KR100504423B1

KR100504423B1 - 결정성장방법

Info

Publication number: KR100504423B1
Application number: KR10-2002-7006709A
Authority: KR
Inventors: 구보다카유키; 가와히가시후미오; 아사노히로시; 미키신이치로; 니시모토마나부
Original assignee: 스미토모 미츠비시 실리콘 코포레이션
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-07-29
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: US20030150373A1; WO2002027079A1; JP3678129B2; DE10194370T5; DE10194370B4; KR20020070290A; JP2002104899A; US6767400B2

Abstract

본 발명은 단결정(4)을 포위하는 냉각체(6)를 사용한 CZ 법에 있어서, 인상 속도의 고속화에 대하여 냉각체를 유효하게 기능시켜, 과도한 냉각에 의한 단결정의 균열을 방지하는 동시에 높은 결정질을 확보하는 것을 목적으로 한다. 이것을 실현하기 위해서, 냉각체(6)의 높이를 단결정(4)의 직경의 1.5배 이하로 하고, 또한 단결정(4)의 외주면에 대향하는 냉각체(6)의 내주면의 표면 온도를 500℃ 이하로 한다.

Description

결정성장방법{Crystal growth method}

본 발명은 반도체 재료로서 사용되는 실리콘 단결정 등의 제조에 이용되는 결정 성장 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정을 제조하기 위해서는 여러 가지 방법이 있지만, 대표적인 것으로서 초크랄스키법(Czochralski process; CZ 법)이 있다. CZ 법에 의한 실리콘 단결정의 제조에는 주지하는 바와 같이, 석영 도가니(quartz crucible) 내에 형성된 실리콘 융액에 종자 결정(seed)을 침지하고, 이 상태로부터 도가니 및 종자 결정을 회전시키면서, 종자 결정을 상방으로 서서히 인상(pull-up)함으로써, 종자 결정의 하방에서 실리콘의 단결정을 성장시킨다.

이러한 CZ 법에 의한 실리콘 단결정의 인상에서는 결정 단면에 있어서의 결함 분포 등이 결정 성장 속도, 즉 인상 속도에 지배되는 것이 알려져 있다. 구체적으로 설명하면, 인상 속도를 크게 할수록, 링 형상의 OSF 발생 영역이 외주부로 이동하고, 최종적으로는 결정 유효 부분의 외측으로 배제된다. 반대로, 인상 속도를 작게 함으로써, 링 형상의 OSF 발생 영역이 결정 중심부로 이동하여, 최종적으로는 그 중심부에서 소멸된다.

OSF 발생 영역의 외측도 내측도 모두 결함 발생 영역이지만, 그 외측과 내측에서는 결함의 종류가 다르다. 또한, 인상 속도를 고속화하면, 당연한 사실이지만 생산성이 향상되고, 또한 결함이 미세화되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 결정 성장의 하나의 방향으로서, 인상의 고속화가 추구되고 있다.

고속 인상을 실현하기 위한 기술로서 열 차폐체의 설치가 알려져 있다. 열 차폐체는 단결정의 주위를 포위하도록 설치된 역원추사다리꼴(inverted-truncated cone) 형상의 원통형 단열 부재이고, 주로 도가니 속의 융액이나 도가니의 외측에 배치된 가열기로부터의 복사열을 차단하는 것에 의해, 융액으로부터 인상되는 단결정의 냉각을 촉진하여, 인상 속도의 고속화를 도모한다.

또한, 최근에는 열 차폐체의 내측에, 강제적으로 수냉된 원통형의 냉각체를 설치하는 기술도 주목되고 있다(일본 특개소63-256593호 공보, 일본 특개평8-239291호 공보, 일본 특개평11-92272호 공보, 일본 특개평11-292684호 공보). 강제적으로 수냉된 원통형의 냉각체를, 열 차폐체의 안쪽에 단결정의 주위를 포위하도록 설치함으로써, 단결정의 특히 고온 부분의 냉각이 더욱 촉진되어, 인상 속도의 고속화가 한층 더 도모된다.

그러나, 냉각체를 사용한 종래의 결정 성장에서는 그 냉각체가 인상 속도의 고속화에 대하여 반드시 유효하게 기능하지 않을 뿐만 아니라, 단결정의 품질이나 조업의 안전에 대하여 다음과 같은 문제가 있는 것이 판명되었다.

냉각체로서는 냉각수로(water passage)에 의해 강제적으로 냉각되는 구리계의 금속 부재가 단결정에 대한 냉각 능력, 경제성의 점에서 널리 사용되고 있다. 이러한 냉각체를 단지 설치하는 것만으로는 인상 속도가 고속화되지 않는 경우가 많다. 냉각체가 인상 속도의 고속화에 대하여 유효하게 기능하지 않으면, 단결정의 1300℃ 이상의 고온 부분이 길게 되고, 또한 단결정이 1300℃ 이상의 고온 영역을 통과하는 시간이 길어지기 때문에, Fe, Cu 등의 중금속의 확산이 촉진되어, 단결정이 외주부로부터 오염되게 된다.

인상 속도의 고속화에 대해서는 이 냉각체에서 단결정의 1300℃ 이상의 고온 부분을 냉각하는 것이 필요하지만, 냉각 능력을 높이면, 1300℃ 미만의 부분도 급격하게 냉각될 위험성이 있다. 단결정의 1300℃ 미만의 부분이 급격하게 냉각되면, 인상 결정이 유전위화(有轉位化; dislocation) 되었을 때에 냉각에 따른 결정의 변형도 급격하게 발생하고, 무전위부와 유전위부의 경계 부분에서 그 변형의 정도의 차이에 따라 잔류 응력이 생기며, 인상 중 또는 인상 후의 결정 냉각 중에 균열이 발생하기 쉽게 된다. 이 균열이 발생하면, 경우에 따라서는 냉각체가 파손되어, 수증기 폭발 등의 큰 재해로 이어질 위험이 있다.

본 발명의 목적은 냉각체를 사용한 CZ 법에 의한 단결정의 인상에 있어서, 인상 속도의 고속화에 대하여 냉각체를 유효하게 기능시키고, 또한 단결정의 과도한 냉각에 의한 균열을 효과적으로 방지할 수 있는 결정 성장 방법을 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 결정 성장 방법을 실시하기에 적합한 인상 화로 내의 개략적인 구성도.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명자들은 냉각체의 치수, 표면 온도 등에 착안하여, 이러한 고속 인상과의 관계에 대하여 상세하게 조사하였다. 그 결과, 이하의 사실이 판명되었다.

냉각체의 두께가 10mm 미만이면, 단결정으로부터의 복사에 의해 냉각체의 온도가 현저하게 상승하고, 결정에 대한 냉각 효율이 저하하여, 고속 인상의 실현이 어렵게 된다. 한편, 그 두께가 50mm를 넘으면, 냉각 효율이 포화할 뿐만 아니라, 결정 직경의 제어에 사용하는 카메라의 시야가 방해되거나, 화로 내로 흐르는 Ar 등의 가스의 흐름이 정체되기 쉬워지고, SiO의 석출에 의한 유전위화의 원인으로도 된다.

융액으로부터 인상되는 단결정의 외주면에 대향하는 냉각체의 내주면에 500℃를 넘는 부분이 있으면, 결정에 대한 냉각 효율이 현저하게 저하하여, 고속 인상의 실현이 불가능하게 된다.

냉각체의 높이가 결정 직경의 0.1배 미만에서는 단결정의 1300℃ 이상의 고온 부분을 효율 좋게 냉각할 수 없지만, 그 높이가 결정 직경의 1.5배를 넘으면, 1300℃ 미만의 부분이 급격하게 냉각되어, 단결정에 유전위화가 생겼을 때에는 균열이 발생하기 쉽게 된다.

냉각체의 하단으로부터 융액까지의 거리가 100mm를 넘으면, 단결정의 1300℃ 이상의 고온 부분의 냉각에 대하여 그 효과가 현저하게 저감되고, 인상 속도의 고속화가 어려워진다. 한편, 이 거리가 10mm 미만이면, 냉각체와 융액의 접촉 위험성이 높아지고, 또한 냉각체 근방의 융액 온도가 급격하게 저하하여, 융액의 반경 방향 온도 경사가 작아짐으로써, 인상 결정이 변형하기 쉽다는 문제가 생긴다.

냉각체의 내주면의 복사율이 0.7 미만이면, 단결정의 1300℃ 이상의 고온 부분에 대한 냉각 효과가 저감하고, 인상 속도의 고속화가 어려워진다.

냉각체에 공급하는 냉각수의 유량이 1.5L/분 미만이면, 냉각체의 온도가 상승하여, 결정을 효과적으로 냉각할 수 없다. 30L/분을 넘는 유량의 경우에는 결정에 대한 냉각 효과가 포화하여, 냉각수가 낭비된다.

본 발명의 결정 성장 방법은 이러한 발견 결과(finding)에 기초하여 완성된 것이고, CZ 법에 의해서 원료 융액으로부터 육성되는 단결정을 포위하도록 설치된 고리형의 냉각체를 구비하는 인상 화로를 사용하여 결정 성장을 행할 때에 상기 단결정의 직경의 1.5배 이하의 높이를 갖는 냉각체를 사용하고, 또한 상기 단결정의 외주면에 대향하는 냉각체의 내주면의 표면 온도를 500℃ 이하로 함으로써, 인상 속도의 고속화에 대하여 냉각체를 유효하게 기능시키고, 또한 단결정의 과도한 냉각에 의한 균열을 효과적으로 방지하는 것이다.

냉각체의 높이의 하한에 대해서는 인상 속도의 고속화의 점에서 단결정 직경의 0.1배 이상이 바람직하다. 특히 바람직한 높이는 단결정의 직경의 0.25 내지 1.0배이다.

냉각체의 내주면의 표면 온도의 하한에 대해서는 낮을수록 좋으므로, 특히 규정하지 않는다. 특히 바람직한 표면 온도는 200℃ 이하이다.

냉각체의 높이 및 내주면의 표면 온도 이외의 항목에서는 냉각체의 두께를 10 내지 50mm로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각체에 공급하는 냉각수의 유량을 1.5 내지 30L/분으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각체의 하단으로부터 융액 표면까지의 거리를 10 내지 100mm로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각체의 내주면의 복사율을 0.7 이상으로 하는 것이 바람직하다.

냉각체는 냉각수로에 의해 강제적으로 냉각되는 금속체로 이루어진다. 그 금속으로서는 열전도성이 좋고 염가인 구리를 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 냉각체가 구리계 금속으로 이루어지는 경우, 그 내주면의 복사율을 높이는 방법으로서는 흑색의 Cr 도금 처리나 산화에 의한 흑색화가 유효하다. 특히 흑색의 Cr 도금처리는 부드러운 구리계 금속을 보호하고, 결정의 구리에 의한 오염을 억제하는 효과도 있다.

일반적으로 인상 화로 내의 분위기는 13300 Pa 이하이기 때문에, 가스에 의한 열 전달은 무시할 수 있고, 인상 결정의 발열은 오로지 복사 열전달이다. 본 발명의 결정 성장 방법은 이러한 관점에서 냉각체의 높이나 표면 온도를 규정하지만, 결정 표면에서 냉각체까지의 거리는 가스에 의한 열 전달을 무시할 수 있기 때문에 특별히 규정하지 않는다.

냉각체에 대해서는 또한, 열 차폐체와 조합하여, 그 내측에 배치하는 것이 좋다. 열 차폐체와 조합하는 것에 의해, 결정의 냉각이 촉진될 뿐만 아니라, 냉각체 자체의 온도 상승이 보다 효과적으로 억제되어, 인상 속도의 고속화가 추진된다.

이하, 본 발명의 실시예를 도 1에 기초하여 설명한다.

인상 화로는 화로체(puller body)로서 메인 챔버 및 풀 챔버(pull chamber)를 구비하고 있다. 메인 챔버 내의 중심부에는 도가니(1)가 배치되어 있다. 도가니(1)는 다결정 실리콘이 충전되는 내측의 석영 도가니와, 그 외측에 결합되는 흑연(graphite)제의 지지 도가니로 구성되어 있다. 이 도가니(1)는 페데스탈(pedestal)이라고 불리는 지지축에 의해 회전 및 승강 구동된다.

도가니(1)의 외측에는 저항 가열식의 가열기가 동심원형으로 배치되고, 더 외측에는 보온 통이 메인 챔버의 내면을 따라 배치되어 있다. 가열기는 도가니(1)내에 충전된 다결정 실리콘을 용융시켜서, 그 도가니(1) 내에 실리콘의 융액(2)을 형성한다.

한편, 도가니(1)의 상방에는 인상 축으로서 와이어(3)가 풀 챔버 내의 중심부를 통해 걸려 있다. 와이어(3)는 풀 챔버의 상부에 설치된 인상 기구에 의해 회전 구동되는 동시에, 축 방향으로 승강 구동된다. 와이어(3)의 하단부에는 종자 결정을 유지하는 시드 척(seed chuck)이 설치되어 있다. 시드 척에 유지된 종자 결정을 도가니(1) 내의 융액(2)에 침지하고, 그 종자 결정을 회전시키면서 서서히 상승시키기 위해 와이어(3)를 구동함으로써, 종자 결정의 하방으로 실리콘의 단결정(4)을 성장시킨다.

도가니(1)의 상방에는 또한, 단결정(4)을 포위하도록 원통 형상의 열 차폐체(5)가 도가니(1) 내의 융액(2)에 접근하여 동심원형으로 설치되어 있다. 열 차폐체(5)는 흑연으로 이루어지고, 도가니(1) 내의 융액(2)으로부터의 복사열을 효과적으로 차단하기 위해서 하방으로부터 상방을 향하여 서서히 직경을 확대시키고, 그 하부를 도가니(1) 내에 삽입하여 도가니(1) 내의 융액(2)의 상방에 위치시킨다.

열 차폐체(5)의 내측에는 원통 형상의 냉각체(6)가 동심원형으로 설치되어 있다. 냉각체(6)는 열전도성이 양호한 구리계 금속으로 이루어지고, 내부를 유통하는 냉각수에 의해 강제적으로 냉각된다. 이 냉각체(6)는 열 차폐체(5)의 하부 내에 배치되고, 단결정(4)의, 특히 응고 직후의 고온 부분을 포위함으로써, 그 고온 부분의 냉각을 촉진한다. 또한, 냉각체(6)도 열 차폐체(5)와 마찬가지로 하방으로부터 상방을 향하여 직경이 확대된 테이퍼(tapered) 형상으로 되어 있다.

여기서, 냉각체(6)의 높이(H)는 단결정(4)의 직경(D)의 0.1 내지 1.5배의 범위 내에서 선택되며, 여기서는 1배로 선택되어 있다. 냉각체(6)의 두께(T)는 10 내지 50mm의 범위 내에서 선택되고, 여기서는 40mm로 선택되어 있다. 냉각체(6)의 하단에서 융액(2)까지의 거리(L)는 10 내지 100mm의 범위 내에서 선택되고, 여기서는 30mm로 선택되어 있다.

또한, 냉각체(6)의 내주면은 표면의 복사율(방사율)이 0.7 이상이 되도록 산화 처리되어 있고, 여기서의 복사율은 0.9이다. 내주면의 표면 온도에 대해서는 가장 고온이 되는 하단부에서도 500℃를 넘지 않도록 조정되고, 여기서는 냉각체(6)에 공급하는 냉각수의 유량을 1.5 내지 30L/분의 범위 내에서 조정함으로써, 하단부 온도로서 30℃를 실현하였다.

다음에, 상기 인상 화로를 사용한 결정 성장의 조업예(operational examples)에 대하여 설명한다.

화로(1) 내에 다결정 실리콘 원료를 100kg 장전한 후, 챔버 내를 1330 Pa의 Ar 분위기로 한다. 도가니(1)의 외측에 설치된 가열기에 의해, 도가니(1) 내의 다결정 실리콘 원료를 용융하여 100 방위(orientation)의 종자 결정을 사용하여, 그 하방으로 직경 200mm의 단결정을 성장시킨다.

이때, 도가니(1) 내의 융액(2)의 액면 레벨이 일정하게 유지되도록, 결정 성장에 따라 도가니(1)를 서서히 상승시킨다. 또한, 단결정(4)의 회전 방향과 동일한 방향이나 반대 방향으로 도가니(1)를 회전시킨다.

냉각체(6)의 높이(H)를, 단결정(4)의 직경(D)의 0.1 내지 1.5배의 범위 내인 1배(200mm)로 하고, 또한, 냉각체(6)의 가장 고온이 되는 하단부에서의 내주면 온도를 30℃로 관리한 것에 의해, 단결정의 원통부(cylindrical body)의 평균 인상 속도로서 2.5mm/분을 확보할 수 있었다.

상기 단결정의 인상을 5회 행하였지만, 균열은 발생하지 않았다. 그 단결정으로부터 채취한 웨이퍼에서의 0.09㎛ 이상의 LPD 개수는 300개/wf 이하이고, 0.13㎛ 이상의 LPD 개수는 10개/wf 이하이었다. Fe 농도는 1 ×10¹⁰/cm³이하이었다.

냉각체(6)의 두께(T) 및 높이(H)를 여러 가지로 바꿔 동일하게 인상하였다. 인상 조건을 표 1에 나타내고, 그 결과를 표 2에 나타낸다. 조업예 1은 상술한 조업 결과이고, 평균 인상 속도는 2.5mm/분이다.

	냉각체 평균 두께	냉각체 높이	냉각체 하단과 융액면의 거리	냉각체 하단 온도
#1(본발명예)	40mm	200mm	30mm	30℃
#2(본발명예)	10mm	200mm	30mm	400℃
#3(비교예)	5mm	200mm	30mm	550℃
#4(비교예)	40mm	400mm	30mm	30℃

	평균속도	0.09㎛ 이상의LPD	0.13㎛ 이상의LPD	Fe 농도	균열 발생율
#1(본발명예)	2.5mm/min	300개/wf 이하	10개/wf 이하	1×10¹⁰/ ㎤이하	0개/5개중
#2(본발명예)	2mm/min	400개/wf 이하	12개/wf 이하	1×10¹⁰/ ㎤이하	0개/5개중
#3(비교예)	1.3mm/min	1500개/wf 이하	50개/wf 이하	5×10¹⁰/ ㎤이하	0개/5개중
#4(비교예)	2.5mm/min	300개/wf 이하	12개/wf 이하	1.2×10¹⁰/㎤이하	4개/5개중

조업예 1에 대하여, 조업예 2에서는 냉각체(6)의 두께를 40mm에서 10mm로 얇게 하였다. 그 결과, 냉각체(6)의 하단부의 내주면 온도는 30℃로부터 400℃로 상승하였다. 평균 인상 속도는 2mm/분으로 저하하였지만, 여전히 높은 레벨이다. LPD 개수도 Fe 농도도 여전히 저위(低位)이고, 균열도 발생하지 않았다.

조업예 3에서는 냉각체(6)의 두께를 5mm까지 얇게 하였다. 그 결과, 냉각체(6)의 하단부의 내주면 온도는 500℃를 넘는 550℃로 상승하였다. 평균 인상 속도는 1.3mm/분으로 저하하였다. 균열은 발생하지 않았지만, LPD 개수 및 Fe 농도는 현저히 증가하였다.

조업예 4에서는 냉각체(6)의 높이를 200mm에서 단결정(4)의 직경(D)의 1.5배를 넘는 400mm로 하였다. 냉각체(6)의 두께는 40mm인 채로 있고, 냉각체(6)의 하단부의 내주면 온도는 30℃이다. 평균 인상 속도로서 2.5mm/분이 확보되며, LPD 개수도 Fe 농도도 비교적 저위이지만, 5개 중 4개로 단결정에 균열이 발생하였다.

이로부터 알 수 있는 바와 같이, 인상 속도의 고속화에 대하여 냉각체(6)를 유효하게 기능시키기 위해서는 냉각체(6)의 내주면 온도의 관리가 특히 중요하고, 이어서 그 내주면 온도에 큰 영향을 주는 두께가 중요한 인자가 된다. 이들은 결정 품질을 확보하는 점에서도 중요하다. 또한, 단결정(4)의 과도한 냉각에 의한 균열을 방지하기 위해서는 냉각체(6)의 높이가 특히 중요한 인자가 된다.

덧붙여서, 냉각체를 사용하지 않는 경우의 평균 인상 속도는 1.0mm/분이고, 0.09㎛ 이상의 LPD 개수는 2000개/wf 이하이며, 0.13㎛ 이상의 LPD 개수는 100개/wf 이하이고, Fe 농도는 1×10¹²/cm³이하이다.

이들 조업예와는 달리, 조업예 1에서 융액에 질소 또는 탄소를 첨가하여 결정을 인상한바, 0.09㎛ 이상의 LPD 개수가 대폭 저감하였다. 이로써, 본 발명의 결정 성장 방법에 있어서의 융액으로의 질소 또는 탄소의 첨가가 LPD의 미세화를 가속적으로 진행시키는 것이 판명되었다.

또한, 조업예 1에서 인상 속도를 반인 1.25mm/분으로 저하시켜서, 링형의 OSF 발생 영역이 결정 중심부에서 대략 소멸하는 조건으로 인상한바, 0.09㎛ 이상의 LPD 개수가 100개/웨이퍼로 대폭 저감하였다. 이 사실에서, 종래 저 LPD 모니터 웨이퍼(low LPD wafer charging monitor)용으로서 1mm/분 이하로 인상하고 있는 결정에 대해서도 고속화를 도모할 수 있는 것이 판명되어, 본 발명이 저 LPD 모니터 웨이퍼용의 저속 인상에도 유효함이 분명하게 되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 결정 성장 방법은 냉각체를 사용한 회전 인상에 있어서, 냉각체의 내주면 온도 및 높이를 관리함으로써, 인상 속도의 고속화에 대하여 냉각체를 유효하게 기능시키고, 아울러 단결정의 과도한 냉각에 의한 균열을 효과적으로 방지할 수 있다. 더욱이, 높은 결정 품질을 확보할 수도 있다. 따라서, 고품질의 단결정을 경제적으로 제조하는데 적합하다.

Claims

초크랄스키법(Czochralski process; CZ 법)에 의해 원료 융액으로부터 육성되는 단결정을 포위하도록 설치된 고리형의 냉각체를 구비하는 인상 화로를 사용하여 결정 성장을 행할 때에, 상기 단결정의 직경의 1.5배 이하의 높이를 갖는 냉각체를 사용하고, 또한 상기 단결정의 외주면에 대향하는 냉각체의 내주면의 표면 온도를 500℃ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각체의 두께를 10 내지 50mm로 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각체에 공급하는 냉각수의 유량을 1.5 내지 30L/분으로 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각체의 하단에서 융액 표면까지의 거리를 10 내지 100mm로 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각체의 내주면의 복사율을 0.7 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.