KR20170089702A - 실리콘 단결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 초크랄스키법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 실리콘 용융액에 열을 가하는 히터 및 실리콘 용융액에 자기장을 걸어주는 자기장 인가수단이 구비된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용한 실리콘 단결정 성장 방법으로서, 상기 단결정 성장 장치에서 단결정 잉곳을 성장시킬시 실리콘 용융액의 높이 변동에 따른 자기장의 세기에 의해 인상 속도가 변동되는 구간이 발생하는 여부를 나타내는 프로파일을 도출하는 단계 및 상기 프로파일에 따라 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장의 세기를 설정하여 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

실리콘 단결정 성장 방법{Method for Silicon Single Crystal}

본 발명은 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 용융액의 잔여량과 자기장의 세기를 고려하여 인상속도의 변경 구간이 발생하지 않도록 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 기판은 주로 실리콘 단결정이 사용되며, 단결정 실리콘을 잉곳의 형태로 성장시키는 방법으로서 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법이 주로 사용되고 있다. 초크랄스키법을 적용한 단결정 잉곳 제조방법은 실리콘 멜트를 수용하기 위해 석영도가니에 폴리실리콘과 같은 고체 원료를 충진하고, 상기 석영도가니를 히터로 가열하여 용융시킨 후에, 실리콘 멜트에 시드를 디핑시키고 서서히 인상시키는 과정을 수행하여, 소정의 직경과 길이를 갖는 단결정 잉곳을 성장시키는 것이다.

이러한 단결정 잉곳의 성장 방법을 수행하는 과정에 있어서 디바이스의 성능을 저하시키는 결정 결함이 발생하게 되는데 특히 산소가 실리콘 단결정에 포함된다. 산소는 단결정 잉곳의 성장 과정에서 가해지는 열에 의해 산소 침전물(oxygen precipitates)로 성장하게 되는데, 이 산소 침전물은 실리콘 웨이퍼의 강도를 보강하고 금속 오염 원소를 포획하는 등 내부 게터링(Internal Gettering) 사이트로서 작용하는 등 유익한 특성을 보이기도 하지만, 반도체 소자의 누설전류 및 불량(fail)을 유발하는 유해한 특성을 보인다. 이러한 결함은 실리콘 단결정의 인상 속도, 실리콘 용융액의 온도 구배 등의 여러가지 요인에 의해 발생할 수 있다. 따라서, 실리콘 단결정의 성장 중에 인상 속도가 일정한 속도로 유지될 수 있도록 공정 조건이 설정되어야 하며, 산소 농도 또한 균일한 값으로 제어될 수 있도록 공정 조건이 설정될 필요가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 단결정 잉곳을 성장시킬시 인상 속도 및 산소 농도가 급격하게 변동되는 구간이 발생하지 않도록 실리콘 용융액에 걸리는 자기장의 세기를 조절하면서 단결정 잉곳을 성장시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예는 초크랄스키법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 실리콘 용융액에 열을 가하는 히터 및 실리콘 용융액에 자기장을 걸어주는 자기장 인가수단이 구비된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용한 실리콘 단결정 성장 방법으로서, 상기 단결정 성장 장치에서 단결정 잉곳을 성장시킬시 실리콘 용융액의 높이 변동에 따른 자기장의 세기에 의해 인상 속도가 변동되는 구간이 발생하는 여부를 나타내는 프로파일을 도출하는 단계; 및 상기 프로파일에 따라 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장의 세기를 설정하여 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 프로파일은 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 1차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제1 관계식과 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 2차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제2 관계식을 포함할 수 있다.

실시예에서 상기 제1 관계식은 Y=14.774X-2637.5 이며, 상기 제2 관계식은 Y=15.306X-470.41 이고, X가 실리콘 용융액의 높이이고 Y는 실리콘 용융액에 가해지는 자기장의 세기를 나타낸다.

실시예에서 단결정 성장 공정에 적용할 실제 자기장의 세기는 상기 제1 관계식의 Y값보다 크고 상기 제2 관계식의 Y값보다 작은 영역에서 선택하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 및 제2 관계식에서 실리콘 용융액의 높이는 150mm 에서 450mm 이내로 설정될 수 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 관계식은 2차 평면에서 감소 함수로 나타나며, 단결정 성장 공정에 적용할 실제 자기장의 세기가 선택되는 영역은 도가니 내부에서 단결정 잉곳이 성장함에 따라 최소값 및 최대값이 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킴에 있어서 자기장의 세기를 고려하여 인상 속도의 변동이 일어나지 않는 공정 파라미터를 설정할 수 있으므로 성장되는 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 성장된 단결정 잉곳에 결함 영역이 발생되지 않으며 무결함 영역이 확장됨에 따라 단결정 잉곳의 수율 또한 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 실리콘 용융액의 대류가 안정화되도록 공정 파라미터를 설정하기 때문에 실리콘 용융액에 포함된 산소 농도를 균일하게 제어하고 결정 영역의 품질을 개선시킬 수 있다.

도 1은 단결정 성장 중에 인상속도 및 산소 농도가 변동되는 구간을 나타낸 도면
도 2는 단결정 성장 중에 잉곳의 길이에 따라 인상 속도의 변동이 일어나는 구간을 나타낸 도면
도 3은 도가니 내의 실리콘 용융액의 상태를 단결정 잉곳의 성장에 따라 나타낸 도면
도 4는 자기장의 세기에 따라 단결정 성장 중 인상 속도가 변동되는 구간을 비교한 도면
도 5는 자기장의 세기에 따라 실리콘 용융액의 상태를 나타낸 도면
도 6은 단결정 잉곳의 길이에 따라 실리콘 용유액의 상태를 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따라 단결정 잉곳의 성장시의 자기장 설정 조건을 나타낸 그래프

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.

실시예는 단결정 성장 공정 중에 인상 속도가 목표값을 이탈하는 것을 방지하여 무결함 영역이 확장된 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 방법이며, 실리콘 잉곳에 포함된 산소 농도를 목표값으로 제어함으로써 안정적으로 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있는 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

도 1은 단결정 성장 중에 인상속도 및 산소 농도가 변동되는 구간을 나타낸 도면이며, 구체적으로 +MGP 조건에서의 인상 속도 및 산소 농도의 수치를 나타낸 것이다. MGP를 실리콘 용융액 표면의 상부 150mm 이내에 형성한 경우에는 성장되는 잉곳의 반경 방향으로 품질이 개선되지만, 도 1의 (a), (b), (c)에서와 같이 특정 구간에서 인상 속도와 산소 농도의 갑작스런 변동이 발생하게 된다.

(a)의 경우는 자기장의 세기를 3300G, MGP를 +100~+150mm로 설정하였으며 실리콘 단결정 잉곳의 바디가 70mm 정도로 성장하였을 때 인상 속도와 산소 농도의 갑작스런 변동이 발생하였고, (b)의 경우는 자기장의 세기를 3300G, MGP를 +70~+150mm로 설정하였으며 실리콘 단결정 잉곳의 바디가 350mm 정도로 성장하였을 때 인상 속도와 산소 농도의 갑작스런 변동이 발생하였다. (c)의 경우는 자기장의 세기를 2000G, MGP를 +100~+150mm로 설정하였으며 실리콘 단결정 잉곳의 바디가 480mm 정도로 성장하였을 때 인상 속도와 산소 농도의 갑작스런 변동이 발생하였다.

도 2는 단결정 성장 중에 잉곳의 길이에 따라 인상 속도의 변동이 일어나는 구간을 나타낸 도면이다.

도 2의 점선 구간과 같이 인상 속도와 산소 농도가 급격히 변동되는 구간의 발생 원인은 실리콘 용융액의 상태 변화에 따른 것으로 추측할 수 있다. 실리콘 용융액의 내부는 잉곳의 성장 초기 도가니 회전에 따른 대류셀이 지배적이지만, 잉곳이 성장하면서 실리콘 용융액의 높이는 낮아짐으로 인해 시드 회전에 따른 대류셀이 발생하게 되고, 두가지의 셀이 공존하다가 시드 회전에 따른 대류셀이 지배적으로 바뀌는 시점에서 인상 속도가 급격히 변동되는 것으로 예측할 수 있으며, 하기에서 자세히 설명한다.

도 3은 도가니 내의 실리콘 용융액의 상태를 단결정 잉곳의 성장에 따라 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, (1)과 같이 잉곳의 바디 성장 초기에 실리콘 용융액 내부는 도가니의 회전에 의한 대류셀 만이 존재하게 된다.

잉곳의 바디가 100mm 정도 성장하게 되면, (2)와 같이 잉곳 바디를 지탱하는 시드의 회전에 의한 대류셀이 실리콘 용융액 상부에 형성된다. 그리고, 잉곳의 바디가 1000mm로 성장하게 되면 (3)과 같이 잉곳의 중량에 의해 시드 회전에 의한 대류셀이 점점 확장되고, 잉곳 바디가 1400mm가 되는 시점에서는 (4)와 같이 도가니의 회전에 의한 대류셀과 시드 회전에 의한 대류셀이 동등한 수준으로 실리콘 용융액 내부에 존재하게 된다. 잉곳 바디가 1600mm가 되는 시점에서는 (5)와 같이 도가니의 회전에 의한 대류셀이 약화되고 시드 회전에 의한 대류셀이 실리콘 용융액 내부에 지배적으로 존재한다. 잉곳 바디가 1800mm로 성장하면 (6)과 같이 도가니의 회전에 의한 대류셀은 거의 소멸되고 시드 회전에 의한 대류셀만이 실리콘 용융액 내부에 남게 된다. 상술한 바와 같이 잉곳의 성장 길이에 따라서 실리콘 용융액의 대류 성질이 변화하게 되며, 특히 실리콘 용융액 내에 시드 회전에 의한 대류셀이 생겨나는 시점과 지배적으로 바뀌는 시점에 인상 속도와 산소 농도의 급작스런 변화가 생기게 된다.

도 4는 자기장의 세기에 따라 단결정 성장 중 인상 속도가 변동되는 구간을 비교한 도면이다. 도 4를 참조하면, 실리콘 용융액에 가해지는 자기장의 세기를 3300G로 설정하였을 때 실제 인상 속도의 변동 구간의 발생은 잉곳의 바디가 62mm인 지점에서 발생되었다. 그러나, 자기장의 세기가 2000G로 설정된 경우에는 실제 인상 속도가 변동되는 구간의 발생은 잉곳의 바디가 470mm인 지점에서 발생되었다. 즉, 자기장의 세기가 증가함에 따라 인상 속도의 급작스런 변동이 일어나는 지점이 바디 성장의 앞쪽으로 이동한다는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 자기장의 세기에 따라 실리콘 용융액의 상태를 시뮬레이션 하여 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 실리콘 용융액에 걸리는 자기장의 세기가 2000G, 3300G 인 조건에서 잉곳의 바디가 80mm로 성장된 시점에서 시드 회전에 의한 대류셀이 발생하였다. 반면, 자기장의 세기가 1000G인 경우에는 시드 회전에 의한 대류셀이 발생되지 않았다. 즉, 자기장의 세기가 낮을수록 시드 회전에 의한 대류셀의 크기는 작아지는 것을 알 수 있으며, 이 경우에는 잉곳의 바디가 80mm 보다 크게 성장된 어느 시점에서 시드 회전에 의한 대류셀이 발생할 것으로 추정할 수 있다.

도 6은 단결정 잉곳의 길이에 따라 실리콘 용융액의 상태를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 왼쪽의 도면은 잉곳의 바디가 0mm인 경우의 실리콘 용융액 내부에 형성된 도가니 회전에 의한 대류셀을 나타내고 있으며, 오른쪽으 도면은 잉곳의 바디가 80mm인 경우의 도가니 회전에 의한 대류셀 및 시드 회전에 의한 대류셀을 나타내고 있다.

잉곳이 성장하면서 실리콘 용융액의 깊이가 감소하게 되면서 시드 회전에 의한 대류셀이 발생하게 되며, 도 6의 오른쪽 도면과 같이 시드 회전에 의한 대류셀의 확장에 따라 도가니 회전에 의한 대류셀은 그 중심이 4시 방향으로 이동하게 되며, 도가니 측벽과 도가니 회전의 의한 대류셀의 중심축 사이 간격이 좁아지면서 대류 속도가 감소하게 되고, 이로 인해 시드 회전에 의한 대류셀은 점차 확장된다.

즉, 시드 회전에 의한 대류셀이 없을 때, 자기장의 세기가 증가하면 실리콘 용융액 표면의 회전속도는 증가하며 유입속도 또한 증가하나, 시드 회전에 의한 대류셀이 존재할 때에는 자기장의 세기가 증가할 시 실리콘 용융액 표면의 회전속도는 증가하지만 유입속도는 감소하게 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 시드 회전에 의한 대류셀이 생긴 경우에 공정 변수의 변동 설정 없이는 잉곳의 인상 속도가 급작스럽게 변동되는 구간이 발생하게 되므로, 실시예에서는 이를 자기장과의 상관관계를 통해 해결하고자 한다.

도 7은 실시예에 따라 단결정 잉곳의 성장시의 자기장 설정 조건을 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 가로축은 실리콘 용융액의 높이(mm)이고, 세로축은 자기장의 세기(G)를 나타내고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 실리콘 융액의 대류 상태에 따라 잉곳의 바디가 성장되는 과정에서 2번의 인상 속도 변경 구간이 발생하게 되는데, 이를 방지하고자 인상 속도의 변경이 일어나는 구간에서의 자기장 세기를 일정 범위로 변경한다.

실리콘 융융액의 높이와 실리콘 용융액에 걸리는 자기장의 세기와의 상관 관계를 도출한 결과 1차 인상 속도의 변경 구간은 실리콘 용융액의 높이가 300mm인 부근까지 나타나며, 예를 들어 실리콘 용융액의 높이가 380mm인 경우에는 3000G 이하의 자기장을 인가하는 경우에 인상속도의 변경 구간이 발생하였다. 실리콘 용융액의 높이에 따라 인상속도의 변경 구간이 발생된 자기장의 세기값을 이으면 선형적인 직선이 나타나게 되는데, 상기 그래프 상에서 실리콘 용융액의 높이를 X라 하고 자기장의 세기를 Y1이라 하였을 때, X와 Y의 관계는 다음의 수학식 1과 같이 나타난다.

2차 인상 속도의 변경 구간은 실리콘 용융액의 높이가 220mm 이하인 부근에서 나타나며, 예를 들어 실리콘 용융액의 높이가 200mm인 경우에는 2500G 이상의 자기장을 인가하는 경우에 인상속도의 변경 구간이 발생하였다. 실리콘 용융액의 높이에 따라 인상속도의 변경 구간이 발생된 자기장의 세기값을 이으면 선형적인 직선이 나타나게 되는데, 상기 그래프 상에서 실리콘 용융액의 높이를 X라 하고 자기장의 세기를 Y2이라 하였을 때, X와 Y의 관계는 다음의 수학식 2과 같이 나타난다.

상기 수학식 1은 1차 인상 속도의 변경 구간에 관한 관계식이며, 수학식 2는 2차 인상 속도의 변경 구간에 관한 관계식이다. 즉, 1차 인상 속도의 변경 구간이 발생하는 것을 방지하기 위해서는 수학식 1에서 실리콘 용융액의 높이에 대응되는 자기장의 값보다 더 큰 값을 갖도록 설정되는 것이 바람직하며, 2차 인상 속도의 변경 구간이 발생하는 것을 방지하기 위해서는 수학식 2에서 실리콘 용융액의 높이에 대응되는 자기장의 값보다 더 작은 값을 갖도록 설정되는 것이 바람직하다.

이러한 관계를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, X는 도가니에서 대류하는 실리콘 용융액의 높이이며, Y는 실제 공정에 적용할 자기장의 세기를 나타낸다. 상기 수학식 3에서와 같이 Y 값을 설정하면, 1차 인상 속도의 변경 구간 및 2차 인상 속도의 변경 구간이 발생하는 것을 방지하면서 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있다. 1차 인상 속도의 변경 구간 및 2차 인상 속도의 변경은 실리콘 용융액의 높이가 450mm에서부터 150mm로 줄어드는 구간에서 발생하므로, 상기와 같은 구간에서 X값이 설정되는 것이 바람직하다.

실시예의 단결정 성장 방법을 설명하면 다음과 같다.

우선 도가니에 원부자재인 고체 상태의 폴리실리콘을 충진하는 단계를 수행한다. 이어서, 단결정 성장 장치 내부에 구비되며 상기 석영 도가니의 측면에서 열을 가하는 측면 히터와 상기 석영 도가니의 하부에서 열을 가하는 하부 히터를 소정의 온도로 승온시킨다. 그리고, 상기 단결정 성장 장치 외부에 마련된 자기장 인가 수단으로 도가니 내부에 형성된 실리콘 용융액에 소정값의 수평 자기장을 걸어주는 단계를 수행한다.

실시예는 특히 실리콘 용융액에 자기장을 걸어주는 과정에서, 실리콘 용융액의 높이에 따라 인상 속도의 급격한 변동이 발생하는 구간이 나타난 프로파일을 도출하며, 상기 프로파일은 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 1차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제1 관계식과 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 2차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제2 관계식을 포함한다.

상기 제1 관계식과 제2 관계식은 2차 평면에서 X와 Y에 관한 관계식으로 나타나며, X는 실리콘 용융액의 높이이고, Y는 실리콘 용융액에 가해지는 자기장의 세기이다. 실시예에서는 실제 단결정 성장 공정에서 적용할 자기장의 세기를 제1 관계식보다 크고 제2 관계식보다 작은 영역에서 선택하여 설정함으로써, 단결정 성장 도중 1차 및 2차 인상속도의 급격한 변동 구간이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 제1 및 제2 관계식은 x축과 y축으로 이루어진 2차 평면에서 감소 함수로 나타나며, 단결정 성장 공정에 적용할 실제 자기장의 세기가 선택되는 영역은 도가니 내부에서 단결정 잉곳이 성장함에 따라 최소값 및 최대값이 점차 감소한다.

실시예와 같이 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면, 실리콘 잉곳을 끌어올리는 인상 속도의 변동이 일어나지 않는 공정 파라미터를 설정할 수 있으므로 성장되는 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다. 이에, 성장된 단결정 잉곳에 결함 영역이 발생되지 않으며 무결함 영역이 확장됨에 따라 단결정 잉곳의 수율 또한 향상시킬 수 있다.

실시예와 같이 실리콘 용융액의 대류가 안정화되도록 자기장의 세기를 고려하여 공정 파라미터를 설정하면, 실리콘 용융액에 포함된 산소 농도를 균일하게 제어하고 결정 영역의 품질을 개선시킬 수 있다.

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

Claims (5)

1. 초크랄스키법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 실리콘 용융액에 열을 가하는 히터 및 실리콘 용융액에 자기장을 걸어주는 자기장 인가수단이 구비된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용한 실리콘 단결정 성장 방법으로서,
   상기 단결정 성장 장치에서 단결정 잉곳을 성장시킬시 실리콘 용융액의 높이 변동에 따른 자기장의 세기에 의해 인상 속도가 변동되는 구간이 발생하는 여부를 나타내는 프로파일을 도출하는 단계; 및
   상기 프로파일에 따라 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장의 세기를 설정하여 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고,
   상기 프로파일은 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 1차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제1 관계식과 실리콘 용융액의 높이에 따른 자기장 세기에 의해 2차 인상 속도의 변경 지점이 나타난 지점을 이은 제2 관계식을 포함하는 단결정 성장 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 관계식은 Y=14.774X-2637.5 이며, 상기 제2 관계식은 Y=15.306X-470.41 이고, X가 실리콘 용융액의 높이이고 Y는 실리콘 용융액에 가해지는 자기장의 세기를 나타내는 단결정 성장 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   단결정 성장 공정에 적용할 실제 자기장의 세기는 상기 제1 관계식의 Y값보다 크고 상기 제2 관계식의 Y값보다 작은 영역에서 선택하는 단결정 성장 방법.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 관계식에서 실리콘 용융액의 높이는 150mm 에서 450mm 이내로 설정되는 단결정 성장 방법.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 관계식은 2차 평면에서 감소 함수로 나타나며, 단결정 성장 공정에 적용할 실제 자기장의 세기가 선택되는 영역은 도가니 내부에서 단결정 잉곳이 성장함에 따라 최소값 및 최대값이 감소하는 단결정 성장 방법.

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