KR101002134B1 - Method for manufacturing semiconductor single crystal using Czochralski method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쵸크랄스키(Czochralski; CZ)법을 이용한 반도체 단결정 제조방법으로서, 커스프 자기장을 석영 도가니에 인가한 상태에서 반도체 단결정을 성장시키되, 단결정의 길이별 비저항 감소 기울기가 도판트의 평형편석계수에 근거한비저항 감소 기울기와 동일하게 되는 임계 길이를 기준으로 임계 길이 이전보다 임계 길이 이후에 단결정 회전속도를 크게 유지하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a method for manufacturing a semiconductor single crystal using the Czochralski (CZ) method, wherein the semiconductor single crystal is grown while a cusp magnetic field is applied to a quartz crucible, but the slope of the resistivity decrease by length of the single crystal is the equilibrium of the dopant. It is characterized in that the single crystal rotation speed is maintained larger after the threshold length than before the threshold length on the basis of the threshold length equal to the specific resistance reduction slope based on the stone coefficient.
본 발명에 따르면, CZ법을 이용한 반도체 단결정의 성장 시 단결정의 길이에 따라 비저항 편차를 감소시킴과 동시에 무결함 인상속도의 공정 마진과 무결함 인상속도를 동시에 증가시켜 반도체 단결정의 결정 품질을 용이하게 제어할 수 있고 단결정의 생산성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, when the semiconductor single crystal is grown by the CZ method, the specific resistance variation is reduced according to the length of the single crystal, and at the same time, the process margin of the defect free pulling speed and the defect free pulling speed are simultaneously increased to facilitate the crystal quality of the semiconductor single crystal. It can control and improve the productivity of single crystal.
쵸크랄스키, 유효편석계수, 자기장, 비저항 프로파일, 단결정 회전속도 Czochralski, Effective Segregation Coefficient, Magnetic Field, Resistivity Profile, Single Crystal Rotational Speed
Description
본 발명은 반도체 단결정 제조 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(Czochralski: CZ라 약칭함)법에 의한 단결정 성장 시 단결정에 자기장을 인가하는 것과 동시에 단결정의 회전속도를 제어함으로써, 단결정의 길이 방향을 따라 비저항 편차를 감소시킴과 동시에 무결함 인상속도에 대한 공정 마진을 확장시킬 수 있는 반도체 단결정 제조 방법에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 단결정은 CZ법에 의해 제조된다. CZ법은 다결정 실리콘을 석영 도가니에 투입하여 1400℃ 이상에서 용융시킨 후 종자결정을 용융된 실리콘 융액(melt)에 담갔다가 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법이다. 이에 대한 상세한 설명은 S.wolf와 R.N. Tauber씨의 논문 'Silicon Processing for the VLSI Era', volume 1, LatticePress (1986), Sunset Beach, CA에 잘 기재되어 있다.In general, silicon single crystals used as materials for producing electronic components such as semiconductors are manufactured by the CZ method. In the CZ method, polycrystalline silicon is introduced into a quartz crucible and melted at 1400 ° C. or higher, and the seed crystal is immersed in the molten silicon melt, and the crystal is grown while slowly pulling it. For a detailed description, see S.wolf and R.N. Tauber's paper is well described in Silicon Processing for the VLSI Era,
일반적으로, 실리콘 융액 내에 고르게 분포되어 있는 도판트들은 고체상과 용융상에서 서로 다른 평형농도를 가진다. 따라서 용융상의 도판트 농도와 성장 중 에 있는 결정 내의 도판트 농도의 비를 유효편석계수(Effective segregation coefficient)라고 정의하며, 원소의 종류에 따라 각 도판트는 고유의 유효편석계수를 가지고있다. 이론적으로 볼 때 유효편석계수가 1이면 실리콘 융액 내의 도판트 농도와 실리콘 단결정 내의 도판트 농도는 동일하다. 그런데 실리콘 단결정 성장시 사용되는 도판트들(B, P)은 유효편석계수가 1보다 작은 값을 가지며, 유효편석계수가 1보다 작게 되면 실리콘 융액 내의 도판트 농도가 실리콘 단결정 내의 도판트 농도보다 높게 된다. 이러한 이유로 실리콘 단결정의 윗 부분보다 아래 부분의 도판트 농도가 높게 나타나는 경향이 있다. 실리콘 단결정의 비저항 특성은 단결정 내에 도입되는 도판트 농도에 의해 영향을 받는데, 유효편석계수가 1보다 작은 도판트를 사용하면 실리콘 단결정은 결정의 길이 방향에 따라 비저항 특성이 변하게 된다. 예를 들어 실리콘 단결정 성장시 보론을 도판트로 사용하면 결정의 길이 방향을 따라 비저항이 점차 감소하는 경향을 보인다. In general, dopants evenly distributed in the silicon melt have different equilibrium concentrations in the solid and melt phases. Therefore, the ratio of the dopant concentration in the molten phase to the dopant concentration in the growing crystal is defined as an effective segregation coefficient, and each dopant has its own effective segregation coefficient according to the type of element. Theoretically, when the effective segregation coefficient is 1, the dopant concentration in the silicon melt and the dopant concentration in the silicon single crystal are the same. However, the dopants B and P used in silicon single crystal growth have an effective segregation coefficient of less than 1, and when the effective segregation coefficient is smaller than 1, the dopant concentration in the silicon melt is higher than the dopant concentration in the silicon single crystal. do. For this reason, the dopant concentration of the lower portion than the upper portion of the silicon single crystal tends to be higher. The resistivity of silicon single crystals is influenced by the dopant concentration introduced into the single crystal. When the dopant having an effective segregation coefficient of less than 1 is used, the silicon single crystal changes its resistivity along the crystal length direction. For example, when boron is used as a dopant in silicon single crystal growth, the resistivity tends to decrease gradually along the length of the crystal.
대한민국특허 공개번호 10-2006-0117486는 200G(gauss) 이상의 자기장을 석영 도가니에 인가한 상태에서 실리콘 단결정 회전속도를 5 rpm 이하로 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시킴으로써, 실리콘 융액의 대류를 제어하여 도판트의 유효편석계수를 향상시킬 수 있고 그 결과 잉곳의 길이 방향으로 나타나는 비저항의 편차를 감소시킬 수 있음을 개시하고 있다. 이러한 유효편석계수 제어 기술에서 실리콘 단결정의 회전속도를 5 rpm 이하로 유지시키는 이유는 실리콘 단결정의 회전속도가 높아지면 강제 대류가 강해지고, 그 결과 실리콘 융액의 유체속도가 증가하여 유효편석계수를 증가시킬 수 없기 때문이다.Korean Patent Publication No. 10-2006-0117486 discloses a dopant by controlling the convection of a silicon melt by growing a silicon single crystal while maintaining a silicon single crystal rotation speed of 5 rpm or less while a magnetic field of 200 G (gauss) or more is applied to a quartz crucible. It is disclosed that the effective segregation coefficient of can be improved, and as a result, the variation in specific resistance which appears in the longitudinal direction of the ingot can be reduced. In this effective segregation coefficient control technology, the reason that the rotational speed of the silicon single crystal is kept below 5 rpm is that the forced velocity of the silicon single crystal increases, and consequently, the fluid velocity of the silicon melt increases, resulting in the effective segregation coefficient. Because it cannot be increased.
그런데 상기 선행기술은 실리콘 단결정의 비저항을 제외한 나머지 결정 품질의 향상이나 단결정의 생산성 향상에 대해서는 별도로 언급을 하고 있지 않다. 상기 선행기술에 의해 실리콘 단결정을 성장시키면 단결정의 길이 방향에 따라 비저항 편차를 감소시켜 제품화 가능한 단결정의 길이(prime 길이)를 증가시킬 수는 있지만, 단결정의 무결함 품질에 대해서는 신뢰성을 보장할 수 없고 단결정의 생산성이 저하된다는 한계도 있다. 단결정의 회전속도를 5rpm 이하로 유지하면 단결정 성장이 이루어지는 고액 계면 근처에서 강제 대류(forced convection)가 약화되어 무결함 인상속도가 낮아질 뿐만 아니라 무결함 인상속도의 공정 마진이 축소되기 때문이다. 무결함 인상속도의 공정마진이 축소되면 단결정의 무결함 품질을 제어하기가 어려워져 단결정의 품질 불량 증가로 실제 상업적인 생산성 확보가 어려워진다.However, the prior art does not specifically mention the improvement of the crystal quality or the productivity of the single crystal except for the specific resistance of the silicon single crystal. The growth of silicon single crystals according to the prior art can reduce the resistivity variation along the length direction of the single crystal, thereby increasing the length of the commercially available single crystal (prime length), but it cannot guarantee the reliability of the defect quality of the single crystal. There is also a limit that the productivity of the single crystal is lowered. If the rotation speed of the single crystal is kept below 5 rpm, forced convection is weakened near the solid-liquid interface where single crystal growth takes place, thereby reducing the defect free pulling speed and reducing the process margin of the defect free pulling speed. If the process margin at the zero defect rate is reduced, it is difficult to control the defect quality of the single crystal, which makes it difficult to secure commercial productivity due to the increase in the quality of the single crystal.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, CZ법에 의한 반도체 단결정 성장 시 단결정의 길이 방향으로 비저항 편차를 저감시키는 것과 동시에 무결함 인상속도 마진을 확장하고 무결함 인상속도를 증가시켜 단결정의 무결함 품질에 대한 용이한 제어가 가능하고 반도체 단결정의 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 단결정 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and while reducing the specific resistance variation in the longitudinal direction of the single crystal during the growth of the semiconductor single crystal by the CZ method, while expanding the defect free pulling speed margin and increasing the defect free pulling speed It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor single crystal capable of easily controlling the defect quality of the single crystal and improving the productivity of the semiconductor single crystal.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 방법은, 도가니에 수용된 반도체 원료 물질과 도판트 물질의 융액에 종자결정을 담근 후 종자결정을 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 반도체 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법으로서, 커스프 자기장을 상기 도가니에 인가한 상태에서 반도체 단결정을 성장시키되, 단결정의 길이별 비저항 감소 기울기가 도판트의 평형편석계수에 근거한비저항 감소 기울기와 동일하게 되는 임계 길이를 기준으로 임계 길이 이전보다 임계 길이 이후에 단결정 회전속도를 크게 유지하는 것을 특징으로 한다.In the semiconductor single crystal manufacturing method according to the present invention for achieving the above technical problem, the seed crystals are immersed in the melt of the semiconductor raw material and the dopant material contained in the crucible and then gradually raised to the top while rotating the seed crystals to grow the semiconductor single crystal A method for manufacturing a semiconductor single crystal using the Czochralski method, wherein a semiconductor single crystal is grown while a cusp magnetic field is applied to the crucible, and the specific resistance reduction slope for each length of the single crystal is compared with the slope of the specific resistance reduction based on the dopant equilibrium segregation coefficient. It is characterized in that the single crystal rotation speed is maintained larger after the threshold length than before the threshold length on the basis of the threshold length being the same.
바람직하게, 상기 임계 길이를 Le라 할 때, 단결정이 0 mm에서 Le mm가 될 때까지는 단결정의 회전속도를 제1속도로 유지하고, Le mm부터 제1속도에서 단계적으로 또는 서서히 제 2속도로 증가시킨 후, 단결정 길이 끝까지 제2속도를 유지한다. Preferably, when the critical length is Le, the rotational speed of the single crystal is maintained at the first speed until the single crystal becomes 0 mm to Le mm, and gradually or gradually at the first speed from Le mm to the second speed. After increasing, the second speed is maintained until the end of the single crystal length.
바람직하게, 상기 제1속도는 1 ~ 5rpm이고, 상기 제2속도는 13~20rpm이다.Preferably, the first speed is 1 ~ 5rpm, the second speed is 13 ~ 20rpm.
본 발명에 있어서, 상기 커스프 자기장은 200G 이상의 세기를 갖는 자기장인 것이 바람직하다.In the present invention, the cusp magnetic field is preferably a magnetic field having an intensity of 200G or more.
본 발명에 따르면, CZ법을 이용한 반도체 단결정의 성장 시 단결정의 길이에 따라 비저항 편차를 감소시킴과 동시에 무결함 인상속도의 공정 마진과 무결함 인상속도를 동시에 증가시켜 반도체 단결정의 결정 품질을 용이하게 제어할 수 있고 단결정의 생산성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, when the semiconductor single crystal is grown by the CZ method, the specific resistance variation is reduced according to the length of the single crystal, and at the same time, the process margin of the defect free pulling speed and the defect free pulling speed are simultaneously increased to facilitate the crystal quality of the semiconductor single crystal. It can control and improve the productivity of single crystal.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 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.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention; Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
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 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조 방법의 실시를 위해 사용되는 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus used for carrying out a method for manufacturing a semiconductor single crystal according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 상기 반도체 단결정 제조 장치는, 다결정 실리콘과 도판트가 고온으로 용융된 실리콘 융액(SM)이 수용되는 석영 도가니(10); 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 석영 도가니(10)의 외주면을 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(20); 상기 도가니 하우징(20) 하단에 설치되어 하우징(20)과함께 석영 도가니(10)를 회전시키는 도가니 회전수단(30); 상기 도가니 하우징(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 석영 도가니(10)를 가열하는 가열수단(40); 상기 가열수단(40)의 외곽에 설치되어 가열수단(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 종자결정을 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 단결정(C)을 인상하는 단결정 인상수단(60); 및 단 결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정(C)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정(C)으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70);을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 CZ법을 이용한 반도체 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Referring to FIG. 2, the semiconductor single crystal manufacturing apparatus includes a
본 발명에서 사용하는 반도체 단결정 제조 장치는 상술한 구성요소에 더하여 석영 도가니(10)에자기장을 인가하는 자기장 인가수단(80a, 80b: 이하, 80으로 통칭함)을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 석영 도가니(10) 내에 수용된 고온의 반도체 융액(SM)에 커스프(CUSP) 타입의 자기장(Gupper, Glower: 이하, G라고 통칭함)을 인가한다. 여기서, 커스프 형태의 자기장(G)이란 상하 방향이 반대인 두 개의 수직 방향의 자기장으로 구성된 형태의 자기장을 말한다. 바람직하게, 상기 커스프 자기장(G)은 비대칭 자기장 또는 대칭 자기장이다.In addition to the above-described components, the semiconductor single crystal manufacturing apparatus used in the present invention further includes magnetic field applying means (80a, 80b, hereinafter referred to as 80) for applying a magnetic field to the
상기 비대칭 자기장은 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기장(Gupper) 세기보다 하부의 자기장(Glower) 세기가 더 큰 자기장이다. 대안적으로, 상기 비대칭 자기장은 하부의 자기장(Glower) 세기보다 상부의 자기장(Gupper) 세기가 더 큰 자기장이다. 도면에는 상부의 자기장(Gupper) 세기보다 하부의 자기장(Glower) 세기가 더 경우의 ZGP가 도시되어 있다. 이런 경우 상기 ZGP(90)는 도시된 바와 같이 대략 상부 측으로 볼록한 형태를 갖는다. 상기 대칭 자기장은 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기 장(Gupper) 세기와 하부의 자기장(Glower) 세기가 같은 자기장이다.The asymmetric magnetic field is a magnetic field having a higher G lower intensity than a G upper intensity based on ZGP (Zero Gauss Plane 90) in which the vertical component of the magnetic field is zero. Alternatively, the asymmetric magnetic field is a magnetic field with a higher G upper intensity than the lower G field intensity. Figure has a magnetic field of the lower portion (lower G) than the magnetic field strength of the top (upper G) intensity is shown a more ZGP cases. In this case, the ZGP 90 has a convex shape on the upper side as shown. The symmetric magnetic field is a magnetic field having the same upper magnetic field strength (G upper ) and lower magnetic field strength (G lower ) based on ZGP (Zero Gauss Plane) 90 having a vertical component of zero.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 단열수단(50)의 외주면과 소정 거리 이격되어 설치된 환형의 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)을 포함한다. 바람직하게, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)은 실질적으로 석영 도가니(10)와동축적으로 설치된다. Preferably, the magnetic field applying means 80 includes an annular
상기 비대칭 자기장을 형성하기 위해, 일예로 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)에는 서로 다른 크기의 전류가 인가된다. 즉, 상부 코일(80a)보다 하부 코일(80b)에 더 큰 전류를 인가하거나 그 반대로 전류를 인가한다. 대안적으로, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)에 인가되는 전류의 크기는 같고, 각 코일의 권선수를 조절하여 비대칭 자기장을 형성할 수 있다. 또 다른 대안으로, 코일에 인가되는 전류와 코일의 권선수를 동시에 조절하여 비대칭 자기장을 형성할 수도 있다. 또한, 상기의 방법과 마찬가지로 전류의 크기나 코일의 권선수를 조절하여 대칭 자기장을 형성할 수도 있음은 자명하다.In order to form the asymmetric magnetic field, for example, different sizes of currents are applied to the
한편, CZ법을 이용하여 제조된 실리콘 단결정(C)의 길이 방향에 따라 비저항의 편차를 감소시키기 위해서는 도판트의 유효편석계수를 증가시켜야 한다. 유효편석계수를 증가시키기 위해서는 고액 계면에 형성되는 확산 경계층의 두께를 증가시켜야 한다. 확산 경계층의 두께를 증가시키기 위해서는 고액 계면 근처에서 실리콘 융액(SM)의 대류를 안정화시킬 필요가 있는데, 상술한 바와 같이 커스프 자기장(G)을 석영 도가니(10)에인가하면 고액 계면 근처에서 확산 경계층의 두께를 증가시켜 도판트의 유효편석계수를 증가시킬 수 있다.On the other hand, in order to reduce the variation of the resistivity along the longitudinal direction of the silicon single crystal (C) manufactured using the CZ method, the effective segregation coefficient of the dopant should be increased. In order to increase the effective segregation coefficient, the thickness of the diffusion boundary layer formed at the solid-liquid interface must be increased. In order to increase the thickness of the diffusion boundary layer, it is necessary to stabilize the convection of the silicon melt SM near the solid-liquid interface. As described above, when the cusp magnetic field G is applied to the
도 2는 붕소를 도판트로 첨가한실리콘 융액으로부터 직경이 200mm인 잉곳을 1100mm의 길이로 성장시켰을 때 단결정의 길이 방향을 따라 측정한 비저항의 프로파일이다. 도 2의 a는 단결정 성장 시 200G(ZGP을 따라서 석영 도가니 외벽에서의 자기장 수평 세기)의 커스프 자기장을 석영 도가니에 인가한 상태에서 단결정의 회전속도를 5rpm으로 유지한 경우의 비저항 프로파일이고, 도 2의 b는 도판트의 유효편석계수가 평형편석계수(Ko= 0.73)와 동일할 때의 비저항 프로파일이다. FIG. 2 is a profile of a specific resistance measured along the length direction of a single crystal when an ingot having a diameter of 200 mm was grown to a length of 1100 mm from a silicon melt containing boron as a dopant. FIG. 2A is a resistivity profile when the rotation speed of the single crystal is maintained at 5 rpm in a state in which a cusp magnetic field of 200 G (magnetic field horizontal intensity at the outer wall of the quartz crucible along ZGP) is applied to the quartz crucible during single crystal growth. B of 2 is the resistivity profile when the effective segregation coefficient of the dopant is equal to the equilibrium segregation coefficient (K o = 0.73).
도면을 참조하면, 단결정 성장시 커스프 자기장을 인가한 상태에서 단결정의 회전속도를 5rpm 정도로 낮게 유지하였을 때 잉곳 전체적으로 비저항 편차가 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 단결정이 일정 길이(A 참조)가 될 때까지는 비저항의 감소가 완만하게 이루어지다가 상기 일정 길이를 넘어서면 비저항의 감소 기울기가 도 2의 b와 동일한 수준이 된다는 것을 확인할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 비저항의 감소 기울기가 평형편석계수을 기준으로 한 비저항의 감소 기울기와 동일하게 되는 잉곳의 길이를 '임계 길이 Le'라 칭하기로 한다.Referring to the drawings, it can be seen that the specific resistance variation decreases as the entire ingot decreases when the rotation speed of the single crystal is maintained at about 5 rpm while the cusp magnetic field is applied during single crystal growth. In addition, the specific resistance decreases slowly until the single crystal has a predetermined length (see A), and when the single crystal exceeds the predetermined length, the slope of the specific resistance decreases to the same level as b of FIG. 2. For convenience of explanation, the length of the ingot where the reduction slope of the specific resistance becomes the same as the decrease slope of the specific resistance based on the equilibrium segregation coefficient will be referred to as 'critical length Le'.
상기와 같은 결과는 커프스 자기장을 인가하면서 단결정을 성장시키는 경우 단결정의 회전속도가 단결정의 비저항 편차에 영향을 크게 미치는 구간과, 단결정의 회전속도가 단결정의 비저항 편차에 큰 영향을 미치지 않는 구간이 존재한다는 것을 시사한다.The above results indicate that when the single crystal is grown while applying a cuff magnetic field, there is a section in which the rotation speed of the single crystal greatly affects the resistivity variation of the single crystal, and a section in which the rotation speed of the single crystal does not significantly affect the resistivity variation of the single crystal. It suggests that.
따라서 본 발명은 단결정 잉곳의 길이 방향으로 비저항의 편차를 감소시키면서도 단결정의 무결함인상속도의 공정마진을 확대하고 무결함 인상속도를 증가시키기 위해 단결정의 회전속도를 다음과 같이 제어한다.Therefore, the present invention controls the rotational speed of the single crystal in order to increase the process margin of the defect free lifting speed of the single crystal and increase the defect pulling speed while reducing the variation of the specific resistance in the longitudinal direction of the single crystal ingot.
즉, 본 발명은 단결정이 0 mm에서 Le mm까지 성장할 때까지(제1구간)는 제1속도로 유지하고, Le mm부터 제1속도에서 단계적으로 또는 서서히 제 2속도로 증가시킨 후 (제2구간), 단결정 길이 끝까지 제2속도를 유지한다.That is, the present invention maintains the first speed until the single crystal grows from 0 mm to Le mm (the first section), and increases from the Le mm to the second speed step by step or gradually to the second speed (second Section), and the second speed is maintained until the end of the single crystal length.
상기 제1구간은 커스프 자기장을 인가한 상태에서 단결정을 성장시킬 때 단결정의 회전속도가 비저항 편차에 큰 영향을 미치는 구간이고, 단결정의 길이가 Le를 초과하는 구간은 단결정의 회전속도가 비저항 편차에 큰 영향을 미치지 않는 구간이다.The first section is a section in which the rotational speed of the single crystal has a large influence on the resistivity variation when the single crystal is grown in the state where a cusp magnetic field is applied. This section does not have a significant effect on
여기서, 제1속도는 제2속도보다 작다. 일 예로, 상기 제1속도는 1 ~ 5rpm이고, 제2속도는 13 ~ 20rpm이다. 단결정의 회전속도를 제1속도로부터 제2속도로 증가시킬 때에는 단계적으로 증가시키거나 서서히 증가시킨다. 제2구간에서 단결정의 회전속도를 급격하게 변화시키면 단결정 냉각 속도와 실리콘 융액의 대류가 급격하게 변화하여 인상 중인 단결정의 구경 변화나 단결정 품질의 재현성이 저하되기 때문이다. Here, the first speed is smaller than the second speed. For example, the first speed is 1 ~ 5rpm, the second speed is 13 ~ 20rpm. When the rotation speed of the single crystal is increased from the first speed to the second speed, it is increased stepwise or gradually increases. This is because if the rotation speed of the single crystal is drastically changed in the second section, the cooling rate of the single crystal and the convection of the silicon melt are drastically changed, thereby decreasing the change in the diameter of the single crystal being pulled up and the reproducibility of the single crystal quality.
상기 제1구간에서는 비저항의 감소 기울기가 평형편석계수을 기준으로 한 비저항의 감소 기울기보다 작다. 그리고 상기 제2구간에서는 비저항의 감소 기울기가 평형편석계수를 기준으로 한 비저항의 감소 기울기로 수렴한다. 아울러 제2구간 이상에서는 비저항의 감소 기울기가 평형편석계수를 기준으로 한 비저항의 감소 기울기와 실질적으로 동일해진다.In the first section, the decrease slope of the specific resistance is smaller than the decrease slope of the specific resistance based on the equilibrium segregation coefficient. In the second section, the decreasing slope of the specific resistance converges to the decreasing slope of the specific resistance based on the equilibrium segregation coefficient. In addition, above the second section, the reduction slope of the specific resistance becomes substantially the same as the reduction slope of the specific resistance based on the equilibrium segregation coefficient.
도 3은 단결정의 회전속도에 따른 무결함 영역을 나타낸 도면이다. 도 3a는 단결정의 회전속도를 5rpm으로 유지한 상태에서 단결정의 인상속도를 서서히 증가 시키면서단결정을 성장시킨 후 단결정의 수직 단면에 분포하는 결함 종류를 나타낸 도면이고, 도 1b는 단결정의 회전속도를 13rpm으로 유지한 상태에서 단결정의 인상속도를 서서히 증가시키면서 단결정을 성장시킨후 수직 단면에 분포하는 결함 종류를 나타낸 도면이다. 각 단결정의 성장 시 석영 도가니에는 동일한 조건의 커스프 자기장을 인가하였다. 도 3a 및 도 3b에서 'pure'라고 표시한 영역은 보이드(void) 또는 전위(dislocation)에서 기인하는 결정 결함이 없는 무결함 영역을, 'V-rich'는 보이드에서 기인하는 결정 결함이 풍부한 영역을, 'I-rich'는 전위에서 기인하는 결정 결함이 풍부한 영역을 나타낸다. 3 is a view showing a defect free area according to the rotation speed of a single crystal. Figure 3a is a diagram showing the types of defects distributed in the vertical cross-section of the single crystal after growing the single crystal while gradually increasing the pulling speed of the single crystal while maintaining the rotation speed of the single crystal at 5rpm, Figure 1b shows the rotation speed of the single crystal 13rpm Figure 1 shows the types of defects distributed in the vertical cross-section after growing single crystals while gradually increasing the pulling speed of the single crystals in the state of maintaining. During the growth of each single crystal, a cusp magnetic field under the same conditions was applied to the quartz crucible. In FIG. 3A and FIG. 3B, the region labeled 'pure' is a defect-free region free of crystal defects due to voids or dislocations, and the region 'V-rich' is a region rich in crystal defects due to voids. 'I-rich' represents a region rich in crystal defects resulting from dislocations.
도면을 참조하면, 단결정의 회전속도가 클수록 'pure' 영역이 넓어져 인상속도에 대한 무결함 공정마진이 증가한다. 이에 따라 무결함 품질의 재현성을 향상시킬 수 있다. 또한 'pure' 영역이 넓으면서도 그 위치가 상부로 이동함으로써 무결함 품질의 재현성을 확보한 상태에서 무결함 인상속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 단결정의 생산성을 향상시킬 수 있다.Referring to the drawings, as the rotation speed of the single crystal increases, the 'pure' region becomes wider, and thus, a defect-free process margin for the pulling speed increases. Accordingly, the reproducibility of the defect quality can be improved. In addition, since the 'pure' area is wide and its position is moved upward, the defect pulling speed can be increased while ensuring the reproducibility of the defect quality. Thereby, productivity of a single crystal can be improved.
이상과 같이 본 발명은 커스프 자기장의 인가와 단결정의 회전속도 제어를 통해 단결정의 길이별 비저항 편차를 저감시키는데 있어서 단결정 회전속도가 비저항 편차에 큰 영향을 미치는 구간에서만 단결정 회전속도를 낮게 유지하고 소정의 임계 길이까지 성장이 되고 나면 단결정의 회전속도를 증대시킴으로써 무결함 인상속도의 공정마진을 확대하여 품질 재현성을 향상시키고 무결함 인상속도를 증가시켜 생산성 향상을 도모할 수 있다. As described above, the present invention maintains the single crystal rotation speed low only in a section in which the single crystal rotation speed greatly affects the specific resistance variation in reducing the specific resistance variation of the single crystal through the application of a cusp magnetic field and controlling the rotation speed of the single crystal. After growth to the critical length of, the process speed of defect free pulling speed can be increased by increasing the rotation speed of single crystal to improve the quality reproducibility and increase the defect free pulling speed to improve productivity.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention includes the matters described in such drawings. It should not be construed as limited to.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조 방법의 실시를 위해 사용되는 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus used for carrying out a method for manufacturing a semiconductor single crystal according to a preferred embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명에 따라 성장되는 반도체 단결정의 길이 방향에 따른 비저항 프로파일을 나타낸 그래프,2 is a graph showing a resistivity profile in the longitudinal direction of a semiconductor single crystal grown according to the present invention;
도 3은 단결정 회전속도에 따라 단결정의 결함 분포가 변화하는 모습을 비교하여 나타낸 도면이다. 3 is a view showing a comparison of the appearance of the defect distribution of the single crystal changes with the single crystal rotation speed.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS OF THE DRAWINGS
SM : 실리콘 융액 10 : 도가니SM: Silicone Melt 10: Crucible
20 : 도가니 하우징 30 : 도가니 회전수단20: crucible housing 30: crucible rotating means
40 : 가열수단50 : 단열수단40: heating means 50: heat insulation means
60 : 단결정 인상수단 70 : 열실드 수단60: single crystal pulling means 70: heat shield means
90 : GZP G : 커프스 자기장90: GZP G: cuff field
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