WO2017030275A1 - 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

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WO2017030275A1
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crystal ingot
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silicon melt
magnet
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송도원
이홍우
김상희
이호준
김정열
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주식회사 엘지실트론
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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    • C30B30/04—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a single crystal ingot growth apparatus and its growth method capable of uniformly controlling acidity concentration in the longitudinal and radial directions of a single crystal ingot by keeping the convection pattern at the silicon melt interface constant.
  • CZ Czochralski
  • quartz crucibles are used to contain molten silicon melt in a single crystal ingot manufacturing method by the CZ method. These quartz crucibles are dissolved in the melt together with the reaction with the silicon melt to be converted into SiOx form, which is incorporated into the ingot to form bulk micro defects (BMD) and the like so as to obtain gettering sites for metal impurities during the semiconductor process. It can act as a gathering site or, on the other hand, cause various defects and segregation, which in turn can adversely affect the yield of semiconductor devices.
  • BMD bulk micro defects
  • Another method is to control the oxygen concentration through melt convection using a magnetic field.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-214118 discloses a method for controlling the longitudinal oxygen concentration of a silicon single crystal, which obtains a correlation between the magnetic field center position and the oxygen concentration and performs the single crystal pulling while controlling the magnetic field center position. .
  • the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, by maintaining a constant convection pattern of the silicon melt interface, single crystal ingot growth capable of uniformly controlling the acidity concentration in the longitudinal and radial directions of the single crystal ingot Its purpose is to provide an apparatus and a method of growing the same.
  • the present invention is a crucible containing a silicon melt in which a single crystal ingot is grown; A horizontal magnet provided around the crucible and forming a magnetic field in a horizontal direction; And magnet moving means for moving the horizontal magnet in a vertical direction, wherein the magnet moving means has a maximum magnetic field position (MGP) of the horizontal magnet higher than a solid liquid interface of the silicon melt contained in the crucible.
  • MGP maximum magnetic field position
  • the present invention comprises a first step of growing a single crystal ingot from the silicon melt interface; A second step of forming a magnetic field in a horizontal direction in the silicon melt in which the single crystal ingot is grown in the first step; And a third step of placing a maximum gauss position (MGP) of the magnetic field formed in the second step higher than the silicon melt interface and controlling the rate of increase of the MGP to 3.5 mm / hr to 6.5 mm / hr. It provides a single crystal ingot growth method.
  • MGP maximum gauss position
  • the horizontal magnet is positioned to be elevated by the magnet moving means around the crucible, while placing the maximum magnetic field position higher than the silicon melt interface and increasing the MGP rise rate from 3.5 mm / hr to By controlling at 6.5 mm / hr, the simplicity and symmetry of convection can be ensured at the silicon melt interface.
  • the present invention can reduce Oi dispersion and BMD dispersion in the longitudinal direction and the radial direction of the single crystal ingot, thereby improving the quality.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an embodiment of a single crystal ingot growth method according to the present invention.
  • Figure 3 is a graph showing the temperature and flow rate of the silicon melt interface in accordance with a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature and flow rate of the silicon melt at the top surface and -10mm point relative to the silicon melt interface in accordance with each embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the rate of Oi change per length of a single crystal ingot versus MGP ascent rate in accordance with an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the distribution of pulling speed (P / S) according to the section by length of the single crystal ingot according to the conventional comparative example and the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the shape of the single crystal ingot and the silicon melt interface in accordance with a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing Oi concentration distribution and ⁇ Oi concentration distribution in a plane cut radially of a single crystal ingot according to a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing BMD in plane cut radially of a single crystal ingot according to a conventional comparative example.
  • FIG. 10 is a graph showing BMD in plane cut radially of a single crystal ingot according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a table showing ⁇ Oi with or without MGP rise rate for each solidification rate of silicon melt.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
  • the single crystal ingot growth apparatus of the present invention includes a crucible 110 containing silicon melt, a horizontal magnet 120 forming a magnetic field around the crucible 110, and the horizontal magnet. It is configured to include a magnet moving means 130 for elevating (120).
  • the crucible 110 is a quartz crucible that does not affect the components of the silicon melt even when heated to a high temperature is used, as well as rotatably installed around the axis of rotation is installed to be able to move up and down.
  • the horizontal magnet 120 is installed at a predetermined interval around the crucible 110, and forms a magnetic field in the horizontal direction inside the silicon melt, the axial center of the horizontal magnet 120 generates the maximum magnetic field It becomes the maximum magnetic field position (MGP).
  • the MGP is preferably positioned at least 150 mm higher than the silicon melt interface.
  • the magnet moving unit 130 is configured to lift the horizontal magnet 120 in the vertical direction in the state in which the horizontal magnet 120 is suspended, it can control the rate of increase of the MGP.
  • the magnet moving means 130 preferably controls the MGP increase rate to 3.5 ⁇ 6.5 mm / hr when the solidification rate of the silicon melt is 40% or less.
  • FIG. 2 is a view showing an embodiment of a single crystal ingot growth method according to the present invention.
  • the single crystal ingot growth method of the present invention grows a single crystal ingot from a silicon melt interface as shown in FIG. 2 (see S1).
  • the single crystal grows in a radial direction around the seed as the crucible and the seed rotate in opposite directions, and as the wire is pulled up, the single crystal is axially oriented. To grow.
  • the silicon melt is reduced, and the crucible is moved upward to maintain the position of the interface between the single crystal ingot and the silicon melt at a constant height.
  • the centrifugal force acts primarily to suppress natural convection in the silicon melt, while maintaining two convex patterns formed in opposite directions at the circumference and the center in a circular form.
  • the Oi concentration dispersion is uniformly formed at 0.04 ppm or less in the radial direction of the single crystal ingot, while the Oi concentration dispersion is 0.01 ppm at the axial direction of the single crystal ingot. It can form uniformly below.
  • the dispersion of Oi concentration can be further lowered in the axial direction of the single crystal ingot, thereby further improving the quality of the single crystal ingot.
  • the amount of silicon melt remaining in the crucible is reduced, and the influence of the magnetic field acting on the silicon melt is also reduced.
  • the solidification rate of the silicon melt exceeds 40%, even if controlling the rate of increase of the MGP according to the embodiment of the present invention, the effect of the MGP is small, so that the rise of the MGP is stopped, and the position of the MGP is 150 mm higher than the silicon melt interface. It is desirable to control so as to.
  • FIG 3 is a graph showing the temperature and the flow rate of the silicon melt interface in accordance with the conventional comparative example and the embodiment of the present invention.
  • the MGP when the MGP is made while maintaining a predetermined rate of increase at a position higher than the silicon melt interface, it can be seen that the Oi concentration is uniformly formed in the radial direction of the single crystal ingot.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature and flow rate of the silicon melt at the top surface and -10mm point relative to the silicon melt interface according to each embodiment of the present invention.
  • each embodiment of the present invention (+ 150MGP, + 100MGP, + 50MGP) in which the MGP rises at a predetermined ascending rate at a position 150mm, 100mm, 50mm higher than the silicon melt interface, the closer the MGP is to the silicon melt interface, The boundary layer shape between the convex pattern and the convection pattern of the center is changed to ellipse, and the node into which the silicon melt flows tends to be weakened.
  • FIG. 5 is a graph showing the rate of Oi change per length of a single crystal ingot versus MGP ascent rate in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the rate of change of Oi for each length of the single crystal ingot is changed.
  • the Oi concentration can be constantly controlled in the longitudinal direction of the single crystal ingot to produce single crystal ingots and wafers of desired quality. Can be.
  • FIG. 6 is a graph showing the distribution of the pulling speed (P / S) according to the section by length of the single crystal ingot according to the conventional comparative example and the embodiment of the present invention.
  • the embodiment of the present invention improves the P / S dispersion in the longitudinal direction of the single crystal ingot than the conventional comparative example, which is stable by reducing the temperature interference in the meniscus by inhibiting the direct melt inflow near the solid-liquid interface. You can grow a single crystal ingot.
  • FIG. 7 is a view illustrating the shape of a single crystal ingot and a silicon melt interface according to a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • the center of the solid-liquid interface appears 20 mm higher than the outer periphery, while the MGP is predetermined at a position 150 mm higher than the silicon melt interface.
  • the embodiment of the present invention (+ MGP) rising at the rate of rise, the center of the solid-liquid interface appears 10mm higher than the outer peripheral portion.
  • the embodiment of the present invention reduces the temperature fluctuation at the solid-liquid interface as the P / S dispersion is improved in the longitudinal direction of the single crystal ingot than the conventional comparative example, and Oi in the radial direction of the ingot as the solid-liquid interface is flattened. It can be seen that the dispersion is improved.
  • FIG. 8 is a graph showing Oi concentration distribution and ⁇ Oi concentration distribution in a plane in which a single crystal ingot is radially cut according to a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • the Oi concentration concentration (Oi Stdev) is shown as 0.126 in the plane of the single crystal ingot, and the in-plane adjacent portion of the single crystal ingot is shown. Oi concentration distribution ( ⁇ Oi Ave) at 0.07.
  • the Oi concentration distribution (Oi Stdev) appears in the plane of the single crystal ingot as 0.035, The Oi concentration distribution ( ⁇ Oi Ave) is found to be 0.03 in the plane adjacent.
  • the Example of the present invention can confirm that Oi scattering is greatly improved in the plane of the single crystal ingot than the conventional comparative example.
  • FIGS. 9 and 10 are graphs showing BMDs in planes in which a single crystal ingot is radially cut according to a conventional comparative example and an embodiment of the present invention.
  • the in-plane BMD range of the single crystal ingot ranges from 400 mm, 1000 mm, 1600 mm, and 2200 mm in the longitudinal direction of the single crystal ingot to 2.3.
  • (+ MGP) MGP rises at a predetermined ascension rate at the position 150mm higher than the silicon melt interface, in the plane of the single crystal ingot at 400mm, 1000mm, 1600mm, 2200mm in the longitudinal direction of the single crystal ingot
  • the BMD ranges are E + 09 to 3.37E + 09, 4.60E + 09 to 2.69E + 09, 4.76E + 09 to 3.04E + 09, and 3.47E + 09 to 2.90E + 09.
  • the log BMD distribution (Log BMD stdev) is calculated to be 0.063 or less, and it can be seen that the BMD distribution is greatly improved in the plane of the single crystal ingot than the conventional comparative example.
  • 11 is a table showing ⁇ Oi with or without MGP increase rate for each solidification rate of the silicon melt.
  • the comparative example obtains the Oi concentration of the single crystal ingot while the MGP is maintained at a fixed position at 150 mm higher than the silicon melt interface, while the Example raises the MGP at a predetermined ascending rate at a position 150 mm higher than the silicon melt interface.
  • the Oi concentration of the single crystal ingot was obtained from.
  • the solidification rate increases and the amount of silicon melt decreases.
  • the ⁇ Oi concentration is large in the Examples and Comparative Examples, whereas the solidification rate is more than 40%. In Examples and Comparative Examples, the concentration of ⁇ Oi is small.
  • the effect of improving the Oi concentration is large when the solidification rate is 40% or less. have.
  • the body of the single crystal ingot is grown, that is, applied at a solidification rate of 40% or less. It is preferable.
  • the present invention can reduce the Oi dispersion and the BMD dispersion in the longitudinal direction and the radial direction of the single crystal ingot growth apparatus and its growth method, and can be applied to further improve the quality of the single crystal ingot or wafer.

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Abstract

본 발명은 실리콘 융액 계면의 대류 패턴을 일정하게 유지함으로써, 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 산도 농도를 균일하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 도가니 둘레에 수평 마그넷이 마그넷 이동수단에 의해 승강 가능하게 위치하는데, 최대자기장위치(MGP)를 실리콘 융액 계면보다 높게 위치시키는 동시에 MGP 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어함으로써, 실리콘 융액 계면에서 대류의 단순성 및 대칭성을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명은 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 Oi 산포 및 BMD 산포를 줄일 수 있어 품질을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법
본 발명은 실리콘 융액 계면의 대류 패턴을 일정하게 유지함으로써, 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 산도 농도를 균일하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
현재 CZ법에 의한 단결정 잉곳 제조방법에 있어 용융된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영도가니가 사용된다. 이러한 석영도가니는 실리콘 멜트와의 반응을 동반하여 멜트 내에 용해됨으로써 SiOx 형태로 전이되고 이는 잉곳 내로 혼입되어 미소 내부 결함(Bulk Micro Defects : BMD) 등을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대하여 게터링 사이트(gathering site)로 작용하거나, 다른 한편으로는 각종 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 장치의 수율에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 단결정 잉곳 내 산소농도를 제어하기 위해 먼저 결정 성장로 내의 핫존(H/Z)을 상당 부분 변경시키는 방법이 있다. 예를 들어, 히터의 길이 조절이나, 슬릿 등을 조절하여 석영도가니의 용해 속도를 제어하는 방법은 많이 논의되어 왔다.
또한, 단결정 잉곳의 회전속도나 석영도가니의 회전 속도, 성장로 내 아르곤이나 압력 등을 조절하여 산소 농도를 제어하는 방법이 있다.
또 다른 방법으로, 자기장을 이용하여 멜트 대류를 통한 산소농도 제어를 하는 방법이 있다.
일본공개특허 제2008-214118호에는 실리콘 단결정의 길이방향 산소농도를 제어하는 방법이 개시되고 있는데, 이것은 자기장 중심 위치와 산소농도와의 상관관계를 구하고, 자기장 중심 위치를 제어하면서 단결정 인상을 수행한다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 자기장 중심 위치가 실리콘 융액 계면으로 이동하는 경우, 멜트의 흐름이 복잡한 대류 패턴을 형성함으로써, 산소 농도가 크게 변화되고, 이로 인하여 단결정 잉곳의 반경방향으로 산소 농도가 균일하지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실리콘 융액 계면의 대류 패턴을 일정하게 유지함으로써, 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 산도 농도를 균일하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단결정 잉곳이 성장하는 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비되고, 수평 방향으로 자기장을 형성시키는 수평 마그넷; 및 상기 수평 마그넷을 수직 방향으로 이동시키는 마그넷 이동수단;을 포함하고, 상기 마그넷 이동수단은, 상기 수평 마그넷의 최대자기장위치(Maximum gauss position : MGP)를 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 고액 계면보다 높게 위치시키고, 상기 MGP의 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어하는 단결정 잉곳 성장장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 단결정 잉곳을 실리콘 융액 계면으로부터 성장시키는 제1단계; 상기 제1단계에서 단결정 잉곳이 성장되는 실리콘 융액에 수평 방향으로 자기장을 형성시키는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 형성된 자기장의 최대자기장위치(Maximum gauss position : MGP)를 상기 실리콘 융액 계면보다 높게 위치하고, 상기 MGP의 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어하는 제3단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 도가니 둘레에 수평 마그넷이 마그넷 이동수단에 의해 승강 가능하게 위치하는데, 최대자기장위치를 실리콘 융액 계면보다 높게 위치시키는 동시에 MGP 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어함으로써, 실리콘 융액 계면에서 대류의 단순성 및 대칭성을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명은 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 Oi 산포 및 BMD 산포를 줄일 수 있어 품질을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 실시예가 도시된 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법의 실시예가 도시된 도면.
도 3은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 융액 계면의 온도와 유속이 도시된 그래프.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라 실리콘 융액 계면을 기준으로 상면과 -10mm 지점에서 실리콘 융액의 온도와 유속이 도시된 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 MGP 상승율에 대한 단결정 잉곳의 길이당 Oi 변화율이 도시된 그래프.
도 6은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳의 길이별 구간에 따라 인상속도(pulling speed : P/S) 산포가 도시된 그래프.
도 7은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳과 실리콘 융액 계면의 형상이 도시된 도면.
도 8은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳을 반경방향으로 절단한 면내에서 Oi 농도 산포 및 ΔOi 농도 산포가 도시된 그래프.
도 9는 종래의 비교예에 따라 단결정 잉곳을 반경방향으로 절단한 면내에서 BMD가 도시된 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳을 반경방향으로 절단한 면내에서 BMD가 도시된 그래프.
도 11은 실리콘 융액의 고화율 별로 MGP 상승율 적용 유무의 ΔOi가 도시된 표.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 실시예가 도시된 개략도이다.
본 발명의 단결정 잉곳 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 융액이 담기는 도가니(110)와, 상기 도가니(110) 둘레에 자기장을 형성하는 수평 마그넷(Horizontal magnet : 120)과, 상기 수평 마그넷(120)을 승강시키는 마그넷 이동수단(130)을 포함하도록 구성된다.
상기 도가니(110)는 고온으로 가열되더라도 실리콘 융액의 성분에 영향을 미치지 않는 석영 도가니가 사용되며, 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치될 뿐 아니라 상하 방향으로 승강 가능하게 설치된다.
상기 수평 마그넷(120)은 상기 도가니(110) 둘레에 소정 간격을 두고 설치되며, 실리콘 융액 내부에 수평 방향으로 자기장을 형성하게 되는데, 상기 수평 마그넷(120)의 축방향 중심이 최대 자기장을 발생시키는 최대자기장위치(Maximum gauss position : MGP)가 된다.
실시예에서, 상기 MGP는 실리콘 융액 계면보다 적어도 150mm 이상 높게 위치시키는 것이 바람직하다.
상기 마그넷 이동수단(130)은 상기 수평 마그넷(120)이 매달린 상태에서 상기 수평 마그넷(120)을 상하 방향으로 승강시킬 수 있도록 구성되는데, 상기 MGP의 상승율을 제어할 수 있다.
실시예에서, 상기 마그넷 이동수단(130)은 실리콘 융액의 고화율이 40% 이하에서 상기 MGP 상승율을 3.5 ~ 6.5 mm/hr 로 제어하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법의 실시예가 도시된 도면이다.
본 발명의 단결정 잉곳 성장방법은 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 융액 계면으로부터 단결정 잉곳을 성장시킨다.(S1 참조)
상세하게, 와이어에 매달린 시드가 도가니에 담긴 실리콘 융액이 잠기면, 상기 도가니와 시드가 서로 반대 방향으로 회전함에 따라 시드 주변에서 단결정이 반경 방향으로 성장하며, 상기 와이어를 인상시킴에 따라 단결정이 축 방향으로 성장한다.
물론, 단결정 잉곳이 성장함에 따라 실리콘 융액이 줄어들게 되고, 단결정 잉곳과 실리콘 융액 계면의 위치를 일정한 높이로 유지하기 위하여 상기 도가니를 상향 이동시킨다.
이때, 상기 도가니와 시드가 반대 방향으로 회전되면, 원주부와 중심부에 반대 방향으로 두 개의 대류 패턴이 형성되고, 단결정 잉곳 주변에 두 개의 대류 패턴을 구분하는 경계층이 형성된다.
이와 같이 단결정 잉곳이 성장되는 동안, 실리콘 융액 주변에 자기장을 형성시키는데, MGP를 실리콘 융액 계면보다 높게 위치시키는 동시에 MGP의 상승율을 3.5 ~ 6.5 mm/hr 범위로 제어한다.(S2,S3 참조)
상세하게, MGP가 실리콘 융액 계면보다 높게 위치하면, 원심력이 주로 작용함에 따라 실리콘 융액에서 자연 대류 현상을 억제하고, 원주부와 중심부에 반대 방향으로 형성된 두 개의 대류 패턴을 원형 형태로 그대로 유지하는 동시에 그 경계층으로 새로운 실리콘 융액의 유입을 억제함으로써, 실리콘 융액과 단결정 잉곳 사이의 메니스커스(Meniscus)에 온도 간섭 영향을 감소시킬 수 있어 단결정 성장을 안정적으로 유지할 수 있다.
바람직하게는, MGP의 상승율을 3.5 ~ 6.5 mm/hr 범위로 제어하면, 단결정 잉곳의 반경방향으로 Oi 농도 산포를 0.04ppma 이하로 균일하게 형성시키는 동시에 단결정 잉곳의 축방향으로 Oi 농도 산포를 0.01ppma 이하로 균일하게 형성시킬 수 있다.
더욱 바람직하게는, MGP의 상승율을 5mm/hr로 제어하면, 단결정 잉곳의 축방향으로 Oi 농도 산포를 더욱 낮출 수 있어 단결정 잉곳의 품질을 보다 향상시킬 수 있다.
그런데, 실리콘 융액의 고화율이 40% 초과하면, MGP의 상승을 중단한다.(S4,S5 참조)
보통, 단결정 잉곳이 성장함에 따라 도가니에 잔류하는 실리콘 융액의 양이 줄어들고, 실리콘 융액에 작용하는 자기장의 영향도 감소하게 된다.
따라서, 실리콘 융액의 고화율이 40%를 초과하면, 본 발명의 실시예에 따라 MGP의 상승율을 제어하더라도 그 효과가 작기 때문에 MGP의 상승을 중단하고, MGP의 위치를 실리콘 융액 계면보다 150mm 높게 위치하도록 제어하는 것이 바람직하다.
도 3은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 융액 계면의 온도와 유속이 도시된 그래프이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 230mm 낮은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 종래의 비교예(-MGP)를 살펴보면, 고액 계면에서 온도 분포가 불균일하게 나타나며, 대류 패턴도 복잡하게 나타난다.
반면, MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 실시예(+MGP)를 살펴보면, 고액 계면에서 온도 분포가 균일하게 나타나며, 대류 패턴도 단순할 뿐 아니라 대칭성을 이루도록 나타난다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 MGP가 실리콘 융액 계면보다 높은 위치에서 소정의 상승율을 유지하면서 만들어지면, 단결정 잉곳의 반경방향으로 Oi 농도를 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라 실리콘 융액 계면을 기준으로 상면과 -10mm 지점에서 실리콘 융액의 온도와 유속이 도시된 그래프이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm, 100mm, 50mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 각 실시예(+150MGP, +100MGP, +50MGP)를 살펴보면, MGP가 실리콘 융액 계면으로 가까워질수록 원주부의 대륜 패턴과 중심부의 대류 패턴 사이의 경계층 형상이 타원으로 변화되고, 실리콘 융액이 유입되는 노드(node)가 약화되는 경향이 나타난다.
그 결과, MGP가 실리콘 융액 계면보다 높게 형성되더라도 실리콘 융액 계면과 근접할수록 실리콘 융액 내에 용출된 산소가 대류 패턴에 의해 과냉영역으로 유입될 가능성이 줄어들고, 단결정 내에 산소가 불균일하게 유입됨에 따라 단결정 잉곳의 면내에서 산소 산포를 제어하기 어렵게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 +150MGP 이상을 유지하면서 만들어지면, 경계층의 변화에 따른 급격한 산소 변화(Bifurcation)를 제어할 수 있고, 단결정 잉곳의 반경 방향으로 산소 산포를 균일하게 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 MGP 상승율에 대한 단결정 잉곳의 길이당 Oi 변화율이 도시된 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따라 MGP를 실리콘 융액 계면보다 높은 위치에서 MGP의 상승율을 변화시키면, 단결정 잉곳의 길이별 Oi 변화율이 가변된다.
이때, MGP의 상승율을 3.5 ~ 6.5 mm/hr 범위로 제어하면, 단결정 잉곳의 길이별 Oi 변화율이 ±0.01ppma/cm 이내로 나타나는 반면, 상기의 범위를 벗어나도록 제어하면, 단결정 잉곳의 길이별 Oi 변화율이 더 크게 나타난다.
특히, MGP의 상승율을 5 mm/hr 로 제어하면, 단결정 잉곳의 길이별 Oi 변화율이 0으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 +MGP에서 MGP 상승율을 3.5 ~ 6.5 mm/hr 범위로 제어하면, 단결정 잉곳의 길이방향으로 Oi 농도를 일정하게 제어할 수 있어 원하는 품질의 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 생산할 수 있다.
도 6은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳의 길이별 구간에 따라 인상속도(P/S) 산포가 도시된 그래프이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 230mm 낮은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 종래의 비교예(-MGP)를 살펴보면, P/S 변동이 상대적으로 크게 나타나는 반면, MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 실시예(+MGP)를 살펴보면, P/S 변동이 상대적으로 작게 나타난다.
상세하게, 단결정 잉곳의 길이방향으로 400~1000mm 구간에서 P/S 산포(Stdev)를 살펴보면, 종래의 비교예는 0.03447로 나타나는 반면, 본 발명의 실시예는 0.00727로 나타나며, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예 대비 5배의 P/S 산포를 개선한 것으로 볼 수 있다.
또한, 단결정 잉곳의 길이 방향으로 1000~1600mm 구간에서 P/S 산포(Stdev)를 살펴보면, 종래의 비교예는 0.01639로 나타나는 반면, 본 발명의 실시예는 0.0043으로 나타나며, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예 대비 4배의 P/S 산포를 개선한 것으로 볼 수 있다.
또한, 단결정 잉곳의 길이 방향으로 1600~2200mm 구간에서 P/S 산포(Stdev)를 살펴보면, 종래의 비교예는 0.0816으로 나타나는 반면, 본 발명의 실시예는 0.0039로 나타나며, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예 대비 2배의 P/S 산포를 개선한 것으로 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예보다 단결정 잉곳의 길이방향으로 P/S 산포를 개선하게 되는데, 이는 고액 계면 근처에 직접적인 멜트 유입을 억제하여 메니스커스에 온도 간섭을 감소시킴으로 안정적으로 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.
도 7은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳과 실리콘 융액 계면의 형상이 도시된 도면이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 230mm 낮은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 종래의 비교예(-MGP)를 살펴보면, 고액 계면의 중심부가 외주부보다 20mm 높게 나타나는 반면, MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 실시예(+MGP)를 살펴보면, 고액 계면의 중심부가 외주부보다 10mm 높게 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예보다 단결정 잉곳의 길이방향으로 P/S 산포가 개선됨에 따라 고액 계면에서 온도 변동이 저감되고, 고액 계면이 평탄해짐에 따라 잉곳의 반경방향에서 Oi 산포가 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 8은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳을 반경방향으로 절단한 면내에서 Oi 농도 산포 및 ΔOi 농도 산포가 도시된 그래프이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 230mm 낮은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 종래의 비교예(-MGP)를 살펴보면, 단결정 잉곳의 면내에서 Oi 농도 산포(Oi Stdev)가 0.126으로 나타나고, 단결정 잉곳의 면내 인접 부분에서 Oi 농도 산포(ΔOi Ave)가 0.07로 나타난다.
반면, MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 실시예(+MGP)를 살펴보면, 단결정 잉곳의 면내에서 Oi 농도 산포(Oi Stdev)가 0.035로 나타나고, 단결정 잉곳의 면내 인접 부분에서 Oi 농도 산포(ΔOi Ave)가 0.03으로 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 종래의 비교예보다 단결정 잉곳의 면내에서 Oi 산포가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 종래의 비교예와 본 발명의 실시예에 따라 단결정 잉곳을 반경방향으로 절단한 면내에서 BMD가 도시된 그래프이다.
MGP가 실리콘 융액 계면보다 230mm 낮은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 종래의 비교예(-MGP)를 살펴보면, 단결정 잉곳의 길이방향으로 400mm, 1000mm, 1600mm, 2200mm 에서 단결정 잉곳의 면내의 BMD 범위가 2.3E+09 ~ 9.8E+09, 2.3E+09 ~ 1.0E+09, 5.0E+09 ~ 3.7E+09, 5.8E+09 ~ 2.2E+09로 나타난다.
반면, MGP가 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 본 발명의 실시예(+MGP)를 살펴보면, 단결정 잉곳의 길이방향으로 400mm, 1000mm, 1600mm, 2200mm 지점에서 단결정 잉곳의 면내의 BMD 범위가 E+09 ~ 3.37E+09, 4.60E+09 ~ 2.69E+09, 4.76E+09 ~ 3.04E+09, 3.47E+09 ~ 2.90E+09로 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 Log BMD 산포(Log BMD stdev)가 0.063 이하산출되며, 종래의 비교예보다 단결정 잉곳의 면내에서 BMD 산포가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 11은 실리콘 융액의 고화율 별로 MGP 상승율 적용 유무의 ΔOi가 도시된 표이다.
비교예는 MGP를 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 고정된 위치를 유지하는 상태에서 단결정 잉곳의 Oi 농도를 구하는 반면, 실시예는 MGP를 실리콘 융액 계면보다 150mm 높은 위치에서 소정의 상승율로 상승하는 상태에서 단결정 잉곳의 Oi 농도를 구한 것이다.
실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장할수록 고화율이 높아지는 동시에 실리콘 융액의 양이 줄어들게 되는데, 고화율이 40% 이하인 경우에 실시예와 비교예에서 ΔOi 농도가 크게 나타나는 반면, 고화율이 40% 초과한 경우에 실시예와 비교예에서 ΔOi 농도가 작게 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 MGP가 실리콘 융액 계면보다 높은 +MGP로 위치하는 동시에 소정의 MGP 상승율을 유지하더라도 고화율이 40% 이하인 경우에 Oi 농도를 개선하는 효과가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 단결정 잉곳의 바디가 성장할수록 Oi 산포가 감소되는데, 본 발명에 실시예에 따라 Oi 산포를 개선하는 효과를 극대화시키기 위하여 단결정 잉곳의 바디가 성장되는 초반 즉, 고화율 40% 이하에서 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 단결정 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 있어서, 단결정 잉곳의 길이방향 및 반경방향으로 Oi 산포 및 BMD 산포를 줄일 수 있어 단결정 잉곳 또는 웨이퍼의 품질을 보다 향상시키는데 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 단결정 잉곳이 성장하는 실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니 둘레에 구비되고, 수평 방향으로 자기장을 형성시키는 수평 마그넷; 및
    상기 수평 마그넷을 수직 방향으로 이동시키는 마그넷 이동수단;을 포함하고,
    상기 마그넷 이동수단은,
    상기 수평 마그넷의 최대자기장위치(Maximum gauss position : MGP)를 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 고액 계면보다 높게 위치시키고,
    상기 MGP의 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어하는 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷 이동수단은,
    상기 MGP가 상기 도가니의 실리콘 융액 계면보다 150mm 이상에 위치하도록 상기 수평 마그넷의 이동을 제어하는 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷 이동수단은,
    상기 단결정 잉곳의 수평 단면 내에 Oi 산포(stdev)를 0.04ppma 이하로 유지하기 위하여 상기 수평 마그넷의 이동을 제어하는 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷 이동수단은,
    상기 단결정 잉곳의 수평 단면 내에 BMD 산포(Log BMD의 stdev)를 0.063ea/cm3 이하로 유지하기 위하여 상기 수평 마그넷의 이동을 제어하는 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그넷 이동수단은,
    상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 고화율 40% 이하에서 상기 수평 마그넷의 이동을 제어하는 단결정 잉곳 성장장치.
  6. 단결정 잉곳을 실리콘 융액 계면으로부터 성장시키는 제1단계;
    상기 제1단계에서 단결정 잉곳이 성장되는 실리콘 융액에 수평 방향으로 자기장을 형성시키는 제2단계; 및
    상기 제2단계에서 형성된 자기장의 최대자기장위치(Maximum gauss position : MGP)를 상기 실리콘 융액 계면보다 높게 위치시키고, 상기 MGP의 상승율을 3.5mm/hr ~ 6.5mm/hr로 제어하는 제3단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 실리콘 융액의 고액 계면보다 150mm 이상에 위치하도록 상기 MGP를 제어하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 단결정 잉곳의 수평 단면 내에 Oi 산포(stdev)를 0.04ppma 이하로 유지하기 위하여 상기 MGP를 제어하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 단결정 잉곳의 수평 단면 내에 BMD 산포(Log BMD의 stdev)를 0.063ea/cm3 이하로 유지하기 위하여 상기 MGP를 제어하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 실리콘 융액의 고화율 40% 이하에서 상기 MGP를 제어하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
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