KR100868192B1 - 가변 자기장을 이용한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치및 반도체 단결정 잉곳 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 자기장을 이용해 산소 농도를 제어하는 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳을 개시한다.

본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 반도체 단결정 성장시 자기장을 석영 도가니에 인가하되, 석영 도가니 내부 각 지점의 대류형태를 유지한 채로 자기장 세기를 변화시켜 반도체 단결정 내로 유입되는 산소의 농도 또는 무결함 품질을 제어하는 것을 특징으로 한다.

단결정 성장, ZGP, GMP, 산소 농도 제어, 자기장 세기

Description

가변 자기장을 이용한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳{Method of manufacturing semiconductor single crystal using variable magnetic field control, Apparatus using the same and Semiconductor single crystal ingot}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 커스프 타입의 비대칭 자기장을 인가하여 8인치의 실리콘 단결정을 성장시킬 때 비대칭 자기장의 R값이 1.36 및 2.3인 경우 ZGP의 위치를 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 자기장 분포에 대응하는 실리콘 멜트의 대류 분포를 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따라 동일 자기장 비율에서 자기장 세기 변화에 따른 실리콘 멜트의 플로우를 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.

도 5는 단결정 길이별 자기장 변화에 따른 산소 농도 제어 결과를 나타낸 테이블이다.

도 6은 도 5의 실시예 1 및 실시예 2에 대하여 무결정 품질수준 DSOD(Direct Surface Oxide Defect)를 측정할 결과를 나타낸 테이블이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10: 석영 도가니 20: 도가니 지지대

30: 도가니 회전수단 40: 가열수단

50: 단열수단 60: 단결정 인상수단

70: 열실드 수단 100: 보조자석

C: 실리콘 단결정 M: 코일 어셈블리

M1: 상부코일 M2: 하부코일

SM: 실리콘 멜트

본 발명은 쵸크랄스키(Czochralski)법에 의한 반도체 단결정 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 자기장을 이용해 제어하여 고품질의 단결정을 제조하는 방법 및 그 장치와 반도체 단결정 잉곳(ingot)에 관한 것이다.

현재 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 제조시에는 히터에 의해 용융 된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영 도가니가 필수적으로 사용되어 왔다. 그런데 석영 도가니는 실리콘 멜트와의 반응을 동반하여 융액 내에 용해됨으로써 SiOx 형태로 전이되고 결국에는 고액 계면을 통해 단결정 내로 혼입된다. 단결정 내로 혼입된 SiOx는 웨이퍼의 강도 증진, 미소 내부 결함(BMD)을 형성함으로써 반도체 공정 중에 금속 불순물에 대한 게터링(gettering) 사이트로 작용하는가 하면, 다른 한편으로는 각종 결정 결함 및 편석을 유발함으로써 결국에는 반도체 소자의 수율에 악 영향을 미치는 요인이 된다. 따라서 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장 시에는 고액 계면을 통해 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 적절하게 제어할 필요가 있다.

종래에 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어하기 위한 방안으로는 핫 존(H/Z)의 디자인을 개선하는 방법이 주로 이용되어 왔다. 즉, 히터의 길이나, 공급전력, 히터와 석영 도가니 간의 상대적 위치 등을 조절함으로써 석영 도가니의 용해 속도를 제어하는 방법이 사용되었다.

그런데 핫 존의 디자인 변경에 의해 단결정의 산소 농도를 제어하는 방법은 고객이 요구하는 웨이퍼의 다양한 산소 농도 품질 수준에 따라 각각 개별적으로 핫 존을 디자인해야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라, 핫 존 교체에 따라 많은 시간이 소요되고 핫 존의 교체로 인한 단결정 성장 장치의 시험 운전 비용이 상승하고, 제품화가 가능한 단결정의 프라임(prime) 길이가 짧아 단결정 잉곳 당 생산할 수 있는 웨이퍼의 수가 많지 않다는 단점이 있다.

단결정의 산소 농도 제어를 위한 다른 방법은 파라미터(parameter) 제어법으 로서, 단결정의 회전속도와 석영 도가니의 회전속도 비율을 조절하여 대류에 의한 SiOx의 이동경로를 제어하거나 단결정 외주면을 따라 실리콘 멜트의 상부로 공급되는 아르곤 가스의 유량을 제어하여 실리콘 멜트의 표면에서 증발된 SiOx 가스를 효과적으로 배출시킴으로써 단결정 내의 산소 농도를 제어하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이러한 파라미터 제어법은 단결정의 길이방향에 따라 다양한 수준의 산소 농도를 구현하는 것이 용이하지 않고 회전비율에 따라 공진 현상 또는 단결정 이상성장 발생으로 생산이 불가능한 단점이 있다.

단결정의 산소 농도 제어를 위한 또 다른 방법은 커스프(cusp) 타입의 자기장이나 초전도 수평자석에 의한 수평 타입의 자기장을 형성함으로써 도가니의 반응억제를 통해 산소 농도를 제어하는 기술을 들 수 있다.

종래에는 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 단결정 성장 길이방향을 따라 조절함으로써 실리콘 멜트의 대류 패턴을 변화시켜 산소 농도의 고저를 제어하는 방법이 널리 사용되었다. 이와 관련하여 도 1과 도 2에는 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기장(G_upper) 세기와 하부의 자기장(G_lower) 세기의 비율인 R(= G_lower/G_upper)을 1.36에서 2.3으로 변화시킨 경우를 시뮬레이션한 자기장 분포와 대류 패턴이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면 R 값이 1.36에서 2.3으로 증가함에 따라 ZGP(90)의 위치는 상승하게 됨을 확인할 수 있으며, 도 2를 참조하면 석영 도가니 측벽의 하단부 만곡 지점 A, 고액 계면의 최외곽 지점 B, 그리고 석영 도가니 바닥 지점 C 모두에서 실리콘 멜트의 대류속도는 감소하게 되어 산소 농도의 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 구체적으로, 지점 A에서는 3.2cm/s에서 2.7cm/s로, 지점 B에서는 2.3cm/s에서 2.2cm/s로, 지점 C에서는 1.6cm/s에서 1.4cm/s로 대류 속도가 감소된다.

그런데 이와 같이 자기장 비율을 변화시키는 방법은 산소 농도 제어 측면에서는 유효한 효과를 거둘 수 있지만 대류 패턴의 변화로 인해 결정의 품질이 변화되어 무결함 품질은 달성하기가 곤란한 취약점이 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 성장시 산소 농도를 제어함에 있어서 단결정 제조장치의 핫 존의 구조나, 공정 파라미터, 석영 도가니에 담긴 실리콘 멜트의 대류 형태 등을 변경시키지 않으면서 자기장을 이용해 산소 농도를 제어함으로써 원하는 수준의 산소 농도 제어가 가능한 반도체 단결정 제조 방법 및 그 장치와 상기 방법에 의해 제조된 반도체 단결정 잉곳을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 직경이 8인치 이상인 반도체 단결정의 제조를 위한 최적의 자기장 변화 조건을 제시하는 반도체 단결정 제조 방법 및 그 장치와 상기 방법에 의해 제조된 반도체 단결정 잉곳을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 단결정 제조 방법은, 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키 는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 반도체 단결정 성장시 자기장을 석영 도가니에 인가하되, 석영 도가니 내부 각 지점의 대류형태를 유지한 채로 자기장 세기를 변화시켜 반도체 단결정 내로 유입되는 산소의 농도 또는 무결함 품질을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정하여 상기 대류형태를 유지할 수 있다.

바디 전체길이가 1500㎜이고 직경이 8인치인 반도체 단결정의 제조시에는, 예를 들어 바디 길이 700㎜까지는 고산소 농도, 700㎜ 이후에는 저산소 농도의 단결정 구현이 요구될 경우, 바디 성장 시작 지점부터 700㎜까지는 자기장 세기를 점차 감소시키고, 이후 1500㎜까지는 자기장 세기를 점차 증가시키는 것이 바람직하다. 이 경우 요구되는 산소농도의 수준에 따라 자기장의 세기 조절이 가능하며 고산소 농도에서는 약자기장, 저산소 농도에서는 강자기장을 인가함으로써 달성이 가능하다.

본 발명에 의하면 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 같거나 다른 커스프(Cusp) 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가할 수 있다.

대안으로는 자기장의 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니; 상기 석영 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 석영 도가니의 형상을 지지 하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 가열수단; 상기 가열수단을 둘러싸도록 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열수단; 상기 반도체 멜트에 담기는 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상기 종자결정으로부터 성장되는 단결정을 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상수단; 상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 석영 도가니 회전수단; 및 상기 석영 도가니에 자기장을 인가하는 코일 어셈블리 및 상기 코일 어셈블리를 제어하여 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정한 채로 요구되는 산소농도 수준에 따라 자기장 세기를 변화시키는 자기장 제어부를 구비한 자기장 인가수단;을 포함하는 반도체 단결정 제조장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 석영 도가니에 수용된 반도체 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시키는 쵸크랄스키법에 의해 단결정 성장시킨 반도체 단결정 잉곳에 있어서, 반도체 단결정 성장시 자기장을 석영 도가니에 인가하되, 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 대류형태를 유지한 채로 요구되는 산소농도 수준에 따라 반도체 단결정의 특정 지점부터 정해진 성장길이까지는 자기장 세기를 증가 또는 감소시키고, 정해진 성장길이에 도달한 후 다른 수준의 산소농도를 구현하기 위해서 결정성장이 완료될 때까지 자기장 세기를 증가 또는 감소시키는 자기장 제어에 대응하는 산소 농도 프로파일 또는 무결함 품질특성을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳이 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

한편 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정의 성장을 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 실리콘 단결정 성장에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서 본 발명에 따른 기술적 사상은 Si, Ge 등의 모든 단원소의 단결정 성장과, GaAs, InP, LN(LiNbO₃), LT(LiTaO₃), YAG(yttrium aluminum garnet), LBO(LiB₃O₅) 및 CLBO(CsLiB₆O₁₀)를 포함하는 모든 화합물 반도체 단결정의 성장에 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치는, 다결정 실리콘과 도판트가 고온으로 용융된 실리콘 멜트(SM)가 수용되는 석 영 도가니(10); 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 고온 환경에서 석영 도가니(10)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 지지대(20); 도가니 지지대(20) 하단에 설치되어 도가지 지지대(20)와 함께 석영 도가니(10)를 회전시키면서 고액 계면의 높이를 일정하게 유지하기 위해 석영 도가니(10)를 서서히 상승시키는 석영 도가니 회전수단(30); 도가니 지지대(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 석영 도가니(10)를 가열하는 가열수단(40); 가열수단(40)의 외곽에 설치되어 가열수단(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 일정한 방향으로 회전하는 종자결정을 이용하여 석영 도가니(10)에 수용된 실리콘 멜트(SM)으로부터 단결정(C)을 인상하는 단결정 인상수단(60); 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정(C)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정(C)으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70); 및 단결정(C)의 외주면을 따라 실리콘 멜트(SM)의 상부 표면으로 불활성 가스(예컨대, Ar 가스)를 공급하는 불활성 가스 공급수단(미도시)을 포함한다. 이러한 구성요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조장치의 통상적인 구성요소이므로, 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상술한 구성요소에 더하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치는, 석영 도가니(10)에 자기장을 형성할 수 있는 코일 어셈블리(M)와 상기 코일 어셈블리(M)에 전기적으로 접속되어 자기장의 세기를 제어하는 자기장 제어부(미도시)를 구비한 자기장 인가수단을 더 포함한다.

바람직하게, 자기장 인가수단은 석영 도가니(10) 내에 수용된 고온의 실리콘 멜트(SM)에 비대칭 자기장(G_upper, G_lower: 이하, G라고 통칭함)을 인가한다.

비대칭 자기장(G)은 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기장(G_upper) 세기보다 하부의 자기장(G_lower) 세기가 더 큰 자기장이다. 즉 R = G_lower/G_upper 가 1보다 큰 자기장이다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서, 상기 ZGP(90)는 대략 상부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다.

대안으로, 비대칭 자기장(G)은 하부의 자기장(G_lower) 세기보다 상부의 자기장(G_upper) 세기가 더 큰 자기장일 수도 있다. 즉 비대칭 자기장(G)은 R = G_lower/G_upper가 1보다 작은 자기장일 수 있다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서는, 도면으로 도시하지 않았지만, 상기 ZGP(90)는 대략 하부 측으로 볼록한 포물선 형태를 갖는다.

바람직하게, 자기장 인가수단은 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장(G)을 석영 도가니(10)에 인가한다. 이 경우 자기장 인가수단의 코일 어셈블리(M)는 단열수단(50)의 외주면과 소정 거리 이격되어 설치되되 석영 도가니(10)와 동축을 이루는 환형의 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)로 구성된다. 여기서 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)은 일반적인 전자석 코일일 수도 있고 초전도 코일일 수도 있다.

비대칭 자기장(G)을 형성하기 위해, 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)의 권선수, 각 코일에 인가되는 전류의 크기, 각 코일의 직경 또는 이들의 선택적 조합을 적절하게 조절할 수 있다.

일 예로 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)의 권선수와 직경은 동일하게 하고, 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)에 서로 다른 크기의 전류를 인가한다. 즉, 상부 코일(M1)보다 하부 코일(M2)에 더 큰 전류를 인가하거나 그 반대로 전류를 인가한다. 대안으로, 상기 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)에 인가되는 전류의 크기와 코일의 직경은 같게 하고, 각 코일의 권선수를 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 또 다른 대안으로, 코일의 직경은 동일하게 유지한 상태에서 코일에 인가되는 전류와 코일의 권선수를 동시에 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다. 또 다른 대안으로, 코일에 인가되는 전류와 권선수를 동일하게 하고 상부 코일(M1)과 하부 코일(M2)의 직경을 달리하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다.

또 다른 대안으로, 석영 도가니 회전수단(30) 상부의 회전 마운트(35) 둘레에 보조 자석(100)을 설치하여 비대칭 자기장을 형성할 수도 있다. 이러한 경우 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)을 통해 생성되는 자기장의 크기가 동일하여도 보조 자석(100)에 의해 생성되는 자기장에 의해 비대칭 자기장(G)이 형성된다. 물론 상부 코일(M1) 및 하부 코일(M2)만으로도 비대칭 자기장(G)의 형성이 가능한 경우는 보조 자석(100)의 사용에 의해 비대칭 자기장(G)이 강화 또는 약화될 수 있다. 보조 자석(100)은 영구 자석이어도 무방하고 전자석이어도 무방하다. 보조 자석(100)이 장착되는 위치는 굳이 회전 마운트(35) 둘레에 한정되지 않는다. 따라서 석영 도가니(10)의 둘레, 도가니 지지대(20)의 둘레 등 여러 위치에 설치될 수 있다.

상술한 여러 가지 방식으로 비대칭 자기장(G)을 형성함에 있어서, 코일 어셈블리(M)의 위치를 조절하여 비대칭 자기장(G)의 분포를 상부 또는 하부로 이동시킬 수 있다. 비대칭 자기장(G)의 분포가 이동되면 ZGP(90)도 이동한다. 물론 단결정(C)이 성장되는 과정에서 고액 계면의 높이를 일정하게 유지하기 위해 석영 도가니(10)가 상부로 서서히 상승하므로 석영 도가니(10)의 이동에 의해서도 실리콘 멜트(SM)에 인가되는 비대칭 자기장(G) 분포의 상대적 위치가 변경될 수도 있다.

한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 상부 코일(M1)과 하부 코일(M2) 사이에 적어도 하나 이상의 중간 코일을 더 설치하여 코일 어셈블리(M)를 구성할 수도 있다.

이상에서는 자기장 인가수단이 석영 도가니(10) 내에 수용된 고온의 실리콘 멜트(SM)에 비대칭 자기장(G)을 인가하는 예들을 설명하였으나, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않고 ZGP(90)를 기준으로 대칭을 이루는 자기장을 인가하도록 구성될 수도 있다.

또한, 자기장의 형태는 커스프 타입에 한정되지 않고 초전도 수평자석에 의한 수평 타입이 제공될 수도 있음은 물론이다. 수평 타입의 자기장은 자기장의 세기가 가장 큰 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 거의 수평이고 상기 GMP를 기준으로 상부 자기장과 하부 자기장이 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 자기장을 의미한다.

자기장 인가수단의 자기장 제어부는 코일 어셈블리(M)에 흐르는 전류를 제어하여 석영 도가니(10) 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정한 채로 단결정(C) 성장길이별로 자기장 세기를 변화시킨다. 이와 같이 석영 도가니(10) 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정하게 되면 석영 도가니(10) 내부 각 지점의 대류형태를 유지하 는 것이 가능하다. 본 발명에 있어서, 석영 도가니(10) 내부 각 지점의 대류형태를 유지하는 처리는 자기장 비율을 고정하는 것에 한정되지 않는다.

바람직하게, 자기장 제어부는 단결정(C) 성장시 특정 지점부터 목적하는 산소농도 수준을 구현하기 위해 원하는 성장길이 및 구간별로 자기장 세기를 가변시킴으로써 석영 도가니(10)로부터 단결정(C)에 유입되는 산소 농도를 제어한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 단결정 제조장치를 이용하여 고액 계면을 통해 실리콘 단결정(C)을 성장하는 과정에서 자기장의 세기를 조절하여 실리콘 단결정 내로 유입되는 산소 농도를 제어한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조장치를 이용하여 8인치 실리콘 단결정을 성장시킬 때 자기장의 비율을 R=1.63에 고정한 채로 자기장의 세기를 점차 증가시킨 경우 실리콘 멜트 내에 형성되는 대류 분포를 상용 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도면에서 자기장의 세기는 상대적인 스케일에 따라 약자기장(a), 중자기장(b) 및 강자기장(c)으로 구분된다.

도 4를 참조하면, 실리콘 멜트(SM) 내에 형성되는 대류 분포는 자기장의 세기가 점차 증가함에 따라 대류 셀의 변화없이 플로우(flow) 속도만이 저감되어 단결정(C)의 품질 변동없이 산소 농도만을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 예컨대 석영 도가니 측벽의 하단부 만곡 지점 A와, 석영 도가니 바닥 지점 B 모두에서 실리콘 멜트의 대류속도는 감소하게 되어 산소 농도의 제어가 가능함을 확인할 수 있다.

<실험예>

도 5는 바디 전체길이가 1500㎜이고 직경이 8인치 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서 각 지점의 자기장 비율을 고정한 상태에서 단결정 성장 길이별로 가변 자기장을 인가하여 산소 농도를 제어한 결과를 나타낸다.

먼저 비교예에 나타난 바와 같이, 자기장의 세기를 최초 인가한 수준 그대로 고정시켜 변화시키지 않은 값을 100%로 할 경우, 단결정 길이에 따라 잔류 멜트의 양과 대류 셀의 형태로 인하여 산소 농도 수준은 바디 초반에 점차 낮아지다가 후반부로 갈수록 높아지는 경향을 보임을 확인할 수 있다.

반면에 본 발명의 실시예 1과 같이 바디 길이가 증가함에 따라 170%까지 자기장의 세기를 증가시킬 경우(ramping up) 산소 농도가 11.5 ppma에서 9.8ppma로 낮아지고, 또한 본 발명의 실시예 2와 같이 바디 길이가 증가함에 따라 50%까지 자기장의 세기를 감소시킬 경우(ramping down)에는 산소 농도가 12.5ppma로 증가됨을 확인할 수 있다.

한편 도 6에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 1과 실시예 2에 따라 성장된 단결정에 대해 무결함 품질수준인 DSOD를 측정한 결과 프라임 전체 영역에 걸쳐 20ea 이하의 무결함 특성이 유지됨을 확인할 수 있었다. 이는 자기장의 비율을 고정하고 세기만 변화시킬 경우 단결정 길이 방향에 대한 대류 셀의 형태가 유지되어 무결함 품질은 유지되고 요구하는 수준의 산소 농도 제어가 가능함을 보여주는 결과이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지 식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 실리콘 멜트의 각 지점에 대한 자기장 비율을 고정하고 자기장 세기만을 변화시킴으로써 단결정 길이 방향에 대한 대류 셀의 형태를 유지하여 무결함 품질을 제공할 수 있으므로 프라임 수율의 극대화가 가능하다.

또한, 단결정 잉곳의 전체적인 산소 농도 수준 제어를 비롯하여 특정 길이 또는 위치에 대한 산소 농도 제어가 가능하여 하나의 단결정 잉곳으로부터 여러 가지 산소 농도 조건을 갖는 웨이퍼를 생산할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 다양한 수준의 산소 농도 제어를 위해 종래에 적용해 왔던 핫 존의 교체나 공정 파라미터의 변경과 같은 조치가 전혀 불필요하여 단결정 제품의 다양화가 가능하다.

Claims (12)

1. 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트에 종자결정을 담근 후 상기 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서,

   반도체 단결정 성장시 자기장을 석영 도가니에 인가하고, 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정하여 반도체 멜트의 대류형태를 유지한 채로 상기 자기장의 세기를 변화시켜 반도체 단결정 내로 유입되는 산소의 농도 또는 무결함 품질을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 같거나 다른 커스프(Cusp) 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 자기장은 석영 도가니 주변에 환형으로 설치된 상부 코일과 하부 코일에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 자기장은 석영 도가니 주변에 환형으로 설치된 상부 코일, 하부 코일 및 상기 상부 코일과 하부 코일 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 중간 코일에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   자기장의 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 방법.
7. 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니;

   상기 석영 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 석영 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;

   상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 가열수단;

   상기 가열수단을 둘러싸도록 설치되어 가열수단으로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열수단;

   상기 반도체 멜트에 담기는 종자결정을 일정한 방향으로 회전시키면서 상기 종자결정으로부터 성장되는 단결정을 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상수단;

   상기 도가니 지지대를 일정한 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 석영 도가니 회전수단; 및

   상기 석영 도가니에 자기장을 인가하는 코일 어셈블리 및 상기 코일 어셈블리를 제어하여 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정한 채로 자기장 세기를 변화시키는 자기장 제어부를 구비한 자기장 인가수단;을 포함하는 반도체 단결정 제조장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 자기장 인가수단은 자기장의 수직성분이 0인 ZGP를 기준으로 상부와 하부의 자기장 세기가 다른 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장을 석영 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 자기장 인가수단의 코일 어셈블리는 석영 도가니 둘레에 환형으로 설치된 상부 코일과 하부 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조장치.
10. 제8항에 있어서,

    상기 자기장은 석영 도가니 주변에 환형으로 설치된 상부 코일, 하부 코일 및 상기 상부 코일과 하부 코일 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 중간 코일에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조장치.
11. 제7항에 있어서,

    자기장의 세기가 최대인 GMP(Gauss Maximum Plane) 근방의 자기장 방향이 수평인 수평 타입의 자기장을 석영 도가니에 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조장치.
12. 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트에 종자결정을 담근 후 상기 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시키는 쵸크랄스키법에 의해 제조되는 반도체 단결정 잉곳에 있어서,

    반도체 단결정 성장시 석영 도가니 내부 각 지점의 자기장 비율을 고정하여 반도체 멜트의 대류형태를 유지한 채로 자기장 세기를 변화시키는 자기장 제어에 대응하는 산소 농도 프로파일 또는 무결함 품질특성을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 잉곳.

Images