KR101213626B1 - 단결정의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 쵸크랄스키 법에 의해 챔버내에서 단결정을 원료융액에서 인상하여 제조하는 방법에 있어서, 지름 방향으로 링상으로 발생하는 OSF 영역의 외측이고, 또한 격자간형 및 공공형의 결함이 존재하지 않는 무결함 영역의 단결정을 인상함과 동시에, 상기 단결정 인상은, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.96℃/min 이상인 범위, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.88℃/min 이상인 범위, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.71℃/min 이상인 범위, 가 되도록 제어하여 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법을 제공한다. 이에 의해, 무결함 영역의 단결정을 인상할 때의 제조 마진을 큰 폭으로 확대할 수 있고, 따라서, 무결함 영역 결정의 제조 수율, 생산성을 큰 폭으로 향상할 수 있는 단결정 제조 방법을 제공할 수 있다.

단결정, 결함, 냉각속도, 성장속도, 마진

Description

단결정의 제조방법{Process for Producing Single Crystal}

본 발명은 메모리나 CPU등 반도체 디바이스 기판으로 이용되는 웨이퍼 등을 절출하기 위한 단결정을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히, 최선단 분야에서 이용되고 있는 무결함 영역의 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

메모리나 CPU등 반도체 디바이스 기판으로 이용되는 웨이퍼 등을 절출하기 위한 단결정으로는, 예를 들어 실리콘 단결정을 들 수 있고, 주로 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하 CZ법으로 약칭한다)에 의해 제조되고 있다.

CZ법에 의해 단결정을 제조할 때에는, 예를 들어 도5에 나타낸 것과 같은 단결정 제조 장치(1)를 이용하여 제조된다.

단결정 제조 장치(1)는, 예를 들어 실리콘과 같은 다결정을 수용하여 용융하기 위한 부재나, 열을 차단하기 위한 단열부재 등을 갖고 있으며, 이들은, 메인 챔버(2) 내에 수용되어 있다. 메인 챔버(2)의 천정부에서는 위로 신장되는 인상 챔버(3)가 연접되어 있고, 이 상부에 단결정(4)을 와이어(5)로 인상하는 기구(미도시)가 설치되어 있다.

메인 챔버(2) 내에는, 용융된 원료융액(6)을 수용하는 석영 도가니(7)와 이 석영 도가니(7)를 지지하는 흑연 도가니(8)가 설치되고, 이들 도가니(7)(8)는 구동 기구(미도시)에 의해 회전승강자재로 샤프트(9)로 지지되어 있다. 이 도가니(7)(8)의 구동기구는, 단결정(4)의 인상에 따른 원료융액(6)의 액면저하를 보상하기 위해, 도가니(7)(8)를 액면저하분만큼 상승시키도록 하고 있다.

그리고, 도가니(7)(8)을 둘러 싸도록, 원료를 용융시키기 위한 흑연 히터(10)가 배치되어 있다. 이 흑연 히터(10)의 외측에는, 흑연 히터(10)에서의 열이 메인 챔버(2)로 직접 복사되는 것을 방지하기 위해, 단열 부재(11)가 그 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다.

또한, 메인 챔버(2) 내부에는, 인상 챔버(3)의 상부에 설치된 가스 도입구(14)로부터 아르곤 가스 등의 불활성 가스가 도입된다. 도입된 불활성 가스는, 인상 중의 단결정(4)과 가스 정류통(12) 사이를 통과하고, 가스 정류통(12)의 하단과 원료융액(6)의 액면 사이를 통과하며, 가스 유출구(15)로 배출된다.

또한, 가스 정류통(12)의 외측 하단에는 원료융액(6)과 대향하도록 차열부재(13)가 설치되고, 원료융액(6)의 표면으로부터의 복사를 차단함과 동시에 원료융액(6)의 표면을 보온하도록 하고 있다.

이상과 같은 단결정 제조 장치(1) 내에 배치된 석영 도가니(7)에 원료 다결정을 수용하고, 흑연 히터(10)에 의해 가열하고, 석영 도가니(7) 내의 다결정 원료를 용융시킨다. 이와 같이 다결정 원료를 용융시킨 것인 원료융액(6)에, 와이어(5)의 하단에 접속하고 있는 종홀더(16)로 고정된 종결정(17)을 착액시키고, 그 후, 종결정(17)을 회전시키면서 인상하는 것에 의해, 종결정(17)의 하방에 원하는 직경과 품질을 가진 단결정(4)을 육성한다. 이 때, 종결정(17)을 원료융액(6)에 착액시 킨 후에, 직경 3mm 정도로 일단 얇게 하여 목부를 형성하는 이른바 넥킹(種絞, necking)을 행하고, 이어서, 원하는 구경이 될 때까지 크게 하여, 무전위의 결정을 인상하고 있다.

통상, 이와 같이 인상된 실리콘 단결정에는, 공공형(Vacancy)과 격자간형(Interstitial)의 진성 점결함이 있다. 이 진성 점결함의 포화 농도는 온도 함수이고, 결정 육성 중의 온도 저하에 따라, 과포화 상태가 된다. 이 과포화 상태에서는 대소멸이나 외방확산 ?경사확산 등이 일어나고, 과포화 상태를 완화하는 방향으로 진행한다. 그 결과, 공공형이나 격자간형 중 어느 한 쪽이 우수한 과포화 점결함으로 남는다.

그리고, 결정 성장 속도가 빠르면 공공형이 과잉 상태가 되기 쉽고, 반대로 결정 성장 속도가 느리면 격자간형이 과잉 상태가 되기 쉬운 것으로 알려져 있다. 이 과잉 농도가 어느 임계 이상이 되면, 이들이 응집하고, 결정 성장 중에 2차 결함을 형성한다.

그리고, 결정축 방향으로 성장 속도(V)를 고속에서 저속으로 변화시킨 경우, 도6에 나타낸 것과 같은 결함 분포도가 얻어지는 것이 알려져 있다.

성장 속도가 비교적 고속인 경우에는, 단결정 중에서 공공형이 우세하게 된다. 이 경우, 2차 결함으로는 COP(Crystal Originated Particle)이나 FPD(Flow Pattern Defect)등으로 관찰되는 보이드(Void)결함이 형성된다. 그리고, 이 결함이 분포하는 영역을 V영역이라고 한다. 또한, 이 V영역의 경계 주변에는, 산화 처리 후에 OSF(산화유기적층결함, Oxidation Induced Stacking Fault)로 관찰되는 결함 이 분포하는 것이 알려져 있다. 그리고, 이 결함이 분포하는 영역을 OSF영역이라 한다. 이들 2차결함은, 산화막 특성을 열화시키는 원인이 된다.

한편, 성장 속도가 비교적 저속인 경우에는, 단결정 중에 격자간형이 우세하게 된다. 이 경우, 전위루프 기인의 LSEPD(Large Secco Etch Pit Defect), LFPD(Large Flow Pattern Defect)등으로 관찰되는 2차 결함이 형성된다. 그리고, 이 결함이 존재하는 영역을 I영역이라 한다. 이 2차 결함은, 리크 등의 중대한 불량을 일으키는 원인이 된다.

근래, V영역과 I영역의 중간이고 OSF영역의 외측에, 공공 기인의 FPD, COP등도, 격자간 실리콘이 집합한 전위루프 기인의 LSEPD, LFPD등도 존재하지 않는 영역의 존재가 확인되고 있다. 이 영역은 N영역(무결함영역)으로 불린다. 또한, 이 N영역을 더욱 분류하면, OSF영역의 외측에 인접하는 Nv영역(공공이 많은 영역)과 I영역에 인접하는 Ni영역(격자간 실리콘이 많은 영역)이 있고, Nv영역에서는, 열처리를 했을 때에 산소 석출량이 많고, Ni영역에서는 산소 석출량이 거의 없는 것이 알려져 있다.

이들 결함은, 성장 속도(V)와 성장 계면 근방에서의 온도 구배(G)의 비인 V/G값이라는 파라메터에 의해, 그 도입량이 결정되는 것으로 생각되고 있다(예를 들어, V.V.Voronkov, Journal of Crystal Growth, 59(1982), 625~643참조.). 즉, V/G값이 소정 범위가 되도록, 성장 속도(V)와 온도 구배(G)를 조절하면, 원하는 결함 영역으로 단결정을 인상할 수 있다.

그리고, 성장 속도(V)와 성장 계면 근방에서의 온도 구배(G)를 조절하여 N영 역이 되도록 인상한 결정이, 무결함 결정으로 불리는 결정이다. 단결정 중의 과잉 점결함 농도를 무제한으로 낮게 한 무결함 결정을 인상하기 위해서는, 성장 속도(V)와 성장 계면 근방에서의 온도 구배(G)로 나타내는 V/G값이 매우 한정된 범위가 되도록, 성장 속도(V)와 온도 구배(G)를 조절할 필요가 있었다(예를 들어, 일본 특개평 8-330316호 공보, 일본 특개평 11-79889호 공보 참조.). 그러나, 매우 좁은 범위로 성장 속도(V) 등을 조절하여 단결정을 인상하는 것은 매우 곤란하다. 이 때문에, 무결함 결정을 인상하는 경우, 실제로는 불량품 등이 다발하고, 수율, 생산성을 크게 저하시킨다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, N영역이 되는 V/G값의 범위를 큰폭 그리고 보다 확실히 확대할 수 있고, 즉, 무결함 영역의 단결정을 인상할 때의 제조마진을 큰폭으로 확대할 수 있고, 이에 의해, 무결함 영역 결정의 제조 수율, 생산성을 큰폭으로 향상시킬 수 있는 단결정 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 쵸크랄스키 법에 의해 챔버 내에서 단결정을 원료 융액으로부터 인상하여 제조하는 방법에 있어서, 지름 방향으로 링상으로 발생하는 OSF영역의 외측이고, 또한 격자간형 및 공공형의 결함이 존재하지 않는 무결함 영역의 단결정을 인상함과 동시에, 상기 단결정 인상은, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.96℃/min 이상인 범위, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.88℃/min 이상인 범위, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.71℃/min 이상인 범위가 되도록 제어하여 행하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법이 제공된다.

이와 같이, 단결정을 인상할 때에, 융점에서 950℃까지의 온도대, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도가, 상기 범위가 되도록 제어하여 급냉하는 것으로, V영역과 I영역의 중간이고, OSF링의 외측에 존재하는 N영역이 되는 V/G값의 범위를 큰폭으로 또한 보다 확실하게 확대할 수 있다. 이와 같이 무결함 영역의 단결정을 제조하는 경우의 제조 마진이 큰폭으로 확대되므로, 무결함 결정의 제조가 비교적 용이해지고, 무결함 영역 단결정의 수율, 생산성이 큰폭으로 향상한다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

이 경우, 상기 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 7% 이상의 범위인 것으로 할 수 있다.

본 발명의 단결정 제조 방법에서는, 점결함이 응집하는 온도대를 통과할 때의 냉각 속도를 상기와 같이 고속으로 하고 있으므로, 점결함이 응집하기 어려워지고, 그 결과, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진이 7% 이상으로 매우 큰 범위가 된다. 이와 같이 성장속도 마진이 크면, 무결함 영역의 단결정을 인상할 때의 성장속도 제어는 비교적 용이하다. 따라서, 보다 확실히 무결함 영역의 단결정을 인상할 수 있게 되고, 무결함 영역의 단결정 수율, 생산성이 큰 폭으로 향상된다.

이 경우, 상기 단결정을 인상하기 위한 온도대의 제어는, 챔버 내에, 적어도, 냉각 매체로 강제 냉각되는 냉각통과, 냉각 보조부재를 배치하는 것에 의해 행할 수 있다.

점결함이 응집하는 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 제어는, 단결정 제조 장치 내에, 예를 들어, 냉각 매체로 강제 냉각되는 냉각통과, 냉각 보조부재를 배치하는 것에 의해 행할 수 있다. 또한, 냉각 보조부재로는, 예를 들어, 냉각통에서 하방으로 연장되도록 배치되는 부재이고, 원통상, 또는 하방을 향해 축경(縮徑)된 형상인 것을 들 수 있다.

이 경우, 상기 제조하는 단결정을, 실리콘 단결정으로 할 수 있다.

본 발명의 단결정 제조 방법은, 무결함 영역의 단결정 제조 수율, 생산성의 향상이 근래 크게 요구되고 있는 실리콘 단결정을 제조하는데 유효하다.

이 경우, 상기 단결정의 직동부 직경을, 150mm 이상으로 할 수 있다.

본 발명의 단결정 제조 방법은, 2차 결함이 발생하기 쉽고, 따라서, 보다 확실한 무결함 결정의 제조 방법이 절실히 요구되고 있는, 직동부의 직경이 150mm 이상인 대구경의 단결정을 제조하는데 특히 유효하다.

이 경우, 상기 단결정의 인상은, 중심 자장 강도가 300가우스 이상 6000가우스 이하인 범위의 자장을 인가하면서 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 단결정의 인상 시에 자장을 인가하는 것으로, 무결함 영역의 단결정을 육성하기 위한 양호한 결정 성장 계면 형상을 달성할 수 있다. 따라서, 무결함 결정의 제조에서, 보다 높은 제조 수율, 보다 높은 생산성을 달성할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의하면, 이상과 같은 단결정 제조 방법에 의해 제조된 단결정이 제공된다.

본 발명의 단결정 제조 방법에 의해 제조된 단결정은, 불량품이 적고, 매우 고품질의 무결함 결정이다. 또한, 본 발명의 단결정은, 고수율, 고생산성으로 제조된 것이므로, 종래품과 비교하여 비교적 저가이다.

이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명자들은, N영역이 되는 V/G값의 범위, 즉 무결함 결정의 제조 마진을 확대하는 방법에 대해 연구를 반복하였다.

무결함 결정의 제조 마진에 대해, 도1을 참조하여 설명한다. 도1중, V/G=Constant의 상태에서는, 우세한 점결함이 공공형도 격자간형도 아닌 양자가 길항(拮抗)한 상태이다. 이 상태에서는, 물론 2차 결함의 발생은 없고, 무결함 상태를 달성할 수 있다. 이에 더하여, 과잉 점결함이 어느 농도 이하이면, 이들이 응집하여 2차 결함으로 검출될 정도로 커지는 일은 없고, 사실상 이 부분도 무결함 영역(N영역)이 된다. 이 부분까지 포함한 V/G값의 범위가, 이른바 무결함 영역의 제조 마진이 된다.

한편, 과잉 점결함이 2차 결함으로 검출될 정도로 커지지 않기 위한 농도는, 점결함이 응집하는 온도대의 열상황에 크게 영향을 받는다. 즉, 이 온도대의 통과 시간이 극단적으로 짧으면, 아무리 과잉 결함이 있다고 해도 이들이 응집하여 2차 결함으로 검출될 정도로 커지는 일은 없는 것으로 생각된다. 따라서, 이 온도대의 통과시간이 짧으면 짧을수록, 제조 마진이 커진다.

여기서, 일본 특개 2002-226296호 공보에는, 예를 들어 1080℃에서 1150℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 1℃/min 이상이 되도록 제어하고, 무결함 결정의 성장속도 마진을 넓히는 방법에 대해 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은, 무결함 결정의 성장속도 마진을 넓히기 위한 확실성의 점에서, 아직 개량의 여지가 있었다.

이러한 점에서, 본 발명자들은, 단결정을 인상할 때에, 과잉된 진성 점결함의 응집하는 온도대에 대해서 보다 상세하게 검토를 반복하였다. 그리고 검토 결과, 특히, 단결정을 인상할 때에, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때에, 인상 단결정을 급냉하는 것으로, 점결함의 응집을 방지하고, 이 점결함의 응집체인 2차 결함이 검출되지 않는 무결함 영역의 제조 마진을 큰폭으로 또한 보다 확실하게 확대할 수 있는 것을 생각해내고, 본 발명을 완성시켰다.

이하, 단결정을 인상할 때에, 각 온도대를 급냉하도록 제어할 수 있는 단결정 제조 장치에 대해, 도2를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 이 장치에 한정되는 것은 아니다.

도2에 나타내는 단결정 제조 장치(21)는, 냉각통(22), 냉각매체 도입구(23), 냉각 보조부재(24), 보호부재(25)를 구비하지만, 이외의 부재에 대해서는, 상술한 도5에 나타낸 단결정 제조 장치(1)와 동일하다.

단결정 장치(21)에는, 냉각통(22)이 구비되고, 이 냉각통(22)은, 인상중의 단결정(4)을 둘러싸도록 메인 챔버(2)의 천정부에서 원료융액(6)의 표면을 향해 연장하고 있다. 냉각통(22) 내에는, 냉각매체 도입구(23)에서 냉각매체가 도입되고, 이 냉각매체는, 냉각통(22) 내를 순환하여 냉각통(22)을 강제 냉각한 후, 외부로 배출된다.

또한, 냉각통(22) 내에 흐르는 냉각매체의 유량이나 온도를 필요에 따라 조절하면, 냉각통(22)의 제거열량을 변화시킬 수 있다. 이에 의해, 원하는 냉각 분위기를 만들 수 있고, 따라서, 단결정 인상 시에는, 각 온도대를 원하는 냉각 속도로 급냉하도록 제어할 수 있게 된다.

또한, 냉각통(22)의 하단부에서 원료융액의 표면 근방으로 연장되는 원통상의 냉각 보조부재(24)가 설치되어 있다. 냉각 보조부재(24)는, 인상된 직후의 고온의 단결정(4) 주위를 둘러싸고 있고, 흑연히터(10) 또는 원료융액(6) 등으로부터의 복사열을 차단하여 단결정(4)을 냉각하는 효과를 갖는다. 또한, 냉각 보조부재의 형상은, 원통상에 한정되지 않으며, 이외에는, 예를 들어 하방을 향해 축경된 형상의 것을 들 수 있다.

이 냉각 보조부재의 배치 위치, 형상 등을 변경하는 것에 의해서도, 단결정 인상 시에, 각 온도대를 원하는 냉각 속도로 급냉하도록 제어할 수 있다.

그리고, 냉각통(22)의 외측에는, 보호부재(25)가 설치되어 있다. 보호부재(25)는, 메인 챔버(2)의 천정부에서 연장되고, 메인 챔버(2) 내의 냉각통(22)의 하단면을 포함하는 외주면을 뒤덮도록 하여 배치되어 있다. 보호부재(25)를 설치하는 것으로, 원료 다결정의 용융시 등에 비산(飛散)할 우려가 있는 원료 융액이 냉각통(22)에 부착하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 흑연히터(10)등으로부터의 복사열이, 직접 냉각통(22)에 닿는 것을 방지할 수 있으므로, 냉각통(22)의 제열 효과도 향상된다.

그리고, 본 발명은, 이상과 같은 단결정 제조 장치를 이용하여, 이하와 같이 단결정을 제조하는 단결정 제조 방법을 제공한다.

즉, 본 발명의 단결정 제조 방법은, 쵸크랄스키 법에 의해 챔버 내에서 단결정을 원료 융액에서 인상하여 제조하는 방법에 있어서, 지름 방향으로 링상으로 발생하는 OSF영역의 외측에서, 또한 격자간형 및 공공형 결함이 존재하지 않는 무결함 영역의 단결정을 인상함과 동시에, 상기 단결정의 인상은, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.96℃/min 이상의 범위, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균 값이, 0.88℃/min 이상의 범위, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.71℃/min 이상의 범위, 가 되도록 제어하여 행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 각 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값을, 10℃/min 이하의 범위로 하는 것이 바람직하고, 이 범위내이면, 직동부의 직경이 150mm 이상인 대구경의 결정을 제조하는 경우에도, N영역이 전면으로 퍼진 고품질의 무결함 결정을 안정적으로 제조할 수 있다.

여기서, 점결함의 응집 온도대로는, 공공형의 결함이, 2차 결함인 보이드 결함을 형성하는 온도대는, 1150℃에서 1080℃ 정도로 알려져 있으며, OSF가 형성되는 온도대는 1000℃ 부근으로 알려져 있다. 한편으로, 격자간형의 결함이 응집하는 온도대는 확실히는 알 수 없으나, 전위 클러스터가 발생하는 점에서, 비교적 고온일 것으로 생각된다. 본 발명자들은, 이러한 점을 고려하면서, 검토를 반복한 결과, 본 발명의 단결정 제조 방법에서는, 단결정 융점 근방의 온도에서 1000℃를 밑도는 정도의 온도까지의 온도대, 구체적으로는, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대, 1050℃에서 950℃까지의 각 온도대를 각각 통과할 때에, 인상 단결정을 상기와 같이 급냉하도록 하였다.

이와 같이 냉각 속도를 제어하는 것으로, V영역과 I영역의 중간에서 OSF링의 외측에 존재하는 N영역이 되는 V/G값의 범위를 큰폭으로 또한 확실하게 확대할 수 있다. 이와 같이 무결함 영역의 단결정 제조 마진이 대폭으로 확대하므로, 무결함 결정의 제조가 비교적 용이해지고, 무결함 영역 단결정의 수율, 생산성이 큰폭으로 향상한다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

무결함 결정의 제조 마진은, 도1에 나타낸 그래프에서 추정되는 것과 같이, 성장 계면 근방에서의 온도 구배(G)와, 성장 속도(V)가 큰 경우에도 확대할 것으로 추정된다. 따라서, 예를 들어, 무결함 결정의 제조 마진을 성장속도(V)의 관점에서 본 성장속도 마진은, 성장속도로 규격화한 값을 보고 판단하는 것으로, 비교가 용이해진다. 상기 본 발명의 단결정 제조 방법에 의하면, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 7% 이상인 범위로 매우 큰 범위로 할 수 있다. 이와 같이 성장속도 마진이 크면, 무결함 영역의 단결정을 인상할 때의 성장속도 제어는 비교적 용이하다. 따라서, 보다 확실히 무결함 영역의 단결정을 인상할 수 있게 되고, 무결함 영역 단결정의 수율, 생산성이 큰 폭으로 향상한다.

이와 같은 본 발명의 단결정 제조 방법은, 무결함 영역 단결정의 제조 수율, 생산성의 향상이 근래 절실히 요구되고 있는 실리콘 단결정을 제조하는데 유효하다. 또한, 2차 결함이 발생하기 쉽고, 따라서, 보다 확실한 무결함 결정의 제조 방법이 절실히 요구되고 있는, 직동부의 직경이 150mm 이상인 범위와 대구경의 단결정을 제조하는데 특히 유효하다.

그리고, 본 발명의 단결정 제조 방법에서는, 중심자장 강도 300가우스 이상 6000가우스 이하인 범위의 자장을 인가하면서 무결함 결정을 육성하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 단결정 육성 중에, 자장을 인가하는 것으로, 무결함 영역의 단결정을 육성하기 위한 양호한 결정 성장 계면 형상을 달성할 수 있다. 따라서, 무결함 결정의 제조에 있어서, 보다 높은 제조 수율, 보다 높은 생산성을 달성할 수 있다.

그리고, 이상과 같은 본 발명의 단결정 제조 방법에 의해 제조된 단결정은, 불량품이 적고, 매우 고품질의 무결함 결정이다. 또한, 본 발명의 제조 방법에는, 이와 같은 단결정을, 고수율, 고생산성으로 제조할 수 있으므로, 고품질의 무결함 결정을 종래품과 비교하여 비교적 저가로 제공할 수 있다.

[도 1] 무결함 결정의 제조 마진을 나타내는 그래프이다.

[도 2] 본 발명에서 이용되는 단결정 제조 장치의 일례를 나타내는 개략단면도이다.

[도 3] 실시예1과 비교예1에서의, 인상 단결정의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

[도 4] 각 온도대에서의, (성장속도 마진/평균 성장속도)×100(%)와 통과시간(min)의 관계를 나타내는 그래프이다.

[도 5] 종래 이용되고 있는 단결정 제조 장치의 일례를 나타내는 개략단면도이다.

[도 6] 결정 결함 영역의 분포를 나타내는 개략단면도이다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

냉각통(22)을 구비한 도2의 단결정 제조 장치(21)에, 직경 24인치(약 600mm)의 석영도가니(7)를 장비하고, 이어서, 석영도가니(7)에 원료다결정 실리콘을 150kg 충진하여 용융하여, 원료융액(6)으로 하였다. 그리고, 쵸크랄스키 법(CZ법)에 의해, 직동부의 직경이 8인치(약 200mm), 직동부의 길이가 약130cm인 실리콘 단결정(4)을, 성장 속도를 서서히 저하시키면서 육성하였다.

또한, 실리콘 단결정(4)의 육성시에는, 중심자장 강도 4000G의 수평자장을 인가하였다. 또한, 성장계면 근방에서의 온도구배(G)를 어느정도 일정하게 유지하도록, 원료융액(6)의 표면과 차열부재(13)의 간격을 60mm로 하였다.

그리고, 냉각통(22) 내에 흐르는 냉각매체의 유량 및 온도를 조절하여, 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.31℃/min, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.35℃/min, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.21℃/min, 가 되도록 제어하였다. 그리고, 이 때의 인상 단결정의 온도 분포를 도3에 나타냈다. 이 도3에서도, 실시예1에서 이용한 단결정 제조 장치는, 냉각 속도가 매우 빠른 것을 알 수 있다.

다음으로 상기와 같이 하여 육성한 단결정을 세로로 잘라 샘플을 제작하고, 이하에 나타내는 것과 같은 결정결함 분포 조사를 행하였다.

(1) FPD(V영역) 및 LSEPD(I영역)의 검사

검사용 샘플에 30분간 세코에칭을 무교반으로 실시한 후, 샘플을 현미경으로 관찰하는 것에 의해 결정 결함의 유무를 확인하였다.

(2) OSF의 검사

검사용 샘플에 습식산소 분위기하, 1150℃에서 100분간 열처리를 행한 후, 샘플을 현미경으로 관찰하는 것에 의해 OSF의 유무를 확인하였다.

이상과 같은 검사 결과에서, 무결함 영역의 성장 속도 마진을 구하였다. 그 결과, 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 10.7%이고, 큰 폭으로, 무결함 영역의 단결정 제조 마진을 확대할 수 있었던 것을 알았다.

다음으로, 도2의 단결정 제조 장치를 이용해, 상기에서 얻어진 성장속도 마 진의 범위 내에서 무결함 영역의 단결정을 육성하였다. 그 결과, 직동부의 전장에 걸쳐 2차 결함이 발생하지 않은 무결함 결정을 육성할 수 있었다.

[실시예2]

냉각통(22)을 구비한 도2의 단결정 제조 장치(21)에, 직경 18인치(약 450mm)의 석영도가니(7)를 장비하고, 이어서, 석영도가니(7)에 원료다결정 실리콘을 70kg 충진하고 용융하여, 원료융액(6)으로 하였다. 그리고, 쵸크랄스키 법(CZ법)에 의해, 직동부의 직경이 6인치(약 150mm), 직동부의 길이가 약100cm인 실리콘 단결정(4)을, 성장 속도를 서서히 저하시키면서 육성하였다.

또한, 실리콘 단결정(4)의 육성시에는, 중심자장 강도 3000G의 수평자장을 인가하였다. 또한, 성장계면 근방에서의 온도구배(G)를 어느정도 일정하게 유지하도록, 원료융액(6)의 표면과 차열부재(13)의 간격을 50mm로 하였다.

그리고, 냉각통(22) 내에 흐르는 냉각매체의 유량 및 온도를 조절하여, 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.64℃/min, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.56℃/min, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약1.56℃/min, 가 되도록 제어하였다.

다음으로 상기와 같이 하여 육성한 단결정을 세로로 잘라 샘플을 제작하고, 실시예1과 같은 방법에 의해 결정결함 분포 조사를 행하였다.

그 결과, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하 한)/2)의 13.2%이고, 큰 폭으로, 무결함 영역의 단결정 제조 마진을 확대할 수 있는 것을 알았다.

다음으로, 도2의 단결정 제조 장치를 이용해, 상기에서 얻어진 성장속도 마진의 범위 내에서 무결함 영역의 단결정을 육성하였다. 그 결과, 직동부의 전장에 걸쳐 2차 결함이 발생하지 않은 무결함 결정을 육성할 수 있었다.

[비교예1]

도5의 냉각통을 구비하지 않은 단결정 제조 장치(1)를 이용하여, 실시예1과 동일하게 성장속도를 변화시키면서 실리콘 단결정을 육성하였다.

단, 이 단결정 제조 장치(1)는 냉각통을 구비하고 있지 않으므로, 냉각 속도를 제어할 수 없다. 이 때문에, 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.64℃/min, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.58℃/min, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.43℃/min가 되었다. 그리고, 이 때의 인상 단결정의 온도 분포를 도3에 나타냈다. 이 도3에서도, 비교예1에서 이용한 단결정 제조 장치에서는, 실시예1에서 이용한 단결정 제조 장치와 비교하여, 냉각 속도가 매우 느린것을 알 수 있다. 다음으로 상기와 같이 하여 육성한 단결정을 세로로 잘라 샘플을 제작하고, 실시예1과 동일한 방법에 의해 결정 결함 분포의 조사를 행하였다.

그 결과, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 4.2%이고, 매우, 무결함 영역의 단결정 제조 마진이 적었다.

다음으로, 도5의 단결정 제조 장치를 이용하여, 상기에서 얻어진 성장속도 마진 범위내에서 무결함 영역의 단결정을 육성하였다. 그러나, 성장속도 마진이 매우 좁기 때문에, 성장속도 제어가 곤란하고, 일부에서 2차 결함이 발생하여, 직동부의 전장에 걸쳐 2차 결함이 발생하지 않는 무결함 결정을 육성할 수 없었다.

[비교예2]

도5의 단결정 제조 장치(1)를 이용하여, 실시예2와 마찬가지로 성장속도를 변화시키면서 실리콘 단결정을 육성하였다.

단, 이 단결정 제조 장치(1)는 냉각통을 구비하고 있지 않으므로, 냉각 속도를 조정할 수 없다. 이 때문에, 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.84℃/min, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.72℃/min, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이 약0.59℃/min이었다.

다음으로 상기와 같이 하여 육성한 단결정을 세로로 잘라 샘플을 제작하고, 실시예1과 동일한 방법에 의해 결정 결함 분포의 조사를 행하였다.

그 결과, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 이 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 6.1%이고, 무결함 영역의 단결정 제조 마진이 매우 적었다.

다음으로, 도5의 단결정 제조 장치를 이용하여, 상기에서 얻어진 성장속도 마진 범위내에서 무결함 영역의 단결정을 육성하였다. 그러나, 성장속도 마진이 매우 좁기 때문에, 성장속도 제어가 곤란하고, 일부에서 2차 결함이 발생하여, 직동 부의 전장에 걸쳐 2차 결함이 발생하지 않는 무결함 결정을 육성할 수 없었다.

다음으로, 실시예1,2, 비교예1,2의 결과에서, 각 온도대에서의, 통과 시간과(성장속도 마진/평균 성장속도)×100(%)의 관계를 나타내는 그래프를 작성한 것이 도4이다. 도4에서도 알 수 있듯이, 예를 들어, 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)이, 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 7% 이상인 범위가 되도록 하기 위해서는, 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 통과 시간을 480분 이하(냉각 속도의 평균값0.96℃/min 이상), 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 통과 시간을 80분 이하(냉각 속도의 평균값0.88℃/min 이상), 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 통과 시간을 140분 이하(냉각 속도의 평균값0.71℃/min 이상)가 되도록 제어하면 된다.

통상, 성장속도 마진은, 평균 성장속도의 4% 정도, 또는 많아도 6% 이하이고, 이것이 6%를 넘어, 예를 들어 7% 이상이 될 때까지 증가시킬 수 있으면, 전면이 N영역인 무결함 결정을 안정되게 육성할 수 있게 된다. 특히, 10% 이상으로 할 수 있으면, N영역에서 벗어나, 2차 결함이 결정의 일부에 발생하게 되는 일은 거의 없게 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는, 예시이며, 본 발명의 특허청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

이상 설명한 것과 같이, 본 발명에 의하면, 점결함이 응집하는 온도대를 통과할 때의 냉각 속도를 고속으로 하는 것으로, N영역이 되는 V/G값의 범위를 큰폭으로 또한 보다 확실하게 확대할 수 있고, 즉, 무결함 결정의 제조 마진을 큰폭으로 확대할 수 있다. 따라서, 무결함 영역의 단결정 제조 수율, 생산성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

1. 쵸크랄스키 법에 의해 챔버내에서 단결정을 원료융액에서 인상하여 제조하는 방법에 있어서, 지름 방향으로 링상으로 발생하는 OSF 영역의 외측이고, 또한 격자간형 및 공공형의 결함이 존재하지 않는 무결함 영역의 단결정을 인상함과 동시에, 상기 단결정 인상은, 단결정의 융점에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.96℃/min 이상의 범위, 1150℃에서 1080℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.88℃/min 이상의 범위, 1050℃에서 950℃까지의 온도대를 통과할 때의 냉각 속도의 평균값이, 0.71℃/min 이상의 범위가 되도록 제어하여 행하고,

   상기 무결함 영역의 단결정을 인상하기 위한 성장속도 마진(성장속도 상한-성장속도 하한)을, 상기 단결정의 평균 성장속도((성장속도 상한+성장속도 하한)/2)의 7% 이상의 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 단결정을 인상하기 위한 온도대의 제어는, 챔버 내에, 냉각매체로 강제 냉각되는 냉각통과, 냉각 보조부재를 배치하는 것에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 제조하는 단결정을, 실리콘 단결정으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
6. 삭제
7. 제3항에 있어서,

   상기 제조하는 단결정을, 실리콘 단결정으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
8. 삭제
9. 제1항, 제3항, 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 단결정 직동부의 직경을, 150mm 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
10. 제1항, 제3항, 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 단결정의 인상은, 중심 자장 강도가 300가우스 이상 6000가우스 이하인 범위의 자장을 인가하면서 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
11. 제9항에 있어서,

    상기 단결정의 인상은, 중심 자장 강도가 300가우스 이상 6000가우스 이하인 범위의 자장을 인가하면서 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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