KR20120039810A

KR20120039810A - 대구경 단결정 잉곳 제조방법

Info

Publication number: KR20120039810A
Application number: KR1020100101226A
Authority: KR
Inventors: 최일수; 김도연; 김봉우; 이상훈
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-04-26
Also published as: KR101193678B1

Abstract

실시예는 대구경 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법은 단결정 잉곳에 대한 테일링(tailing) 공정시 상기 단결정 잉곳 내에 발생하는 열응력을 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 낮게 제어할 수 있다.

Description

대구경 단결정 잉곳 제조방법{Method for Manufacturing large Diameter Single Crystal Ingot}

실시예는 대구경 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.

반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.

종래기술에서 300mm 직경 이하의 실리콘 단결정 성장 시에는 테일링(Tailing) 공정에서 전위 발생률이 매우 낮아서 테일링(Tailing) 공정은 단지 실리콘 단결정 공정에서 실리콘 융액(Si Melt)과 실리콘 단결정을 분리하기 위한 공정으로만 인식되었다. 종래에는 성장하는 단결정의 직경의 크기만큼 테일링을 진행하였다.

한편, 초크랄스키(czochralski, CZ) 법에 의해 대구경, 예를 들어 450mm 직경의 단결정을 성장하는 경우에는, 300mm 직경의 단결정보다 큰 볼륨(volume)을 가지고 있어 테일(Tail) 공정에서의 결정내부 열응력이 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 높게 되어 전위가 없는 실리콘 단결정을 생산하는 것이 기술적으로 어렵다.

즉, 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정 생산에서는 300mm 이하의 기존 실리콘 단결정 시와 유사하게 테일링 공정을 진행하면 전위가 발생하여 실리콘 단결정 수율이 매우 악화하는 현상이 발생한다.

실시예는 쵸크랄스키(Czochralski)법으로 실리콘 단결정 생산 시 테일링(Tailing) 공정에서 전위(Dislocation) 발생이 없이 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있는 대구경 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법은 단결정 잉곳에 대한 테일링(tailing) 공정시 상기 단결정 잉곳 내에 발생하는 열응력을 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 낮게 제어할 수 있다.

실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법에 의하면, 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정을 성장시킬 경우, 테일링(Tailing) 공정에서 전위(Dislocation) 발생이 없이 대구경 단결정 잉곳을 제조할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 의하면 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정에 대해 테일링 공정 중에 테일의 길이를 350mm 이하의 숏 테일 프로세스(Short Tail Process)를 적용함으로써 결정내 발생하는 열응력을 전위가 발생하는 CRSS(Critical Resolved Shear Stress) 이하로 유지함으로써 전위 발생이 없는 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정을 생산할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면, 예를 들어 450mm 실리콘 단결정의 경우 테일링 공정 중에 테일링 각도(Tailing Angle)을 약 50° 이상으로 제어하고, 테일 길이(Tail length)를 약 350mm로 유지함으로써 결정 내부 열응력이 CRSS보다 낮게 유지함으로써 전위발생 없는 대구경 실리콘 단결정의 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치 예시도.
도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법에 따른 테일링 실험 예시도.
도 3a 내지 도 3c는 테일의 직경이 약 250mm일 경우, 도 2a 내지 도 2c에 따른 테일링 진행시 열응력 분석 사진.
도 4a 내지 도 4c는 테일의 직경이 약 150mm일 경우, 도 2a 내지 도 2c에 따른 테일링 진행시 열응력 분석 사진.
도 5는 실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법 적용시 450mm 풀 스트력처(Full Structure) 잉곳 사진.
도 6은 종래기술에서의 테일 길이 증가에 따른 고액 계면 높이 변화 예시도.
도 7은 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 고액 계면 높이 변화 예시도.
도 8a는 비교예에서의 테일 길이 증가에 따른 테일 인상속도 변화도와 테일 직경 변화 예시도.
도 8b는 비교예에서의 테일 길이 증가에 따른 전체 온도 상승(Tail Temp. increment) 변화 예시도.
도 9a는 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 테일 인상속도 변화도와 테일 직경 변화 예시도.
도 9b는 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 전체 온도 상승(Tail Temp. increment) 변화 예시도.

실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치(100)의 예시도이다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(112), 히터(120), 인상수단(128) 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 단결정 잉곳성장장치는 챔버(110) 내부에 핫존(hot zone) 구조물로서, 실리콘 융액(SM)이 담겨지는 석영 도가니(112) 및 석영 도가니의 외연 하부 일부를 감싸 지지하는 흑연 도가니(114)가 장착되고, 흑연 도가니의 하부에 하중을 지지하기 위한 지지구조체(116)가 놓여지고, 지지 구조체는 미도시된 회전 구동장치에 축합되어 회전 및 승강하는 페데스탈(pedestal)(118)에 결합될 수 있다.

상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

상기 흑연 도가니(114)의 외연에는 단결정 잉곳(IG)성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원인 히터(120)가 에워싸고 있고, 히터의 외연으로 히터의 열이 챔버(110) 측면으로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위해 열차폐링(132)과 측면 단열재(134)로 구성되는 측면 단열시스템(radiation shield)(130) 에워싸고 있다.

상기 히터(120)의 하부로 히터의 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하는 차폐판(142)과 하부 단열재(144)로 구성된 하부 단열시스템(140)이 장착될 수 있다.

상기 측면 단열시스템(130)의 상부에는 히터의 열이 챔버 상부로 방출되지 않도록 열을 차폐하는 히터 커버(152)와 상부 단열재(154)로 구성된 상부 단열시스템(150)이 장착될 수 있다.

그리고, 상부 단열시스템(150)에는 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(112)사이에 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되어 실리콘 융액(SM)에서 방출되는 열을 차단하고, 또한 성장된 실리콘 잉곳의 냉각을 위해 실리콘 융액에서 방출되어 실리콘 잉곳으로 전달되는 열을 차단하는 냉각 구동력을 제공하는 열 쉴드(122)가 장착될 수 있다.

상기 챔버(110)의 상부에는 실리콘 융액(SM)에 인상수단(128)으로 연결된 종자 결정을 디핑시키고, 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 잉곳을 성장시키는 인상 구동(pullup)장치가 설치되고, 챔버의 내부에 아르곤(Ar)또는 네온(Ne) 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(미도시)이 형성될 수 있다.

그리고, 챔버(110)의 하부에는 가스 공급관에서 공급된 불활성 가스를 진공으로 펌핑하여 배기시키도록 도시되지 않은 진공 배기관계에 연결 형성된 진공 배기관(미도시)이 형성될 수 있다.

여기서, 진공 배기관의 진공 펌핑력에 가스 공급관(124)에서 챔버의 내부로 공급되는 불활성 가스는 하향 유동흐름(down flow)을 가지게 된다.

실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로 단결정인 종자결정(seed crystal)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.

이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 대구경 단결정 잉곳 제조방법에 따른 테일링 실험 예시도이다.

예를 들어, 도 2a는 450mm 잉곳에 대해 테일의 길이를 약 300mm로 제어하는 경우이며, 도 2b는 450mm 잉곳에 대해 테일의 길이를 약 500mm로 제어하는 경우이고, 도 2c는 450mm 잉곳에 대해 테일의 길이를 약 700mm로 제어하는 경우이다.

Lot No.	Tail Length	Growing Result
1	483mm	Tail 230mm S/L
2	416mm	Tail 170mm S/L
3	444mm	Tail 200mm S/L
4	473mm	Tail 200mm S/L

표 1은 테일 길이(Tail Length)에 따른 그로잉 결과(Growing Result) 예시 데이터이다.

450mm 실리콘 단결정의 테일 길이(Tail Length)를 약 450mm 정도로 단결정의 직경과 유사하게 통상적인 방법으로 성장한 경우 계속적으로 테일 길이 약 200mm 근방에서 전위가 발생하였다.

도 3a 내지 도 3c는 테일의 직경이 약 250mm일 경우, 도 2a 내지 도 2c에 따른 테일링 진행시 열응력 분석 사진이며,

도 4a 내지 도 4c는 테일의 직경이 약 150mm일 경우, 도 2a 내지 도 2c에 따른 테일링 진행시 열응력 분석 사진이다.

즉, 도 3 및 도 4는 테일 길이가 각각 300mm, 450mm, 700mm에 따른 결정내 열응력을 테일 길이가 250mm인 시점과, 150mm인 시점에서의 FEMAG 분석 결과이며, 표 2에 정리한다.

Tail Length	테일 길이 250mm인 시점의 열응력	테일 길이 150mm인 시점의 열응력
300 mm	0.7 MPa	3.6 MPa
450 mm	6.4 MPa	13.4 MPa
700 mm	8.4 MPa	15.4 MPa

표 2에 의하면, 테일 길이(Tail Length)가 짧을수록 결정내 열응력이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 테일 길이가 300mm의 경우 테일 길이 150mm인 시점의 결정내 열응력이 약 4MPa 이내임을 알 수 있다.

실시예에서는 테일 길이(Tail Length)를 320mm, 338mm로 각각 타겟(Target)하여 450mm 결정을 아래 표 3과 같이 2 롯(lots) 성장시켰다.

Lot No.	Tail Length	Growing Result
1	320 mm	Full Structure
2	338 mm	Full Structure

표 3은 450mm 단결정에서 테일 길이(Tail Length)에 따른 그로잉 결과(Growing Result) 데이터이며, 실시 예에서 테일 길이를 각각 320mm, 338mm로 제어한 경우 전위 발생 없는 450mm 실리콘 단결정을 성장시키는데 성공하였다.

도 5는 실시예에서, 테일 길이를 약 338mm로 제어한 경우 전위 발생 없는 450mm 실리콘 단결정을 풀 스트력처(Full Structure) 잉곳 사진이다.

도 6은 종래기술에서의 테일 길이 증가에 따른 고액 계면 높이 변화 예시도이며, 도 7은 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 고액 계면 높이 변화 예시도이다.

통상적으로, 테일링 공정에서의 고액계면의 높이가 높을수록 결정내 열응력이 증가한다.

한편, 숏 테일링(Short Tailing)을 진행하기 위해서 인상속도(Pulling Rate)를 높이면 테일 길이(Tail Lengt)는 감소하나, 고액계면이 높아짐으로 결정내 열응력이 증가하게 된다.

이에, 실시예는 테일 길이(Tail Length)를 감소시키면서, 고액계면을 낮게 유지하기 위해서 인상속도(Pulling Rate)는 낮게 유지하면서 온도 인크리먼트(Temp Increment)를 증가함으로써 열응력이 CRSS보다 낮게 유지되는 상태에서 450mm 단결정을 성장시킬 수 있다.

도 8a는 비교예에서 테일 길이 증가에 따른 테일 인상속도 변화도와 테일 직경 변화 예시도이며, 도 8b는 비교예에서의 테일 길이 증가에 따른 전체 온도 상승(Tail Temp. increment) 변화 예시도다.

도 9a는 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 테일 인상속도 변화도와 테일 직경 변화 예시도이며, 도 9b는 실시예에서 테일 길이 증가에 따른 전체 온도 상승(Tail Temp. increment) 변화 예시도다.

도 8a에서는 비교예에서는 테일 길이를 약 450mm로 타겟한 것이며, 도 9a에서 실시예는 테일 길이를 약 350mm로 타겟한 것이다.

도 9a, 도 9b에서 보는 바와 같이, 실시예는 테일 길이(Tail Length)를 약 350mm 이하로 감소시키면서, 고액계면을 낮게 유지하기 위해서 인상속도(Pulling Rate)는 낮게 유지하면서 온도 인크리먼트(Temp Increment)를 증가함으로써 열응력이 CRSS보다 낮게 유지되는 상태에서 풀 스트력쳐의 450mm 단결정을 성장시킬 수 있다. 한편, 실시예에서 고액계면이 높고 낮음의 기준점은 테일 직경(Tail Diameter)이 약 150mm인 경우, 약 25mm 정도가 고액계면이 높고 낮음의 기준점일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예는 테일링 공정 진행 시 테일링 각도(Tailing Angle)(θ)를 50° 이상으로 제어하고, 테일 길이(Tail length)를 약 350mm로 유지함으로써 결정 내부 열응력이 CRSS보다 낮게 유지함으로써 전위발생 없는 대구경 실리콘 단결정의 수율을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 도 9a와 같이, 테일링 각도(θ)를 50° 이상으로 유지하여 전위발생 없는 대구경 실리콘 단결정의 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예는 테일링 공정 진행시 테일의 길이/잉곳의 직경(Tail Length/Ingot Diameter)의 비가 약 0.85 이하가 되게 제어할 수 있다.

예를 들어, 도 9a와 같이, 테일의 길이/잉곳의 직경의 비를 약 0.85 이하가 되게 제어하여 전위발생 없는 대구경 실리콘 단결정의 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예는 테일링 공정 진행 시 인상속도(Pulling Rate)가 테일의 직경이 약 150mm 이하가 될 때까지 약 0.5mm/min이하로 제어할 수 있다.

예를 들어, 도 9a와 같이 테일링 공정 진행 시 인상속도가 테일의 직경이 약 150mm 이하가 될 때까지 약 0.5mm/min이하로 제어함으로써 고액계면 상승으로 인한 열응력 증가가 발생하지 않게 제어할 수 있다.

또한, 실시예에서 테일링 공정에서 상기 테일의 길이가 350mm 이하로 제어되고, 이러한 테일링 공정 내에서 전체 온도 인크리먼트(Total Temp. Increment)가 인가되도록 테일링 공정이 진행될 수 있다.

예를 들어, 도 9b와 같이, 테일의 길이는 350mm 이하로 제어되고, 이러한 테일링 공정 내에서 통상의 테일링 공정 시점과 테일링 종료 시점 사이에서 가해지는 전체 히터 파워 증가(Total Heat Power Increment)를 가함으로써 테일링(Tailing) 공정에서 전위(Dislocation) 발생이 없이 대구경 단결정 잉곳을 제조할 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

단결정 잉곳에 대한 테일링(tailing) 공정시 상기 단결정 잉곳 내에 발생하는 열응력을 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 낮게 제어하는 450mm 이상의 대구경 단결정 잉곳 성장방법.
제1 항에 있어서,
상기 단결정 잉곳 테일의 길이(Tail Length)를 350mm 이하로 유지하는 대구경 단결정 잉곳 성장방법.
제1 항에 있어서,
상기 테일링 공정 진행 시 테일링 각도(Tailing Angle)를 50°이상으로 유지하는 대구경 단결정 잉곳 성장방법.
제1 항에 있어서,
상기 테일링 공정 진행시 테일의 길이/ 잉곳의 직경(Tail Length/Ingot Diameter)의 비가 0.85 이하가 되게 제어하는 대구경 단결정 잉곳 성장방법.
제1 항에 있어서,
상기 테일링 공정 진행 시 인상속도(Pulling Rate)가 테일의 직경이 150mm 이하가 될 때까지 0.5mm/min이하로 제어함으로써 고액계면 상승으로 인한 열응력 증가가 발생하지 않게 제어하는 대구경 단결정 잉곳 성장방법.
제2 항에 있어서,
상기 테일링 공정에서 상기 테일의 길이가 350mm 이하로 제어되고, 이러한 테일링 공정 내에서 전체 온도 인크리먼트(Total Temp. Increment)가 진행되도록 테일링 공정이 제어되는 대구경 단결정 잉곳 성장방법.