보정되도록 하는 방식으로, 단결정과 이 단결정에 이웃하는 용융물의 영역에 열을 공급하며 상기 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력을 조정함으로써, 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 직경을 예정된 소망하는 직경으로 조정하는 것을 포함한다.

Description

직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법{METHOD FOR PULLING A SINGLE CRYSTAL COMPOSED OF SILICON WITH A SECTION HAVING A DIAMETER THAT REMAINS CONSTANT}

본 발명은 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법에 관한 것이다. 단결정질의 시드 결정(monocrystalline seed crystal)이 도가니에 수용되어 있는 용융물로부터 형성되는 동안, 특정 인상 속도(v_p)로 단결정(single crystal)이 성장한다. 상기 단결정의 인상 방법의 목적은, 반도체 웨이퍼를 형성하기 위해 다른 처리를 행하기에 적합한, 예정된 소망하는 직경을 갖는 가능한 가장 긴 원통형 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정을 획득하는 것이다. 용융물에서의 온도 변화는, 단결정이 성장하는 결정화 속도(crystallization rate)(v)를 변경한다. 인상 속도(v_p)와 결정화 속도(v)가 일치하지 않으면, 단결정의 직경이 변한다. 따라서, 단결정의 직경을 조정함으로써, 용융물에 있어서의 온도 변화에 의해 유발되는, 소망하는 직경으로부터의 직경의 편차를 최소화하는 것이 필요하다.

직경이 일정하게 유지되는 섹션의 직경이 소망하는 직경으로부터 가능한 한 적게 벗어나는 상황을 달성하기 위한 요건은, 별개로 고려했을 때, 인상 속도(v_p) 및/또는 도가니 둘레에 배치된 열원을 이용한 용융물에 대한 열의 공급을 조정함으로써 소망하는 직경으로부터의 편차를 없애는 것에 의해 만족스럽게 충족될 수 있다. 성장하는 단결정과 용융물 사이의 상 경계에서의 결정화 속도(v)와 축방향 온도 구배(G)의 비율 v/G가 좁은 범위 내에서 유지되어야만 할 것이 동시에 요구되는 경우에는 상기 요건을 충족시키기가 훨씬 더 어렵다. 이는 통상, v/G가 공공(vacancy) 또는 침입형 실리콘(silicon interstitial)이 단결정에서 고유한 점결함으로서 우세한지에 관하여 매우 중요하기 때문에 요구되는 것이다. 과포화의 경우, 공공 또는 침입형 실리콘이 합쳐서 보다 큰 유닛을 형성하고 FPDs("Flow Pattern Defects) 또는 Lpits("Large etch pits")와 같은 결함을 형성한다. 일반적으로, 전술한 결함의 형성은 회피되어야만 하지만, 이것은 단지, 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 인상하는 동안에 v/G가 가능한 가장 좁은 한도 내에서 유지되는 경우에만 달성된다. 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 직경과 소망하는 직경을 일치시키는 요건과 v/G를 좁은 한도 내에서 유지하는 요건은 양립되지 못하는데, 그 이유는 한편으로는 용융물에서의 온도 변화에 의해 야기되는 변경된 결정화 속도(v)에 대해 인상 속도(v_p)를 조정하면, 그 결과 용이하게 v/G에 대한 좁은 한도가 유지되고, 다른 한편으로 도가니 둘레에 배치되는 열원을 이용한 용융물에 대한 열의 공급을 변경하는 것에 의해, 변경된 결정화 속도(v)를 보정하면 소망하는 직경으로부터의 편차가 유발되기 때문이다. 따라서, v/G의 조정을 반드시 고려하면서, 직경을 소망하는 직경으로 유지하는 것, 그리고 직경을 소망하는 직경으로 유지하는 것을 반드시 고려하면서 v/G를 조정하는 것이 어렵다.

EP 1 541 721 A1에는 직경을 조정하는 방법과, v/G를 조정하는 방법이 설명되어 있지만, 이들 방법이 전술한 모순을 해소하지는 못한다.

본 발명의 목적은 직경의 효율적인 조정을 포함하고, 이에 따라 이와 동시에 FPDs 또는 Lpits와 같은 바람직하지 않은 결함의 형성을 받아들여야만 하는 것을 신뢰성 있게 방지하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법으로서,

예정된 소망하는 인상 속도(v_p)(단위: mm/min)로 단결정을 인상하는 것과,

직경 변화가 (2 × 18 mm)/v_p 이하의 기간(T)에 보정되도록 하는 방식으로, 단결정과 이 단결정에 이웃하는 용융물의 영역에 열을 공급하고 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력을 조정함으로써, 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 직경을 예정된 소망하는 직경으로 조정하는 것

을 포함하는 단결정 인상 방법에 의해 달성된다.

EP 1 541 721 A1에 설명되어 있는 방법과 대조적으로, 본 발명의 방법에서는 인상 속도(v_p)가 원통형 섹션에서의 직경을 조정하기 위한 조작 변수로서 사용되지 않는다. 이로 인해, 직경 조정으로 인해 인상 속도(v_p)와 결정화 속도(v) 간의 편차가 발생하는 상황이 방지된다. 대신에, 직경은, 단결정과 이 단결정에 이웃하는 용융물의 영역에 열을 공급하고 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력에 의해 조정된다.

EP 0 866 150 A1은, 그러한 열원의 사용이, 상 경계를 따른 축방향 온도 구배(G)가 균일하게 하는 효과를 갖는다는 것을 제시한다.

EP 0 926 270 A1은, 그러한 열원의 사용이 직경 변화와 인상 속도 변화를 줄이는 데 적합하다는 것을 제시한다.

상기 2개의 특허 문헌 모두를 동등하게 고려하면, 인상 속도(v_p) 조정에 의한 직경 조정을, 상기 인상 속도의 조정과는 다르고 용융물 위에 배치되는 열원의 열 출력을 이용하는 조정으로 대체함으로써 전술한 모순을 해결하는 것이 불가능하다는 것을 추측할만한 근거가 마련된다. 상기 열원을 사용하는 경우, EP 0 866 150 A1에 따르면, 또한 축방향 온도 구배(G)의 변화, 그리고 그 결과로서 또한 결함 특성을 결정하는 비율 v/G의 변화가 유발된다.

그러나, 본 발명자가 발견한 바에 따르면, 직경 변화가 (2 × 18 mm)/v_p 이하의 기간(T)에 보정되면 비율 v/G에 대한 작용은 불리한 결과를 나타내지 않는다. 이러한 조건에 따르면, 고유한 점결함의 농도차가 확산 및 상호 급랭(mutual quenching)에 의해 줄어든다. 기간이 이보다 길면, 과다한 공공을 갖는 영역은 대략 18 mm인 침입형 실리콘의 확산 길이가 상호 급랭에 대해 더 이상 만족스럽지 않도록 하는 길이를 얻는다.

아래에서 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따르면, 효과적인 직경의 조정을 포함하고, 이에 따라 이와 동시에 FPDs 또는 Lpits와 같은 바람직하지 않은 결함의 형성을 받아들여야만 하는 것을 신뢰성 있게 방지하는 개선된 방법이 제공된다.

도 1은 도가니에 수용된 용융물로부터 실리콘으로 이루어지고 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖는 단결정을 인상하는 상황을 도시한 도면.
도 2는 인상 속도(v_p)에 대한 통상의 예정된 곡선과, 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력(LstR)에 대한 통상의 예정된 곡선, 그리고 도가니 둘레에 배치되는 제2 열원의 열 출력(LstF)에 대한 통상의 예정된 곡선을 보여주는 도면.
도 3은 비율 v/G가 공공과 침입형 실리콘이 과도하게 형성되지 않는 임계값에 대응하도록, 인상 속도(v_p)에 대한 예정된 곡선, 제1 열원의 열 출력(LstR)에 대한 예정된 곡선, 및 교란이 없는 경우 제2 열원의 열 출력(LstF)에 대한 예정된 곡선이 선택된 경우에, 열 교란에 의해 기동되는 결정화 속도(v)의 변화와, 제1 열원의 열 출력의 조정에 의한 이러한 인상 속도의 변화에 대한 보정이 고유한 점결함의 형성에 어떻게 영향을 미치는지를 보여주는 도면.
도 4는 열 교란이 발생한 데 대한 반응으로서 제1 열원의 열 출력의 조정으로 인한, 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 길이에 걸친 결정화 속도(v)의 변화를 보여주는 도면.
도 5는 결정이 성장하는 시간에 있어서, 직경이 일정하게 유지되는 섹션의 특정 성장 길이(L)에 대응하는 다양한 지점에서, 길이 150 mm 및 400 mm에서 1 kW만큼 갑자기 낮아지고(교란 1 및 교란 2), 길이 650 mm 및 900 mm에서 갑자기 상승하는(교란 3 및 교란 4) 제2 열원의 열 출력(LstF)에 의해 융융물에서 야기되는 열 교란을 보여주는 도면.

도 1에는 도가니(3)에 수용된 용융물(2)로부터 실리콘으로 이루어지고 직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖는 단결정(1)을 인상하는 상황이 도시되어 있다. 도시된 노 구성("고온 영역")은 본 발명을 실시하는 데 매우 적합하다. 상기 노 구성은 성장하는 단결정 둘레로 용융물(2) 위에 배치되는 제1 열원(4)과, 열 복사로부터 단결정(1)을 차폐하고 단결정(1) 둘레에서 제1 열원(4)을 에워싸도록 배치되는 열 차폐부(5)와, 제1 열원(4) 위에서 단결정(1) 둘레에 배치되는 단결정(1) 냉각용 디바이스(6)와, 용융물(2) 상에 자기장, 바람직하게는 CUSP장을 생성하고 부여하는 자기장 생성 디바이스(7), 그리고 도가니(3) 둘레에 배치되는 제2 열원(8)을 포함한다. 제1 열원(4)의 바닥면과 용융물(2)의 표면 사이의 거리(D)는 바람직하게는 30 내지 70 mm이다. 단결정(1)의 측면과 제1 열원(4)의 내면 사이의 거리(d)는 바람직하게는 10 내지 50 mm이다.

도시되지 않은 조정 시스템은, 직경을 광학식으로 측정하기 위해 카메라와 이미지 프로세싱 장치를 구비하는 유닛과, 소망하는 직경으로부터의 상기 직경의 편차가 탐지된 경우에 제1 열원(4)의 열 출력을 조정하기 위한 PID 레귤레이터, 그리고 예정된 곡선으로부터의 제1 열원(4)의 열 출력의 편차가 탐지된 경우에 제2 열원(8)의 열 출력을 조정하기 위한 PID 레귤레이터를 포함한다.

도 2는 인상 속도(v_p)에 대한 통상의 예정된 곡선과, 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력(LstR)에 대한 통상의 예정된 곡선, 그리고 도가니 둘레에 배치되는 제2 열원의 열 출력(LstF)에 대한 통상의 예정된 곡선을 보여준다. 상기 예정된 곡선들은, 단결정의 원통형 섹션의 인상 중에 교란이 없는 진행을 이용하여 비율 v/G가 가능한 한 일정하게 유지되고, 바람직하게는 고유한 점결함의 누적을 유발하지 않는 값을 갖도록 선택된다. 상용 시뮬레이션 프로그램을 이용하여, 예정된 노 구성에 대한 축방향 온도 구배(G)의 시간적 전개를 결정할 수 있다. 마찬가지로, 실험에 의해 인상된 단결정의 길이 방향 섹션에서의 결함 분포의 평가가 이루어진다.

직경이 일정하게 유지되는 단결정의 섹션의 인상을 개시할 때 특히 발생하고, 대류 유동에 의해 통상 유발되는, 용융물에서의 온도 변화는 결정화 속도(v)를 변경하는 열 교란이고, 보정 개입이 없는 경우에는 단결정의 직경의 변화를 초래한다. 단결정의 직경을 소망하는 직경으로 조정함으로써, 열 교란에 의해 유발되는, 예정된 결정화 속도로부터의 결정화 속도(v)의 편차의 보정이 또한 이루어진다. 본 발명에 따르면, 상기 열 교란이 발생할 때, (2 × 18 mm)/v_p 이하의 기간(T)에 직경 변화가 보정되도록 하는 방식으로 정확하게, 직경을 조정하기 위한 레귤레이터의 조작 변수인 제1 열원의 열 출력을 변경하는 것에 의해 보정 개입이 실시된다. 통상적으로 폭이 평균 ± 1 kW인 출력대(power band)이면 직경을 조정하는 데 있어서 충분하다. 제1 열원은, 피크 출력이 최대 25 kW인 열을 출력할 수 있도록 치수가 정해지는 것이 바람직하다.

도 3은 비율 v/G가 공공과 침입형 실리콘이 과도하게 형성되지 않는 임계값에 대응하도록, 인상 속도(v_p)에 대한 예정된 곡선, 제1 열원의 열 출력(LstR)에 대한 예정된 곡선, 및 교란이 없는 경우 제2 열원의 열 출력(LstF)에 대한 예정된 곡선이 선택된 경우에, 열 교란에 의해 기동되는 결정화 속도(v)의 변화와, 제1 열원의 열 출력의 조정에 의한 이러한 인상 속도의 변화에 대한 보정이 고유한 점결함의 형성에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다. 이때, 상기 조정은 결정화 속도(v)의 주기적인 변화와, 또한 이에 따른 비율 v/G의 주기적인 변화를 유발한다. 결정화 속도(v)의 변화는 과량의 공공을 갖는 결정 영역(V)과 과량의 침입형 실리콘을 갖는 결정 영역(I)이 번갈아 형성되는 결과를 갖는다. 단결정 성장 방향으로의 결정 영역의 길이는 대략, 변화 주기의 절반 동안 성장하는 결정 길이에 상응한다. 도 3에서 이중 화살표로 나타낸 바와 같은 점결함의 확산이 상호 급랭에 의해 최대한으로 초과분을 감소시키는 효과를 얻을 수 있도록, 결정 영역 중 하나의 길이는 확산 길이 또는 18 mm를 초과해서는 안 된다. 이를 보장하기 위해, 제1 열원의 열 출력을 조정하는 것에 의한 직경의 조정은, 예정된 인상 속도(v_p)에 대해 결정 영역이 18 mm를 넘는 길이를 얻을 수 없는 기간이 형성되도록 충분히 짧은 시간 상수로 실시되어야만 한다. 이는 기간(T)이 (2 × 18 mm)/v_p[min] 이하인 경우이다. 축방향 온도 구배(G)에 대한 본 발명에 따라 실시되는 직경 조정의 영향, 특히 성장하는 단결정의 중심에서의 축방향 온도 구배(G)에 대한 영향은 단시간 동안에는 적다. 일종의 고유한 점결함의 형성을 촉진하는 단결정의 에지에 근접한 곳에서의 축방향 온도 구배의 변화는 불리한 효과를 갖지 않는데, 그 이유는 과량의 상기 점결함이 단결정의 에지로의 반경 방향 확산에 의해 감소되기 때문이다.

도 4는 열 교란이 발생한 데 대한 반응으로서 제1 열원의 열 출력의 조정으로 인한, 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 길이에 걸친 결정화 속도(v)의 변화를 보여준다. 결정화 속도(v)는, 소망하는 직경에 비례하고, 과량의 고유한 점결함이 형성되지 않는 예정된 결정화 속도를 중심으로 특정 진폭 및 주파수로 변한다. 보다 높은 결정화 속도로의 변화는 공공이 우세한 결정 영역(V)을 생성하고, 보다 낮은 결정화 속도로의 변화는 침입형 실리콘이 우세한 결정 영역(I)을 생성한다. 본 발명에 따르면, 직경의 조정과, 이에 따른 결정화 속도(v)의 조정은 기간(T)이 (2 × 18 mm)/v_p[min] 이하가 되도록 하는 방식으로 실시된다. 이에 따라, 상기 조정은 일종의 고유한 점결함이 우세하고 길이가 18 mm를 넘는 결정 영역이 성장할 수 없도록 충분히 짧은 시간 상수로 실시된다.

도가니 둘레에 배치된 제2 열원의 열 출력(LstF)을 조정함으로써 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 직경을 조정하는 것은, 대안으로서 적절치 않다. 도가니와 용융물에 의해 형성되는 열질량은 열 교란에 대한 충분히 빠른 반응을 방지한다. 그러나, 특히 비교적 장기간에 걸쳐 편차가 지속되면, 예정된 곡선으로부터의 제1 열원의 열 출력(LstR)의 편차의 후속 조정에 관한 조작 변수로서 제2 열원의 열 출력(LstF)을 사용하는 것이 유익하며, 이에 따라 바람직하다. 이때, 상기 제1 열원의 열 출력 편차는 단결정의 중심에서의 비율 v/G의 교란으로서 조작된다. 그러한 교란은 고유한 점결함의 반경 방향 확산에도 불구하고 제거될 수 없다. 후속 조정은, 예컨대 제1 열원의 열 출력의 편차가 평균적으로 (2 × 18 mm)/v_p[min]를 넘는 동안 존재하면, 제2 열원의 열 출력을 변경함으로서 예정된 곡선으로부터의 제1 열원의 열 출력의 편차를 제거하는 것을 포함하는 방식으로 실시된다.

예:

교란이 없는 진행의 경우에 FPDs 또는 Lpits 형태의 고유한 점결함이 누적되지 않도록 하는 방식으로 선택된, 인상 속도(v_p), 제1 열원의 열 출력(LstR) 및 제2 열원의 열 출력(LstF)에 대한 예정된 곡선들을 이용하여, 소망하는 직경이 305 mm이고 실리콘으로 이루어진 단결정을 인상하였다. 제1 열원(4)의 바닥면과 용융물(2)의 표면 사이의 거리(D)는 50 mm이었고, 단결정(1)의 측면과 제1 열원(4)의 내면 사이의 거리(d)는 30 mm였다(도 1). 결정이 성장하는 시간에 있어서, 직경이 일정하게 유지되는 섹션의 특정 성장 길이(L)에 대응하는 다양한 지점에서, 길이 150 mm 및 400 mm에서 1 kW만큼 갑자기 낮아지고(교란 1 및 교란 2), 길이 650 mm 및 900 mm에서 갑자기 상승하는(교란 3 및 교란 4) 제2 열원의 열 출력(LstF)에 의해 융융물에서 열 교란이 야기되었다(도 5).

직경의 변화를 유발하는 이들 열 교란에 반응하여, 반응은 길이 150 mm 및 650 mm에서의 교란 1 및 교란 3의 경우에 인상 속도(v_p)를 조정하는 것과, 길이 400 mm 및 900 mm에서의 교란 2 및 교란 4의 경우에 제1 열원의 열 출력(LstR)을 조정하는 것을 포함하였으며, 이때 LstR에 의한 조정의 경우에 있어서의 직경 변화는 (2 × 18 mm)/v_p 미만의 기간(T)에 보정되었다.

그 결과, 인상 속도(v_p)를 조정함으로써 직경의 조정이 실시될 때, 도 5에 예시한 바와 같이, 단지 교란 1 및 교란 3에 대한 반응의 경우에만 FPDs 및 Lpits 형태인 고유한 점결함의 바람직하지 않은 누적이 이루어졌다.

1 : 단결정
2 : 용융물
3 : 도가니
4 : 제1 열원
5 : 열 차폐부
6 : 단결정 냉각용 디바이스
7 : 자기장 생성 디바이스
8 : 제2 열원

Claims

직경이 일정하게 유지되는 섹션을 갖고 실리콘으로 이루어진 단결정의 인상 방법으로서,
예정된 소망하는 인상 속도(v_p)(단위: mm/min)로 단결정을 인상하는 것과,
직경의 변화가 (2 × 18 mm)/v_p 이하의 기간(T)에 보정되도록 하는 방식으로, 단결정과 이 단결정에 이웃하는 용융물의 영역에 열을 공급하고 상기 용융물 위에 배치되는 제1 열원의 열 출력을 조정함으로써, 직경이 일정하게 유지되는 섹션에서의 단결정의 직경을 예정된 소망하는 직경으로 조정하는 것
을 포함하는 단결정의 인상 방법.
제1항에 있어서, 제2 열원의 열 출력을 이용하여 상기 제1 열원의 열 출력을 조정하는 것을 포함하고, 상기 제2 열원은 단결정과 용융물에 열을 공급하며, 용융물을 수용하는 도가니 둘레에 배치되는 것인 단결정의 인상 방법.