KR101000326B1 - 실리콘 단결정 인상 장치 - Google Patents

Abstract

실리콘 단결정 인상 장치로서, 실리콘 융액을 저류하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전 및/또는 승강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버의 외측에 형성되어 상기 챔버에 자장을 인가하는 자장 인가 수단을 갖고, 상기 자장 인가 수단은, 상기 챔버의 외주면을 따르도록 형성되고, 상기 도가니의 중심축에 대하여 대략 동심원 형상의 등자장선(等磁場線)을 형성할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상 장치.

실리콘 단결정, 자장 인가 수단, 등자장선

Description

실리콘 단결정 인상 장치 {APPARATUS FOR PULLING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 형성하는 실리콘 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정 인상 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정은, 도가니에 수용된 다결정 실리콘 원료를 히터로 가열하여 실리콘 융액으로 하고, CZ(Czochralski)법에 의해 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하면서 성장시킴으로써 제조된다. 실리콘 웨이퍼는, 상기의 방법으로 제조된 실리콘 단결정을 슬라이스(절단)함으로써 제조되고, 이 실리콘 웨이퍼 상에 집적회로 등의 디바이스가 형성된다.

실리콘 단결정은, 1장의 실리콘 웨이퍼 상에 보다 많은 회로를 형성하기 위해, 점점 대(大)직경화하는 경향에 있다. 한편으로, 실리콘 단결정의 대직경화에 따른 단결정 성장 기술의 과제로서, 단결정의 저산소 농도화와 품질의 안정화 및, 생산성 향상을 들 수 있다. 이러한 과제에 대하여, CZ법에 수평 자장을 인가한 HMCZ(Horizontal Magnetic field applied CZ) 기술의 적용에 의해 단결정의 저산소 농도화나 결정 성장의 안정화를 실현하는 방법이 알려져 있다. 또한, 실리콘 단결정과 실리콘 융액과의 경계면인 고액(固液) 계면 형상을, 단결정의 방향을 향하여 만곡시킨 윗볼록형(上凸型)으로 유지함으로써, 단결정의 축 방향 온도 구배를 고액 계면 근방에서 크게 하고, 또한 면 내 균일화 효과를 얻는 방법도 알려져 있다(일본공개특허공보 2001-158690호).

(발명의 개시)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

수평 자장 인가에 의해, 도가니 내의 실리콘 융액의 대류의 불안정한 상태는 억제되어, 안정한 대류가 얻어진다. 그러나, 대구경의 결정을 육성하기 위해서는 대구경의 도가니를 이용하여, 융액량도 증가한다. 이 경우, 수평 자장을 인가하는 것만으로는 충분한 효과는 얻어지지 않아, 융액 대류의 불안정한 영역이 존재하는 것이 밝혀졌다. 또한 헬름홀츠(helmholtz)형의 마그넷을 이용하여, 서로 평행하게 배치한 2개의 마그넷 사이에 실리콘 단결정 인상 장치의 챔버를 배치한 경우, 코일 지름의 설계에 의해 수평 자장 강도의 분포가 균일한 구조가 얻어지지만, 필요로 되는 강도의 자장을 얻기 위해서는, 마그넷 자체가 거대한 것이 되어, 큰 장치 스페이스(space)가 필요하게 된다는 문제가 있었다.

한편, 최근, 실리콘 단결정 인상 장치의 챔버를 둘러싸는 링 형상의 케이스에, 마그넷 코일을 변형시켜 조입한(incorporate) 스페이스 절약형의 수평 자장 마그넷이 개발되고 있다. 이러한 스페이스 절약형의 수평 자장 마그넷의 경우, 발생하는 자장의 강도는, 코일의 설계 스페이스의 제약에 의해, 불균일한 분포를 나타내는 경우가 있다. 스페이스 절약형의 수평 자장 마그넷에 대하여, 자장 강도 분포의 측정과 결정 성장 실험의 대비를 행한 결과, 자장 강도 분포와 자장 설정 위치에 관계하여, 실리콘 융액에 불안정한 영역이 발생하는 것이 밝혀졌다.

결정 인상 시에 실리콘 융액에 불안정한 영역이 발생한 경우, 실리콘 단결정 내에서 불순물 농도(산소 농도 등을 포함함)의 분포가 불균일하게 되어, 실리콘 단결정의 성장 방향에서 본 경우도, 불순물 농도 분포가 불균일하게 된다.

대구경의 실리콘 단결정을 육성하는 경우, 생산성 향상을 위해, 결정 성장 속도를 빠르게 할 수 있도록, 고액 계면 형상을 윗볼록 형상으로 하여 결정 성장이 많이 행해지고 있다. 그때에, 실리콘 융액의 불안정한 영역이 발생하면, 결정의 인상축에 수직인 단면 내(즉, 단결정으로부터 채취되는 웨이퍼 표면에 평행한 면 내)에서, 불순물 농도가 불균일하게 되어, 농도치가 면 내에서 변화하는 등의 농도 분포가 관찰된다. 여기서, 불순물 농도란, 산소 농도 및, 실리콘 단결정의 캐리어 농도를 결정하는 도펀트 농도를 의미한다. 고액 계면 형상을 윗볼록 형상으로 하여 결정 성장을 행할 때에, 실리콘 융액에 불안정한 영역이 발생하면, 실리콘 단결정으로부터 잘려지는 웨이퍼 면 내에서, 불순물 농도가 동심원 형상으로 변화하는 분포가 관찰된다. 미소한 범위에서의, 산소 농도 및 도펀트 농도의 고농도, 또는 저농도로의 불균일은, 디바이스 공정에 있어서, 결정 결함의 밀도차에 의한 중금속 불순물의 게터링(gettering) 부족의 원인이 된다. 또한, 저항률 등의, 디바이스의 특성으로서 중요한 웨이퍼 특성을 저하시킬 가능성이 있다. 또한 결과적으로, 단결정으로부터 얻어지는 양호한 웨이퍼의 수율, 웨이퍼로부터 얻어지는 디바이스의 수율도 저하한다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 게터링능(能)의 불균일, 저항치의 면 내 분포의 불균일 등을 방지할 수 있고, 디바이스 공정에 있어서 디바이스 특성 및 수율을 양호하게 유지할 수 있는 웨이퍼를 채취할 수 있는, 실리콘 단결정 육성이 가능한 실리콘 단결정 인상 장치 및, 실리콘 단결정 인상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 때문에, 본 발명은, 실리콘 단결정 중에서의 불순물 농도의 불균일 분포를 억제하고, 불순물 농도의 균일화를 도모함으로써, 산소 농도 및 도펀트 농도의 미소한 범위에서의 불균일을 방지하여 실리콘 단결정을 육성할 수 있는, 실리콘 단결정 인상 장치 및, 실리콘 단결정 인상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명의 제1 형태에 따른 실리콘 단결정 인상 장치는, 실리콘 융액을 저류(貯溜)하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전 및/또는 승강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버의 외측에 형성되어 상기 챔버에 자장을 인가하는 자장 인가 수단을 갖는 단결정 인상 장치로서,

상기 자장 인가 수단은, 상기 챔버의 외주면을 따르도록 형성되고, 상기 도가니의 중심으로부터 대략 동심원 형상(동심(同心)의 루프 형상)의 등자장선(等磁場線)을 형성할 수 있게 되어 있다.

이 실리콘 단결정 인상 장치에 의하면, 도가니의 실리콘 융액에는 자장 인가 수단에 의해 인가되는 수평 자장에 의해 대략 동심원 형상으로 등자장선이 형성된다. 동심원 형상으로 등자장선이 형성됨으로써, 도가니 내의 실리콘 융액의 대류 상태의 불안정화를 억제하여, 안정한 대류 상태를 얻을 수 있다.

여기서, 대략 동심원 형상의 등자장선을 형성하는 범위는, 적어도 도가니 내의 실리콘 융액이 존재하는 범위를 포함하는 것이면 좋고, 그 외의 챔버 내의 영역은, 등자장 곡선이 대략 동심원 형상으로 되지 않아도 좋다. 따라서, 스페이스 절약형의 자장 인가 수단을 이용할 수 있다. 또한, 등자장 곡선이 동심원 형상이 되는 범위는, 실리콘 융액이 존재하는 높이 위치를 적어도 포함하는 것이면 좋다.

마찬가지로, 자장 인가에 의해 형성되는 자력선도, 도가니 내의 실리콘 융액이 존재하는 범위에서만 대략 직선으로 되어 있으면 좋고, 그 외의 부분에서는, 다소 직선에서 어긋나 있어도 상관없다.

본 발명의 제2 형태에 따른 실리콘 단결정 인상 장치는, 실리콘 융액을 저류하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전 및/또는 승강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버의 외측에 형성되어 상기 챔버에 자장을 인가하는 자장 인가 수단을 갖는 단결정 인상 장치로서,

상기 자장 인가 수단은, 상기 챔버의 외주면을 따르도록 형성되고, 상기 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부(底部)를 향하여 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 자장을 인가할 수 있게 되어 있다.

이 실리콘 단결정 인상 장치에 의하면, 인상한 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향(축 방향)의 길이 전역에 걸쳐서 일정한 비율로 감소하여, 산소 농도가 불안정하게 변동하는 영역이 생기는 일이 없다.

상기 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 일방적으로 자장 강도가 증가 또는 감소할 때의 자장 강도의 변동 범위는, 상기 자장 인가 수단에 의해 상기 챔버 내에 인가되는 자장의 최강 강도의 0.6배∼0.9배의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 불순물 농도의 불균일 분포를 억제할 수 있어, 산소 농도 및 도펀트 농도의 미소한 범위에서의 불균일을 방지할 수 있다.

상기 자장 인가 수단은, 상기 챔버를 둘러싸도록 대략 링 형상으로 형성되어 있어도 좋다. 구체적으로는, 도가니 측벽과 동심 형상의 원통면에, 축 대칭으로 하여 동일 높이로 2개 또는 3개 또는 4개의 링 형상 마그넷 코일을 접착한 형상으로 될 수 있다. 환언하면, 수직 방향의 축선을 갖는 제1 원통면과, 이 제1 원통보다도 작은 반경을 갖고 제1 원통의 축선과 교차하고, 또한 수평 방향의 축선을 갖는 제2 원통면과의 교선(交線)에 대응하는 코일 형상으로 될 수 있다. 또는, 축 대칭으로 배치되는 코일의 한쪽을 복수로 한 것 같은 형상으로 될 수 있다. 또는, 이들의 형상을 스페이스 절약적인 관점 등에서 다소 변경한 형상으로 할 수 있다. 이에 따라, 수평 자장 인가 수단을 구비한 실리콘 단결정 인상 장치의 소형, 경량화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

상기, 제1 형태의 실리콘 단결정 인상 장치에 있어서, 상기 자장 인가 수단은, 상기 도가니의 중심으로부터 대략 동심원 형상의 등자장선을 형성 가능하게 되고, 그리고 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 자장을 인가 가능하게 되어 있어도 좋다.

본 발명의 실리콘 단결정 인상 장치를 이용하면, 도가니에 저류된 실리콘 융액에 종(種)결정을 침지하고, 상기 종결정을 회전시키면서 인상하는 단결정 인상 방법(단결정 육성 방법)을,

상기 종결정의 인상에 수반하는 융액의 감소에 따라, 도가니를 상승시켜 융액면을 소정 위치로 유지하고, 상기 융액의 위치에서, 등자장선이 도가니의 중심축에 대하여 대략 동심원 형상(동심의 루프 형상)으로 되는 수평 자장을 인가하는 방법으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 실리콘 단결정 인상 장치를 이용하면, 도가니에 저류된 실리콘 융액에 종결정을 침지하고, 상기 종결정을 회전시키면서 인상하는 단결정 인상 방법(단결정 육성 방법)을,

상기 종결정의 인상에 수반하는 융액의 감소에 따라, 도가니를 상승시켜서 융액면을 소정 위치로 유지하고, 상기 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 수평 자장을 인가하는 방법으로 할 수 있다.

상기 방법에 있어서, 상기 융액의 위치에서, 등자장선이 대략 동심원 형상으로 되고, 상기 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 수평 자장을 인가해도 좋다.

본 발명의 단결정 인상 장치를 이용하는 상기 방법에 있어서, 상기 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 일방적으로 자장 강도가 증가 또는 감소할 때의 자장 강도의 변동 범위는, 단결정 인상 장치의 자장 인가 수단을 이용하여, 상기 챔버 내에 인가되는 자장의 최강 강도의 0.6배∼0.9배의 범위로 설정되면 좋다.

(발명의 효과)

본 발명의 실리콘 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정 인상 방법에 의하면, 실리콘 융액의 융액면으로부터 도가니의 저부를 향하는 전역에 있어서, 자장 강도를 단조(單調)로이 점차 증가, 또는 점차 감소시킴으로써, 인상된 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도는, 잉곳의 성장 방향의 길이 전역에 걸쳐서 일정한 비율로 감소하여, 불안정부(산소 농도가 불안정하게 변동하는 부위)가 생기는 일이 없다. 불안정부가 생기면, 실리콘 단결정 잉곳의 단면에 있어서의 산소 농도의 면 내 분포는, 미소한 범위에서 큰 흔들림을 나타낸다. 따라서, 이 불안정부로부터 채취한 실리콘 웨이퍼를 디바이스 제조에 이용한 경우, 디바이스 공정에 있어서 결정 결함의 밀도차에 따른 중금속 불순물의 게터링능 부족의 원인이 된다. 본 발명에 의해 불순물 농도의 불균일 분포를 억제할 수 있어, 산소 농도 및 도펀트 농도의 미소한 범위에서의 불균일을 방지하고, 도펀트 농도의 불균일에 의한 저항률의 불균일을 방지하고, 디바이스 공정에 있어서 디바이스 특성 및 수율을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.

도1 은 본 발명의 단결정 인상 장치의 개략을 나타내는 측면 단면도이다.

도2 는 도1 의 단결정 인상 장치의 상면 단면도이다.

도3A 는 도1 의 단결정 인상 장치의 자장 인가 수단에 있어서의, 코일의 배치의 일 예를 나타내는 도이다.

도3B 는 자장 인가 수단에 있어서의, 코일의 배치의 일 예를 나타내는 상면 단면도이다.

도4 는 도가니의 실리콘 융액에 인가되는 자장의 자력선과, 등자장선을 나타내는 설명도이다.

도5 는 본 발명의 실시 형태를 나타내는 설명도이다.

도6 은 본 발명의 다른 실시 형태를 나타내는 설명도이다.

도7 은 본 발명의 실시예를 나타내는 설명도이다.

도8 은 본 발명의 실시예를 나타내는 설명도이다.

도9 는 본 발명의 실시예를 나타내는 설명도이다.

도10 은 종래의 비교예를 나타내는 설명도이다.

도11A 는 본 발명과 비교예의 검증 결과를 나타내는 그래프이다.

도11B 는 비교예의 단결정의 불안정부의 단면에 있어서의, 산소 농도의 면 내 분포를 나타내는 도이다.

도12A 는 본 발명의 검증 결과를 나타내는 그래프로서, 단결정의 인상 길이와 도가니 표면의 자장 강도, 도가니 바닥의 자장 강도의 관련을 나타내고 있다.

도12B 는 본 발명의 검증 결과를 나타내는 그래프로서, 단결정의 인상 길이 와, 산소 농도의 관련을 나타낸다.

도12C 는 본 발명의 단결정의 단면에 있어서의, 산소 농도의 면 내 분포를 나타내는 도이다.

도13A 는 비교예의 검증 결과를 나타내는 그래프로서, 단결정의 인상 길이와 도가니 표면의 자장 강도, 도가니 바닥의 자장 강도의 관련을 나타내고 있다.

도13B 는 비교예의 검증 결과를 나타내는 그래프로서, 단결정의 인상 길이와 산소 농도의 관련을 나타낸다.

(발명의 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 본 발명의 단결정 인상 장치를 실리콘 단결정 인상 장치에 적용한 경우의 실시 형태를 설명한다. 도1 은 본 발명의 실리콘 단결정 인상 장치를 나타내는 측면 단면도이며, 도2 는 상부에서 봤을 때의 실리콘 단결정 인상 장치를 나타내는 상면 단면도이다. 실리콘 단결정 인상 장치(10)에는, 챔버(11)와, 상기 챔버(11) 내에 형성되어 실리콘 단결정의 실리콘 융액(12)을 저류하는 석영 도가니(13)와, 실리콘 단결정의 실리콘 융액(12)을 가열하는 측면 히터(41)와, 보온재(19)와, 도가니 구동 수단(17)과, 챔버(11)의 외측에 형성되어 챔버(11)에 수평 자장을 인가하는 자장 인가 수단(51)이 구비되어 있다.

챔버(11)는 바닥이 있는 원통 형상의 하부와, 이 하부로부터 상방을 향하여 오므라드는 천판부(天板部)와, 천판부의 중앙으로부터 상방을 향하여 오므라드는 천판부와, 천판부의 중앙으로부터 직립하는 원통 형상의 케이싱(21)을 갖는다. 케 이싱(21)은, 챔버(11)의 하부보다도 지름이 작다.

석영 도가니(13)는, 챔버(11)의 하부 내에 수용되어 있고, 상방이 개방된 대략 원통형의 몸체부(13b)와, 이 몸체부(13b)의 하방을 폐색하는 저부(13a)로 이루어진다. 석영 도가니(13)의 외면은 흑연 서셉터(도가니 지지체)(14)에 의해 지지되어 있다. 석영 도가니(13)의 하면은 흑연 서셉터(14)를 통하여 지지축(16)의 상단에 고정되고, 이 지지축(16)의 하부는 도가니 구동 수단(17)에 접속된다. 석영 도가니(13)의 몸체부(13b)의 외측 주위에 흑연 서셉터(14)를 사이에 두고 측면 히터(41)가 형성되어 있다.

측면 히터(41)는, 예를 들면 석영 도가니(13)를 둘러싸도록 원통형으로 형성되고, 석영 도가니(13)를 가열한다. 또한, 측면 히터(41)와 챔버(11)와의 사이에는 측면 히터(41)를 둘러싸는 원통 형상의 보온재(19)가 형성되어 있다.

자장 인가 수단(51)은, 링 형상의 케이스에, 적어도 2개의 마그넷 코일을 대향시킨 상태로 조입한, 스페이스 절약형의 수평 자장 마그넷이며, 실리콘 단결정 인상 장치(10)의 챔버(11)의 하부를 둘러싸도록 설치되어 있다. 도3A, 도3B 에 자장 인가 수단(51)에 있어서의, 코일의 배치의 예를 나타낸다. 도3B 는 코일(52)의 배치와, 챔버(11)의 관계를 나타내는 상면 단면도이며, 도3A 는 한쪽의 코일의 측에서 본 측면도이다. 예를 들면, 자장 인가 수단(51)은, 도3A, 도3B 의 예와 같이, 한 쌍의 코일(52)을 축 대칭으로 배치하여 비(非)자성체 제조의 링 형상의 케이스에 조입한 것이어도 좋다. 각각의 코일은, 반원호를 따라 변형하여 케이스에 수납되어 있다. 각 코일은, 장원형, 장방형, 타원형 등의 형상으로 변형한 후, 장 축을 케이스의 원호를 따라 변형하여, 케이스 내에서 대향 배치하도록 조입된다. 이러한 자장 인가 수단(51)은, 측면 히터(41), 보온재(19), 챔버(11)를 통하여 도가니(13)에 저류된 실리콘 융액(12)에 수평 자장(L)을 인가한다. 이러한 자장 인가의 상세는 나중에 서술한다.

도가니 구동 수단(17)은, 도가니(13)를 회전시키는 제1 회전용 모터(도시 생략)와, 도가니(13)를 승강(昇降)시키는 승강용 모터(도시 생략)를 갖고, 이들 모터에 의해, 도가니(13)가 소정의 방향으로 회전할 수 있음과 아울러, 상하 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 도가니 구동 수단은, 종결정(24)의 인상과 함께 저하하는 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)을 전술한 소정 위치로 유지하기 위해, 실리콘 융액(12)의 감소량에 따라 승강용 모터에 의해 도가니(13)를 승강시키도록 구성되어 있다.

챔버(11)의 상면에는 챔버(11)의 하부보다 소경인 원통 형상의 케이싱(21)이 형성되어 있다. 이 케이싱(21)의 상단부에는 수평 상태로 선회 가능하게 인상 헤드(22)가 형성되고, 헤드(22)로부터는 와이어 케이블(23)이 석영 도가니(13)의 회전 중심을 향하여 늘어진다.

도시하지 않지만, 헤드(22)에는 헤드(22)를 회전시키는 제2 회전용 모터와, 와이어 케이블(23)을 권취 또는 풀어내는 인상용 모터가 내장된다. 와이어 케이블(23)의 하단에는 실리콘 융액(12)에 담구어 실리콘 단결정 잉곳(25)을 인상하기 위한 종결정(24)이 홀더(23a)를 통하여 부착된다.

챔버(11)에는 이 챔버(11)의 상부로부터 Ar 가스와 같은 불활성 가스를 공급 하고, 그리고 상기 불활성 가스를 챔버(11)의 하부로부터 배출하는 가스 급배 수단(28)이 접속되어 있다. 가스 급배 수단(28)은, 일단(一端)이 케이싱(21)의 주벽(周壁)에 접속되고, 타단(他端)이 도시하지 않은 불활성 가스의 탱크에 접속된 공급 파이프(29)와, 일단이 챔버(11)의 하벽에 접속되고, 타단이 진공 펌프(도시 안함)에 접속된 배출 파이프(30)를 갖는다. 공급 파이프(29) 및 배출 파이프(30)에는 이들의 파이프(29, 30)를 흐르는 불활성 가스의 유량을 조정하는 제1 및 제2 유량 조정 밸브(31, 32)가 각각 형성되어 있다.

다음으로, 이러한 구성의 실리콘 단결정 인상 장치(10)에 있어서의 실리콘 단결정의 인상 순서와, 본 발명의 작용을 설명한다. 본 실시 형태의 실리콘 단결정 인상 장치(10)를 이용하여 실리콘 단결정을 인상함에 있어서는, 우선, 원료가 되는 다결정 실리콘 덩어리를 도가니(13)에 넣고, 측면 히터(41)에 의해 융해하여 실리콘 융액(12)을 형성한다. 그리고, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)의 바로 위에 종결정(24)을 홀더(23a)를 통하여 와이어 케이블(23)에 매단다.

다음으로, 제1 및 제2 유량 조정 밸브(31, 32)를 열음으로써, 공급 파이프(29)로부터 불활성 가스를 케이싱(21) 내로 공급하여 실리콘 융액(12)의 표면으로부터 증발한 SiOx 가스를 이 불활성 가스와 함께 배출 파이프(30)로부터 배출시킨다. 이 상태에서, 인상 헤드(22)의 도시하지 않은 인상용 모터에 의해 와이어 케이블(23)을 풀어서 종결정(24)을 강하시켜, 종결정(24)의 선단부를 융액(12)에 접촉시킨다.

종결정(24)의 선단부를 실리콘 융액(12)에 접촉시키면, 열응력에 의해 이 선 단부에 슬립 전위(dislocation)가 도입되기 때문에, 그 후, 종결정(24)을 서서히 인상하여 직경이 약 3㎜의 시드 네킹(seed necking)부(25a)를 형성한다. 시드 네킹부(25a)를 형성함으로써, 종결정(24)에 도입된 전위는 소멸한다. 그 후, 추가로 종결정(24)을 인상함으로써 시드 네킹부(25a)의 하부에 무전위의 실리콘 단결정 잉곳(25)을 육성시킨다.

이와 같이 실리콘 단결정 잉곳(25)을 육성할 때에는, 실리콘 융액(12)은 측면 히터(41)에 의해 가열되어 있고, 자장 인가 수단(51)에 의해 자장이 인가되어 있다. 이때, 상기 승강용 모터는, 종결정(24)의 인상과 함께 감소하는 융액(12)의 양에 따라 도가니(13)를 승강시켜, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)을 소정 위치로 유지한다.

본 실시 형태의 실리콘 단결정 인상 장치에서는, 챔버(11)의 외측에 둥근 고리 형상으로 형성된 자장 인가 수단(51)에 의해, 실리콘 융액(12)에 인가되는 수평 자장이 형성된다. 자장 인가 수단(51)은, 챔버(11)를 둘러싸는 링 형상의 케이스에 마그넷 코일을 조입한, 수평 자장 마그넷이며, 이러한 형상의 자장 인가 수단(51)에 의해, 도가니(13) 내의 실리콘 융액(12)에 인가되는 자장은, 루프 형상의 등(等)자장선을 형성한다.

도4 는, 자장 인가 수단(51)에 의해, 도가니(13) 내에 형성되는 자장의 분포를 등자장선 등으로 나타낸 것이다. 자장 인가 수단(51)은, 링 형상의 케이스에 마그넷 코일을 조입한, 수평 자장 마그넷이다. 도 중, 실선(R)으로 표시된 것이 도가니이며, 가는 화살표는, 각각의 위치에 있어서의 자력선의 방향을 나타낸다. 또한, 도가니의 중심 부근에는 인상한 단결정 잉곳(S)이 표시된다. 그리고, 도가니를 둘러싸도록 등자장선(M)이 표시된다. 도4 에 나타나는 바와 같이, 도가니에는 자장 인가 수단(51)에 의해 인가되는 수평 자장에 의해 대략 동심원 형상(동심의 루프 형상)으로 등자장선이 형성된다.

한편, 자장 인가 수단(51)은, 도가니(13)에 저류된 실리콘 융액(12)의 융액면으로부터 상기 도가니의 저면을 향하여, 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 수평 자장을 인가한다. 도5 는, 이러한 자장 강도와 도가니에 저류된 실리콘 융액과의 관계를 나타낸 설명도이다. 도5 에 의하면, 자장 인가 수단(51)은, 인상 방향(Z)에 대하여 자장 강도(By)가 가장 높은 위치를 중심(O)으로 하여, 이 중심(O)으로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시킨다. 그리고, 이 자장 강도(By)가 가장 높은 중심(O)에 맞춰서 도가니(13)의 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)이 위치하도록 설정한다.

이와 같이 자장 강도의 분포와 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)의 위치를 설정함으로써, 실리콘 융액(12)에는 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자장 인가 수단(51)으로부터 수평 자장이 인가되게 된다. 이러한 자장 강도의 점차 감소 비율은, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a) 위치에 가해지는 자장의 자장 강도(By)를 1이라고 하면, 도가니(13)의 저부(13a) 위치(실리콘 융액(12) 중, 융액면(12a) 위치로부터 가장 떨어진 하측이 되는 위치)에 가해지는 자장 강도(By)가 0.6∼0.9가 되도록(즉, 최강 자장 강도의 0.6배∼0.9배) 설정되면 좋다.

이상, 설명한 바와 같이, 자장 인가 수단(51)으로서 링 형상의 케이스에 마그넷 코일을 조입한 수평 자장 마그넷을 이용하여, 실리콘 융액의 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여 자장 강도가 점차 감소하도록, 자장 인가 수단(51)으로부터 수평 자장을 인가함으로써, 도4 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 융액(12)에는 동심(同心) 형상의 등자장선이 형성됨과 아울러, 자장 강도 분포와 자장 설정 위치에 관계하는, 실리콘 융액 중의 불안정한 영역의 발생이 방지된다. 실리콘 융액의 불안정한 영역의 발생을 해소함으로써, 실리콘 단결정 내에서 불순물 농도가 불안정하게 변동하는 불균일 분포의 발생을 방지하여, 실리콘 단결정의 성장 방향에 있어서의 불순물 분포의 균일화, 또는 단조화(單調化)를 달성하는 것이 가능해진다.

또한, 링 형상의 케이스에 마그넷 코일을 조입한 수평 자장 마그넷을 자장 인가 수단(51)으로서 이용함으로써, 종래의 헬름홀츠형의 마그넷을 이용한 경우와 비교하여, 자장 인가 수단을 갖는 실리콘 단결정 인상 장치의 사이즈를 대폭으로 소형, 경량화하는 것이 가능해진다.

도가니(13)의 실리콘 융액(12)에 인가되는 자장은, 도5 에 나타낸 바와 같은 도가니의 융액면으로부터 도가니의 저면을 향하여, 자장 강도가 일방적으로 감소하게 되는 배분으로 하는 것 외에도, 도가니의 융액면으로부터 도가니의 저면을 향하여, 자장 강도가 일방적으로 증가하도록 수평 자장을 인가해도 좋다. 도6 에 의하면, 자장 인가 수단(51)은 인상 방향(Z)에 대하여 도가니(13)의 저부(13a)의 자장 강도(By)를 가장 높게 하고, 이 도가니(13)의 저부(13a)로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시킨다.

이와 같이 자장 강도의 분포와 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)의 위치를 설정함으로써, 자장 인가 수단(51)으로부터, 도가니(13)의 저부(13a)로부터 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)을 향하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 수평 자장이 인가되게 된다. 이러한 자장 강도의 점차 감소 비율은, 도가니(13)의 저부(13a) 위치에 가해지는 자장의 자장 강도를 1이라고 하면, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a) 위치에 가해지는 자장 강도(By)가 0.6∼0.9가 되도록(즉, 최강 자장 강도의 0.6배∼0.9배) 설정되면 좋다. 실리콘 융액(12)에 대한 자장 강도의 분포를 이와 같이 설정함으로써, 실리콘 단결정 내에서 불순물 농도가 불안정하게 변동하는 불균일 분포의 발생을 방지하여, 실리콘 단결정의 성장 방향에 있어서의 불순물 분포의 균일화, 또는 단조화를 달성하는 것이 가능해진다.

(실시예)

본 출원인은, 본 발명의 작용 및 효과를 검증했다. 검증에 있어서는, 직경 24인치의 석영 도가니를 준비하고, 이 석영 도가니에, 원료로서, 160kg의 다결정 실리콘을 내장했다. 그리고, 히터에 의해, 원료를 내장한 석영 도가니를 가열하여, 실리콘 융액을 형성하고, 직경 200㎜의 실리콘 단결정 잉곳을 인상했다. 인상에 있어서, 석영 도가니 내의 실리콘 융액에, 실리콘 단결정 인상 장치의 챔버를 둘러싸도록 설치된 링 형상의 케이스에 마그넷 코일을 변형시켜 조입한 스페이스 절약형의 수평 자장 마그넷(자장 인가 수단)을 이용하여, 수평 자장을 인가했다.

실리콘 융액에 수평 자장을 인가함에 있어서, 본 발명예로서, 3개의 실시예를 준비했다.

제1 실시예로서는, 도7 에 나타내는 바와 같이, 자장 인가 수단(51)은 인상 방향(Z)에 대하여, 자장 강도(By)가 가장 높은 위치를 중심(O)으로 하고, 이 중심(O)으로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시켰다. 그리고, 이 자장 강도(By)가 가장 높은 중심(O)에 맞춰서 도가니(13)의 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)이 위치하도록 설정하고, 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 실리콘 융액(12)에 수평 자장을 인가하여 실리콘 단결정 잉곳을 인상했다(샘플 1). 또한, 여기서 자장 강도(By)란, 도가니의 축선 상에 있어서의 자장 강도의 Y성분(인상축에 수직이며, 수평 자장의 자력선에 평행한 성분)을 나타낸다.

본 발명의 제2 실시예로서는, 도8 에 나타내는 바와 같이, 자장 인가 수단(51)은 인상 방향(Z)에 대하여, 자장 강도(By)가 가장 높은 위치를 중심(O)으로 하고, 이 중심(O)으로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시켰다. 그리고, 이 자장 강도(By)가 가장 높은 중심(O)보다도 거리(a)만큼 하측으로 도가니(13)의 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)이 위치하도록 설정하고, 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 실리콘 융액(12)에 수평 자장을 인가하여 실리콘 단결정 잉곳을 인상했다(샘플 2).

본 발명의 제3 실시예로서는, 도9 에 나타내는 바와 같이, 자장 인가 수 단(51)은 인상 방향(Z)에 대하여 도가니(13)의 저부(13a)의 자장 강도(By)를 가장 높게 하고, 이 도가니(13)의 저부(13a)로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시켰다. 이에 따라 도가니(13)의 저부(13a)로부터 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)을 향하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 실리콘 융액(12)에 수평 자장을 인가하여 실리콘 단결정 잉곳을 인상했다(샘플 3).

또한, 본 발명과 대비시키는 비교예(종래예)로서, 도10 에 나타내는 바와 같이, 자장 인가 수단(61)은 인상 방향(Z)에 대하여, 자장 강도(By)가 가장 높은 위치를 중심(O)으로 하고, 이 중심(O)으로부터 상하 방향으로 각각 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 자계를 발생시켰다. 그리고, 이 자장 강도(By)가 가장 높은 중심(O)을 도가니(13)의 실리콘 융액(12)의 중간 정도에 위치하도록 설정했다. 이에 따라, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)(z=0 위치)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여, 융액의 중간 정도까지 자장 강도(By)가 점차 증가하고, 그 중간 정도를 지나면 일전(一轉)하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 실리콘 융액(12)에 수평 자장을 인가하여 실리콘 단결정 잉곳을 인상했다(샘플 4).

이상, 설명한 본 발명의 실시예 1∼3(샘플 1∼3)과, 비교예(종래예: 샘플 4)에 의해 인상된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)와 산소 농도(Oi)와의 관계를 도11A 에 나타낸다.

도11A 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하는 전역에 있어서, 자장 강도(By)를 단조로이 점차 증가, 또는 점차 감소시킨 상태를 인상 길이의 전장(全長)에 걸쳐서 유지한 경우에 는, 인상한 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도(Oi)는, 길이(XL)의 전역에 걸쳐서 일정한 비율로 감소하고, 불안정한 영역은 보이지 않는다. 한편, 실리콘 융액(12)의 융액면(12a)으로부터 도가니(13)의 저부(13a)를 향하여, 융액의 중간 정도까지 자장 강도(By)가 점차 증가하고, 이 중간 정도를 지나면 일전하여 자장 강도(By)가 점차 감소하도록 실리콘 융액(12)에 수평 자장을 인가한 경우에는, 이 자장 강도(By)가 점차 증가에서 점차 감소로 바뀌는 부근에 있어서, 불안정부가 생긴다.

이러한 불안정부에서는 실리콘 융액 대류가 불안정하기 때문에, 도11B 에 2개의 예를 실선 및 파선으로 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 단면(성장 방향에 수직인 단면)에 있어서의 산소 농도(Oi)의 면 내 분포가 미소한 범위에서 크게 흔들리고 있다. 이와 같이 산소 농도의 면 내 분포가 크게 흔들리면, 디바이스 공정에 있어서, 결정 결함의 밀도차에 의한 중금속 불순물의 게터링 부족의 원인이 되어, 디바이스의 특성 및 수율을 저하시켜 악영향을 미칠 가능성이 있다. 본 발명에 의해 불순물 농도가 불균일하게 분포하는 것을 억제할 수 있어, 산소 농도 및 도펀트 농도가 미소한 범위에서 불균일해지는 것을 방지하고, 디바이스 공정에 있어서 디바이스 특성 및 수율을 양호하게 유지할 수 있다.

도12A 는, 전술한 실시예에서의 샘플 1 및 2에 있어서의, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)와, 실리콘 융액 표면의 자장 강도 및 도가니 저부의 자장 강도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프에 의하면, 실리콘 융액 표면의 자장 강도는 샘플 1 및 2 모두 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)의 전역에 걸쳐서 일정하며, 또한, 도가니 저부의 자장 강도는, 실리콘 융액 표면의 자장 강도보다도 낮은 범위에서 완만히 점차 증가하고 있다.

이러한 자장 강도의 분포에 따라, 도12B 에 나타내는 바와 같이, 샘플 1 및 2의 쌍방에서 실리콘 단결정 잉곳의 산소 농도(Oi)는, 길이(XL)의 전역에 걸쳐서 일정한 비율로 감소한다. 이에 따라, 도12C 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 단면에 있어서의 산소 농도(Oi)의 면 내 분포는 흔들리는 일이 없이, 안정된 분포를 나타낸다.

도13A 는, 전술한 비교예(종래예)에서의 샘플 4에 있어서의, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)와, 실리콘 융액 표면의 자장 강도 및 도가니 저부의 자장 강도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프에 의하면, 실리콘 융액 표면의 자장 강도는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)의 전역에 걸쳐서 일정한 것에 대하여, 도가니 저부의 자장 강도는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향의 길이(XL)의 중간 정도를 지난 부근에서 실리콘 융액 표면의 자장 강도를 상회하고, 또한 그 후 감소로 바뀌고 있다.

이러한 자장 강도의 분포가 되면, 융액 대류의 변동이 생겨 도13B 에 나타내는 바와 같이 불안정부가 생겨 버리고, 결과적으로, 도11B 에 나타내는 바와 같이, 산소 농도의 면 내 분포가 크게 흔들려, 결정 겸함의 밀도차에 의한 중금속 불순물의 게터링 부족의 원인이 된다.

이상과 같은 검증 결과로부터, 본 발명에 따라, 실리콘 융액에 평면적으로는 대략 동심원 형상의 등자장선을 형성하고, 그리고 높이 방향으로는 자장 강도가 단일적(단조적)으로 증가 또는 감소하는 자장을 인가하고, 이 자장 상태를 인상 길이 의 전장에 걸쳐서 유지하면서 단결정을 인상함으로써, 결정 내에서의 불순물 농도 분포의 흔들림을 억제할 수 있는 것이 확인됐다. 이에 따라, 본 발명에 의하면, 산소 농도 및 도펀트 농도의 미소한 범위에서의 불균일을 방지하여, 산소 농도 및 저항률의 면 내 및 축 방향의 불균일 분포의 발생을 저감하고, 디바이스 공정에 있어서 디바이스 특성 및 수율을 양호하게 유지할 수 있는 것이 확인됐다.

본 발명에 의하면, 실리콘 단결정 인상 시에 실리콘 융액의 불안정한 대류를 억제하여, 실리콘 단결정의 산소 농도 및 도펀트 농도의 미소한 범위에서의 불균일을 방지할 수 있다. 이러한 실리콘 단결정으로부터 얻어진 실리콘 웨이퍼를 디바이스 제조에 이용하면, 게터링능의 불균일, 저항치의 면 내 분포의 불균일 등을 방지할 수 있어, 디바이스 공정에 있어서 디바이스 특성 및 수율을 양호하게 유지할 수 있다.

Claims (6)

1. 실리콘 단결정 인상 장치로서, 실리콘 융액을 저류(貯溜)하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 도가니를 회전, 또는 승강(昇降), 또는 회전 및 승강시키는 도가니 구동 수단과, 상기 도가니 및 히터를 수용하는 챔버와, 상기 챔버의 외측에 형성되어 상기 챔버에 자장(磁場)을 인가하는 자장 인가 수단을 갖고,

   상기 자장 인가 수단은, 링 형상의 케이스에 적어도 2개의 마그넷 코일을, 케이스의 원호를 따라 변형시켜, 대향시킨 상태로 조입한, 수평 자장 마그넷으로서, 상기 챔버의 외주면을 따라, 상기 챔버를 둘러싸도록 대략 링 형상으로 형성되고, 상기 도가니의 중심축에 대하여 대략 동심원 형상의 등자장선(等磁場線)을 형성할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 자장 인가 수단은, 또한 상기 챔버의 외주면을 따르도록 형성되고, 상기 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 자장 강도가 일방적으로 증가하거나, 또는 자장 강도가 일방적으로 감소하도록 자장을 인가할 수 있게 되는 실리콘 단결정 인상 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 도가니에 저류된 실리콘 융액의 융액면으로부터 상기 도가니의 저부를 향하여 일방적으로 자장 강도가 증가 또는 감소할 때의 자장 강도의 변동 범위는, 상기 자장 인가 수단에 의해 상기 챔버 내에 인가되는 자장의 최강 강도의 0.6배∼0.9배의 범위로 설정되는 실리콘 단결정 인상 장치.
5. 삭제
6. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자장 인가 수단은 2개의 코일을 축 대칭으로 배치하여 링 형상의 케이스에 조입한 수평 자장 마그넷인 실리콘 단결정 인상 장치.

Images