KR20010041957A

KR20010041957A - 임의인 대 직경의 무결함 실리콘 결정의 성장 공정

Info

Publication number: KR20010041957A
Application number: KR1020007010278A
Authority: KR
Inventors: 팔스터로베르뜨제이
Original assignee: 헨넬리 헬렌 에프; 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-05-25
Also published as: CN1326518A; WO2000000674A2; US20010008114A1; DE69901115D1; TW473564B; WO2000000674A9; US20020092460A1; WO2000000674A3; EP1090166A1; JP2003517412A; EP1090166B1; US6913647B2; US20040003770A1; US6562123B2; DE69901115T2; US6328795B2

Abstract

실질적으로 덩어리 진성 점결함이 없는 단결정 실리콘을 성장시키는 공정이다. 일반적으로 초크랄스키 방법에 따라서 잉곳을 성장시킨다. 잉곳가 성장하고 있는 시간 동안에 잉곳 내의 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A)보다 낮은 온도로 잉곳의 어떤 부분도 냉각시키지 않는다. 따라서, 결함 없는 잉곳의 달성을 인상 속도와 같은 공정 변수, 및 잉곳의 축방향 온도 그래디언트와 같은 시스템 변수로부터 실질적으로 분리시킬 수 있다.

Description

임의인 대 직경의 무결함 실리콘 결정의 성장 공정{PROCESS FOR GROWTH OF DEFECT FREE SILICON CRYSTALS OF ARBITRARILY LARGE DIAMETERS}

반도체 전자 소자의 제조를 위한 대부분의 공정의 개시 재료인 단결정 실리콘은, 주로 초크랄스키 ("Cz") 방법에 의해 제조하고 있다. 이 방법은 도가니에 다결정 실리콘 ("폴리실리콘") 을 충진하여 용융시키고, 그 용융된 실리콘과 시드 결정을 접촉시키고, 저속 인상에 의해 단결정 실리콘을 성장시킨다. 넥 (neck) 의 형성을 완료한 후, 원하거나 또는 목표 직경에 도달할 때가지 인상 속도 및/또는 용융 온도를 감소시켜, 결정의 직경을 증대시킨다. 그 후, 감소하는 용융 높이를 보충하면서 인상 속도 및 용융 온도를 제어하여 거의 일정한 직경을 가진 결정의 원통형 본체를 성장시킨다. 성장 공정의 말기 근처, 도가니에 용융된 실리콘이 비워지기 전에, 엔드콘 (end-cone) 을 형성하기 위해서 결정 직경을 점차 감소시켜야 한다. 통상적으로는, 결정 인상 속도 및 도가니에 공급되는 열을 증가시켜 엔드콘을 형성한다. 그 후, 결정 직경이 충분히 작아질 때, 용융체로부터 결정을 분리한다.

최근, 결정 성장 챔버 내에 다수의 단결정 실리콘의 결함들은 응고 후 결정을 냉각시킴에 따라 형성된다는 것을 알게되었다. 이러한 결함들은, 결정 격자에서 빈격자점 및 격자간 원자인 진성 점결함 (즉, 용해도 한계 이상의 농도) 과잉으로 존재함으로 인해, 부분적으로 발생한다. 용융체로부터 성장한 실리콘 결정은 일반적으로 과잉의 결정 격자 빈격자점 ("I") 또는 실리콘 격자간 원자 ("V") 둘 중 하나 또는 다른 유형의 진성 점결함으로부터 성장한다. 실리콘 내의 이들 점결함들의 유형 및 이들 초기 농도는 응고 시에 결정되는 것으로 알려 있으며, 이 시스템에서 이들 농도가 임계 과포화 레벨에 도달하고 점결함의 이동성이 충분히 높은 경우, 반작용 또는 덩어리 현상이 발생할 수 있을 것이다. 실리콘 내의 덩어리 진성 점결함들은 복잡한 고도의 집적회로 제조에서 재료의 수율에 심각한 영향을 미친다.

빈격자점 타입 결함은 주사 적외선 현미경 검사 (Scanning Infrared Microscopy) 와 같은 적외선 산란 기술 (infrared light scattering technique) 과 레이저 주사 토모그래피 (Laser Scanning Tomography) 를 통해 관찰할 수 있는 특정 종류의 벌크 (bulk) 결함 종류뿐만 아니라 D-결함, 유동 패턴 결함 (Flow Pattern Defects), 게이트 산화물 완전성 (Gate Oxide Integrity) 결함, 결정 배향 입자 (Crystal Originated Partical) 결함, 결정 배향 광점결함 (Crystal Originated Light Point Defects) 같은 관찰 가능한 결정 결함의 원인이 된다고 알려져 있다. 또한, 과잉 빈격자점 영역에 존재하는 것은 링 산화 유도 적층 결함 (Oxidation Induced Stacking Faults) 의 핵으로 기능하는 결함이 있다. 이 특정 결함은 과잉 빈격자점의 존재를 촉매로 한 고온 유핵 산소 덩어리로 추측된다.

격자간 원자에 관계된 결함들은 덜 널리 연구되고 있다. 이들은 일반적으로 저밀도의 격자간 원자타입 전이 루프 (loop) 또는 네트워크 (networks) 로 간주된다. 이러한 결함들은 중요한 웨이퍼 성능 기준인 게이트 산화 무결성 불량의 원인이 되지 않지만, 이들은 일반적으로 전류 누설 문제와 관련된 다른 유형의 장치 불량의 원인이 된다고 널리 알려져 있다.

종래 초크랄스키 실리콘에서 빈격자점 및 격자간 원자의 덩어리진 결합의 밀도는 약 1×10³/cm³내지 1×10⁷/cm³의 범위내이다. 이 값들은 비교적 낮지만, 이 덩어리 진성 점결함들은 장치 제조업자에게는 급속도로 중요성을 더하고 있으며, 실제로, 오늘날에는 소자 제조 공정에서 수율제한인다로서 보고 있다.

현재까지, 일반적으로 덩어리 진성 점결함의 문제를 해결하는데에는 3 가지 주요 접근법이 있다. 첫번째 접근법은, 잉곳 내의 덩어리 진성 점결함의 수적 밀도를 감소시키는 결정 인상 기술에 촛점을 맞춘 방법을 포함한다. 이 접근법은 빈격자점 우세 물질을 형성시키는 결정 인상 조건을 갖는 방법과, 격자간 원자 우세 물질을 형성시키는 결정 인상 조건을 갖는 방법으로 더 세분화할 수 있다. 예를 들면, (i) v/G₀를제어하여, 결정 격자 빈격자점이 우세 진성 점결함인 결정을 성장하고 (ii) 결정 인상 공정 동안에 약 1100 ℃ 으로부터 약 1050 ℃ 까지 실리콘의 잉곳의 냉각 속도를 변화시켜 (일반적으로, 낮춤으로써) 덩어리 결함들의 핵형성 속도에 영향을 줌으로써, 덩어리진 결함의 수적 밀도를 감소시킬 수 있다고 제안하고 있다. 이 접근법은 덩어리 결함의 수적 밀도를 감소시키는 반면, 덩어리 결함의 형성을 방해하지 않는다. 장치 제조업자들이 제거하는 요구조건들이 점점 엄격해짐에 따라, 이 결함들의 존재는 계속해서 더 문제화될 것이다.

다른 접근법들은 결정 본체의 성장 동안에, 인상 속도를 약 0.4 mm/min 보다 작은 값으로 감소시킬 것을 제안하고 있다. 그러나, 이 제안도 느린 인상 속도가 각 결정 인상기의 수율을 감소시키기 때문에 불만족스럽다. 더 중요하게는, 이러한 인상 속도는 격자간 원자의 고농도를 갖는 단결정 실리콘을 형성하게 된다. 이 고농도는 덩어리 격자간 원자를 형성하고 이 결함과 연관된 모든 문제를 일으킨다.

덩어리 진성 점결함의 문제를 해결하기 위한 제 2 접근법은, 덩어리 진성 점결함의 형성에 뒤이어 덩어리 진성 점결함의 분해 (disssolution) 또는 소멸 (annihilation) 에 초점을 맞춘 방법을 포함한다. 일반적으로, 이것은 웨이퍼 형태에서 실리콘을 고온 열처리하여 달성한다. 예를 들면, Fusegawa 등의 유럽 특허 출원 제 503,816 호는, 0.8 mm/min 를 과잉한 성장 속도로 실리콘 잉곳을 성장시키고, 1150 ℃ 내지 1280 ℃ 의 범위의 온도에서 잉곳로부터 얇게 자른 웨이퍼를 열처리하여 웨이퍼면 근처의 얇은 영역내의 결함 밀도를 제거하는 것을 개시하고 있다. 이때 필요한 특정 처리는 웨이퍼 내의 덩어리 진성 점결함의 농도 및 위치에 따라서 변할 것이다. 이 결함의 균일한 축방향 농도를 갖지 않은 결정으로부터 절단한 서로 다른 웨이퍼들은 상이한 후성장 처리 조건을 요할 수 있다. 또한, 이러한 웨이퍼 열처리는 상대적으로 고가이고, 실리콘 웨이퍼내부로 금속 불순물이 주입될 가능성이 있으며, 일반적으로 결정과 관련된 모든 유형의 결함에 효과적이지 않다.

덩어리 진성 점결함의 문제를 해결하기 위한 제 3 접근법은, 단결정 실리콘 웨이퍼의 표면상에 실리콘의 얇은 결정층인 에피택셜 (epitaxial) 증착하는 것이다. 이 공정은 덩어리 진성 점결함이 거의 없는 표면을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 제공한다. 그러나, 에피택셜 증착은 실질적으로 웨이퍼의 비용을 증가시킨다.

이들 개발의 관점에 있어서, 덩어리 진성 점결함을 일으키는 덩어리 반응을 억제함으로써, 덩어리 진성 점결함의 형성을 막는 역할을 하는 단결정 실리콘 제조 방법이 계속해서 요청되고 있다. 이러한 결함을 형성하는 속도를 단순히 제한하거나, 또는 결함이 형성된 후 이 결함의 일부를 제거하는 것을 시도하기 보다는, 덩어리 반응을 억제하는 방법으로 덩어리 진성 점결함이 없거나 거의 없는 실리콘 기판을 얻을 수 있다. 이 방법도 에피택셜 공정과 연관된 고비용 없이 웨이퍼당 집적 회로의 개수로 환산할 때 에피택셜 공정과 같은 수율을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

현재, 진성 점결함의 덩어리에 의해 발생하는 결함이 거의 없는 실리콘 단결정 잉곳들을 성장시킬 수 있는 것으로 알려져 있다 (예를 들면, PCT/US98/17356 및 PCT/US98/07304 를 참조). 덩어리 반응을 억제하기 위한 주 메카니즘은 진성 점결함의 방경방향의 외부 확산이다. 덩어리 반응이 발생하는 온도 (T_A) 를 이상의 결정 온도에서 충분한 시간이 주어진 경우, 격자간 원자 및 빈격자점은 서로 결합 및 소멸되거나 잉곳면 상의 싱크 (sink) 로 확산할 것이다.

실리콘 격자간 원자는 실리콘의 응고 온도, 즉 약 1410 ℃ 근처의 온도에서 큰 이동성을 나타낸다. 그러나, 이 이동성은 단결정 실리콘 잉곳의 온도가 감소함에 따라서 감소한다. 일반적으로, 격자간 원자의 확산 속도는 약 700 ℃ 보다 낮은 온도에서 그리고 800 ℃, 900 ℃, 또는 심지어 1050 ℃ 만큼 높은 온도에서도 통상적인 실제 시간 사이클 동안에 본질적으로 움직이지 않을 정도로 상당히 느려진다.

이러한 관점에서, 이론적으로는 격자간 원자 덩어리 반응이 발생하는 온도는 넓은 온도의 범위에 걸쳐 변화할 수 있지만, 실제로는 종래 초크랄스키 성장 실리콘에 대해 이 범위는 상대적으로 좁아진다는 데 주목해야 한다. 이것은 초크랄스키 방법에 따라 성장한 실리콘 내에 통상적으로 획득한 초기 격자간 원자 농도가 상대적으로 좁은 범위에 있기 때문이다. 따라서, 적어도 약 1100 ℃ 내지 약 800 ℃ 의 범위내의 온도 (T_A) 에서, 통상적으로는 약 1050 ℃ 의 온도인 경우, 일반적으로 격자간 원자 덩어리 반응이 발생할 수 있다.

격자간 원자가 이동성을 보이는 온도 범위 내에서 잉곳의 냉각 속도를 제어함으로써, 격자간 원자에 결정면에 위치한 싱크 또는 빈격자점 우세 영역으로 확산하여 소멸하는 시간을 더 많이 부여할 수 있다. 따라서, 격자간 원자가 덩어리질 수 있을 만큼 충분히 유동적일 수 있는 온도에서 격자간 원자의 과포화 (즉, 용해도 한계 이상의 농도) 가 일어나지 않을 정도로 낮은 농도를 갖도록 격자간 원자의 농도를 억제해야 한다. 동일한 원리를 실리콘 빈격자점에도 적용할 수 있다. 그러나, 빈격자점의 상대적인 비이동성은 외부 확산을 더 어렵게 만든다.

결정 인상기내에 덩어리 미세 결함이 없는 단결정 잉곳을 생산할 수 있지만, 결정 인상기 및 잉곳의 동작에서 많은 모순되는 상황이 있을 수 있다. 결함없는 단결정 잉곳의 생산의 통상적 실용성에 큰 영향을 주는 어려운 타협을 해야만 한다. 단결정 실리콘 잉곳의 성장은 도 1 에 개략적으로 도시하였다. 약 1410 ℃ 의 온도에서 실리콘을 용융체로부터 잉곳으로 응고시킨 후 계속해서 냉각시킨다. 용융체면 위의 잉곳 길이 L(T_A) 에 대응되는 위치에서, 잉곳은 덩어리 반응이 일어나는 등온선 (T_A) (즉, 1050 ℃) 를 관통할 것이다. 이 잉곳은 성장하는 동안에 이 점을 관통할 것이다.

본래, 결함없는 잉곳을 성장시키기 위해서 진성 점결함의 외부 확산을 허용하는 덩어리 반응이 일어나는 온도 (T_A) (즉, 1050 ℃) 보다 높은 온도에서 잉곳가 충분히 긴 체류 시간을 갖도록 핫존 (hot-zone) 지역에서 온도 분포를 설계하는 것이 필요하다. 온도 T_A이상에서 잉곳의 축방향 세그먼트의 체류 시간을 최대화하기 위해서는 인상 속도를 느리게 하는 것이 필요하다. 그러나, 느린 인상 속도는 결정 인상기의 수율을 급격히 감소시킨다.

격자간 원자 진성 점결함이 우세하게 결정을 성장시켜 T_A이상의 온도에서 요하는 잉곳의 축방향 세그먼트 체류 시간을 다소 감소시킬 수 있다. 격자간 원자 결함은 빈격자점 결함보다 실질적으로 더 이동성이 있다. 결함의 초기 농도를 최소화하는 것이 여전히 필요하다. 그러나, 결함의 개수를 최소화하기 위해, 격자간 원자 성장 조건에서 인상 속도를 최소화해야 한다.

단결정 잉곳의 전체 길이에 걸쳐 덩어리 미세 결함이 거의 없는 단결정 잉곳을 생산하기 위해서는, 사용 가능한 최대 잉곳의 길이를 따른 각 축방향 세그먼트는 진성 점결함이 외부로 확산하는데 필요한 시간만큼을 T_A이상의 온도에서 체류한 후에만 T_A를 관통해야 한다. 따라서, 잉곳의 이용할 수 없는 엔드콘이 성장하고 있는 동안이더라도 상대적으로 느린 동일한 인상 속도를 유지시켜야 한다. 또한 T_A이상의 온도에서 잉곳의 이용가능한 일정한 직경의 하단부가 충분한 체류 시간을 가지도록 잉곳을 형성한 후에라도 이 잉곳은 동일한 느린 속도로 상승시켜야 한다.

진성 점결함의 외부 확산에 필요한 인상 속도 및 체류 시간 사이의 상충은 성장한 결정 직경이 증가함에 따라 더 심각해진다. 잉곳 직경이 증가함에 따라 결함의 개수가 증가하며 이 결함이 잉곳면으로 확산하기 위해 지나야 하는 방경방향 거리도 증가한다.

또한, 격자간 원자의 외부 확산 시간의 최소화는 초기 격자간 원자 농도의 방경방향 변화율을 최소화시켜 바람직하다. 이것은 축방향 온도 그래디언트 (G₀(r)) 의 방경방향 변화율을 최소화함으로써 얻을 수 있다. 축방향 온도 그래디언트의 방경방향 변화율을 최소화하기 위해서, 용융 실리콘면에서 잉곳의 축방향 온도 그래디언트 (G₀(r)) 의 평균값을 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 격자간 원자 성장 조건에 도달하는 인상율을 최대화해야 하더라도, G₀의 평균값을 최소화하는 것이 바람직하다.

실질적인 문제로서, 덩어리 진성 점결함이 거의 없는 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위해서는 결정 인상기의 동작에 있어서 매우 엄격한 공정 제어를 유지시켜야 한다. 또한, 결정 인상기에 대한 수율이 급격히 감소한다. 따라서, 진성 점결함을 외부 확산하는데 필요한 조건과 결정 인상기의 동작을 분리하거나 거의 분리하는 덩어리 진성 점결함이 없는 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정이 요청되고 있다.

본 발명은 일반적으로 전자 소자의 제조에 사용되는 반도체급 단결정 실리콘의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전체 결정 반경과 잉곳의 사용 가능한 길이에 걸쳐 덩어리진 진성 점결함이 거의 없는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 공정에 관한 것이다.

도 1 은 단결정 실리콘 잉곳 성장이 존재할 때 이 잉곳가 성장하는 동안 덩어리 반응이 일어나는 등온선을 관통하는 것을 나타낸 개략도이다.

도 2 는 격자간 원자 [I] 및 빈격자점 [V] 의 초기 농도가, v 는 인상 속도이고, G₀는 축방향 온도 그래디언트인 v/G₀값에 따라 변화하는 과정의 일 예를 나타낸 그래프이다.

도 3 은 결정 인상기의 인상 챔버 (chamber) 부분의 제거 및 또 다른 인상 챔버로의 교체를 허용하는 결정 인상 장치의 개략도이다.

도 4 는 인상 챔버로부터 잉곳을 제거하여 인상 챔버 옆의 홀딩 (holding) 챔버에 위치시키는 것을 허용하는 결정 인상 장치의 개략도이다.

도 5 는 인상 챔버로부터 잉곳을 제거하여 일반적으로 인상 챔버 상부의 홀딩 챔버에 위치시키는 것을 허용하는 결정 인상 장치의 개략도이다.

도 6a 는 예에서 설명하는 바와 같이, 결정 길이의 함수인 정규 성장 속도 그래프이다.

도 6b 는 예에서 설명하는 바와 같이, 숄더 (shoulder) 로부터 엔드콘이 성장하기 시작하는 범위에 있는 잉곳의 축방향 절단 조각, 뒤이어 구리 묘화 및 결함 묘사 에칭 연속 사진이다.

도 6c 는 예에서 설명하는 바와 같이, 시드콘 (seed-cone) 으로부터 엔드콘까지의 범위에 있는 잉곳의 축방향 절단 조각, 뒤이어 구리 묘화 및 결함 묘사 에칭 연속 사진이다.

전체 도면에서, 각각 대응하는 부분은 대응하는 도면 부호를 나타낸다.

본 발명의 여러 목적 및 특징들로는, 잉곳의 이용가능한 길이 전체에 걸쳐 거의 덩어리 진성 점결함이 없는 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 공정을 제공하고; 결정 인상기의 수율을 거의 감소시키지 않는 공정을 제공하며; 결함없는 잉곳의 생산을 위한 조건으로부터 결정 인상기의 동작 조건을 거의 분리하는 공정을 제공하고; 결함없는 잉곳을 생산하기 위한 인상 속도를 제한하는 것으로부터 결정 인상기를 실질적으로 감소시키는 공정을 제공하며; 평균 축방향 온도 그래디언트 (G₀) 를 제한하는 것으로부터 결정 인상기를 실질적으로 감소시키는 공정을 제공하는 것이라고 언급할 수 있다.

따라서, 간단히 말하면, 본 발명은 시드콘, 엔드콘, 및 시드콘과 엔드콘 사이의 일정한 직경부를 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 초크랄스키 방법에 따라서 실리콘 용융체로부터 잉곳을 성장시킨다. 일반적으로, 이 공정은 실리콘 용융체로부터 잉곳을 성장시키는 단계와, 잉곳가 성장하고 있는 시간 동안에 잉곳내의 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A) 보다 낮은 온도로 잉곳의 어떤 부분도 냉각시키지 않음으로써 적어도 일정한 직경의 잉곳 부분은 덩어리진 질점결함이 거의 없도록 잉곳의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명은 시드콘, 엔드콘 그리고, 시드콘과 엔드콘 사이의 일정한 직경부분을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 초크랄스키 방법에 따라서 실리콘 용융체로부터 잉곳을 성장시킨다. 이 결정 인상기는 하부 성장 챔버 및 상부 성장 챔버를 포함하고, 이 공정은 결정 인상기의 성장 챔버에 위치한 실리콘 용융체와 접촉하도록 시드 결정을 하강시키는 단계와 단결정 실리콘 잉곳을 형성하도록 용융체로부터 실리콘을 냉각시키기 위해 용융체로부터 시드 결정을 후퇴시키는 단계를 포함한다. 인상 챔버 내부로 완전하게 형성된 잉곳을 인상시킨 후, 인상 챔버내의 온도를 잉곳 내부의 덩어리 진성 점결함이 일어나는 온도 (T_A) 이상으로 유지시키면서 성장 챔버로부터 인상 챔버를 격리시킨다.

본 발명의 다른 목적과 특징은 이하의 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.

이하 도면, 특히 도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 공정을 실행하는 장치를 개략적으로 나타낸 것으로 일반적으로 (10) 으로 표시한 결정 인상기를 구비한다. 이 결정 인상기는 실리콘 용융체 (M) 가 담겨있는 도가니 (14) 를 수용한 성장 챔버 (12) 를 포함한다. 종래 방법으로 성장 챔버 (12) 내부에서 회전시키기 위해 이 도가니 (14) 를 탑재한다. 또한 이 결정 인상기 (10) 는 도가니 (14) 내의 실리콘을 가열하기 위한 종래 히터 (heater) 와 절연체 (미도시) 를 포함하여 실리콘의 용융 상태를 만들고 유지한다. 또한, 이 결정 인상기 (10) 는 성장 챔버 (12) 의 상부에 위치하며, 실리콘 용융체 (M) 로부터 성장된 단결정 실리콘 잉곳 (I) 을 수용하기 위해 성장 챔버를 내부로 개방할 수 있는 인상 챔버 (16) 를 포함한다. 인상 챔버 (16) 는 하단부에 시드 결정 척 (chuck) (22) 이 있는 인상 와이어 (20) 를 상하강하는 윈치 (winch) 장치를 가진다. 또는, 인상 와이어 대신 축을 사용한 인상 장치 (미도시) 를 사용할 수 있다. 초크랄스키 방법에 따라서, 이 척 (22) 은 잉곳 (I) 의 초기 형성시 사용될 시드를 운송한다.

성장 챔버 (12) 로부터 인상 챔버를 격리시키기 위한 밸브 (valve) (24) 를 인상 챔버 (16) 는 구비하고 있다. 이와 유사하게, 성장 챔버 (12) 는 인상 챔버 (16) 로부터 성장 챔버를 격리시키기 위한 성장 챔버 자신의 밸브 (26) 를 갖는다. 성장 챔버로부터 인상 챔버를 완전히 제거할 수도록 성장 챔버 (12) 상에 인상 챔버를 분리 가능하게 탑재한다. 또한, 이 장치는 또 다른 인상 챔버 (16') (이 인상 챔버 (16') 의 대응하는 부분은 ' 을 뒤에 부가하여 인상 챔버 (16) 와 동일한 참조 부호로 표시함) 를 포함한다. 다른 잉곳 (I') 을 성장시키기 위해 성장 챔버 (12) 상에 다른 인상 챔버 (16') 를 탑재할 수 있고 사용할 수 있다. 그러나 도 3 에 나타낸 바와 같이, 인상 챔버 (16) 내에 하나의 잉곳 (I) 가 성장하고 있는 동안, 성장 챔버 (12) 로부터 간격을 두고 떨어진 위치에 다른 인상 챔버내에 다른 잉곳 (I') 를 보유하게 한다.

본 발명의 원리에 따라 행하는 공정은 도 3 에 나타낸 장치를 참조하여 이하 설명하기로 한다. 알게 될 바와 같이, 다른 장치 (이 장치의 몇가지 예는 후에 설명됨) 에 의해 이 공정을 행할 수 있다. 도가니 (14) 내에 고상 폴리실리콘을 위치시키고 히터에 전압을 가하여 실리콘을 용융하여 실리콘 용융체 (M) 를 형성하는 종래 방법으로 결정 인상기 (10) 를 처음에 준비한다. 윈치 장치(18) 는 시드 결정이 용융체 (M) 와 접촉할 수 있도록 인상 와이어를 풀어 척 (22) 을 내린다. 도가니 (14) 및 인상 와이어 (20) 모두를 수직 축 주위로 회전시킨다. 시드 결정이 용융되기 시작할 때, 윈치 장치 (18) 는 인상 와이어 (20) 를 천천히 감아 당겨서, 용융체로부터 시드 결정을 들어올린다. 용융체 (M) 로부터 실리콘은 단결정 격자로 시드 결정상에 동결하여, 잉곳 (I) 을 형성하기 시작한다.

잉곳은 초기에, 성장시키길 원하는 잉곳의 직경과 동일한 직경 (보통 잉곳로부터 최종 형성될 반도체 웨이퍼의 직경보다 다소 큼) 을 가질 때까지 직경이 증가하는 시드콘 (SC) 을 가진다. 인상 속도 및 잉곳 (I) 의 가열을 제어하여 일정한 직경 부분 (CD) 을 성장시킨다. 일정한 직경 (CD) 부분이 요하는 길이에 도달했을 때 용융체 (M) 으로부터 잉곳 (I) 분리하기 위해서 엔드콘 (EC') (다른 잉곳 (I') 에만 나타냄) 을 형성한다. 결정 인상기 (10) 의 기하도형적 배열에 의해 이 길이를 제한시킨다. 또한 잉곳의 인상율 제어와 (즉, 일반적으로 증가) 열의 응용에 의해 이 엔드콘 (EC') 을 형성시킨다. 용융체 (M) 로부터 분리한 후, 이 인상 챔버 (16) 내부로 이 잉곳 (I)를 완전히 인상시킨다.

본 발명의 공정에 따르면, 잉곳의 성장 동안에 진성 점결함이 과포화되거나 덩어리지게 되는 온도 (T_A) 이상으로 잉곳 (I) 의 온도를 유지시킨다. 특히, 결정이 성장하는 시간 동안에 잉곳 (I) 의 어떤 부분도 온도 (T_A) 로 냉각하는 것을 허용하지 않는다. 따라서, 도 1 에 나타낸 종래 초크랄스키 공정 예와 달리, 잉곳이 성장하는 동안 잉곳은 등온선 (T_A) 를 결코 관통하지 않는다. 본 발명의 공정에 의해 등온선 (T_A) 의 존재에 기인한 기존의 단결정 실리콘 생산의 한계점이 제거된다. 열의 차폐, 열의 응용 또는 이 둘의 소정의 결합에 의해 잉곳 (I) 의 냉각 제어를 달성할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 나타낸 실시예에서는, 잉곳가 인상 챔버에 접근하여 들어갈 때, 이 잉곳 (I) 에 열을 제공하는 히터 (30) (도 3 에 개략적으로 나타냄) 가 인상 챔버 (16) 에 구비되어 있다.

진성 점결함들의 외부로의 확산을 허용하도록 선택된 기간 동안에 온도 (T_A) 이상의 온도로 이 잉곳 (I) 을 유지시켜서 잉곳 내부의 진성 점결함의 농도가 진성 점결함의 덩어리가 발생하는데 필요한 용해도 이하로 한정시킨다. 진성 점결함의 외부 확산에 필요한 시간은 일반적으로 결정 인상기 (10) 의 정규 사이클 시간보다 훨씬 길다. 종료 시점에서, 또한 본 발명의 공정은 반도체 생산 장치 내부의 결정 인상기 (10) 로부터 잉곳 (I) 을 제거하는 단계를 포함하여 결정 인상기를 잉곳의 열상황에 관계없이 독립적으로 재사용하는 것을 허용한다. 잉곳(I) 을 결정 인상기 (10) 로부터 제거하는 시간 동안과 그 후의 시간에 T_A이상의 온도를 유지한다.

도 3 에 나타낸 실시예에서는, 결정 인상기 (10) 로부터 잉곳 (I) 을 제거하는 과정은 완전히 성장한 결정을 인상 챔버 (16) 내부로 인상시키는 과정을 포함한다. 인상 챔버 (16) 상의 밸브 (24) 및 성장 챔버 (12) 상의 밸브 (26) 를 닫아서, 챔버들을 서로 격리시키고 주변 환경으로부터 격리시킨다. 그 후, 성장 챔버 (12) 로부터 인상 챔버 (16) 를 분리시켜, 도 3 에 나타낸 다른 인상 챔버 (16') 위치로 이동시킨다. 진성 점결함이 충분히 외부로 확산할 때까지, 인상 챔버 (16) 는 잉곳 (I) 의 온도를 T_A이상으로 유지한다. 그 후, 주위의 온도로 잉곳 (I) 을 냉각시킬 수 있고 반도체 웨이퍼로의 다음 처리과정을 위해 인상 챔버 (16) 로부터 제거할 수 있다.

성장 챔버 (12) 내의 히터를 정지시켜 성장 챔버를 주위의 온도로 냉각 할 수 있다. 그 후, 성장 챔버 (12) 를 열어서 도가니 (14) 를 제거하여 다른 결정으로 교체할 수 있다. 도가니 (14) 내에 보유한 고상 다결정을 용융시켜 새로운 용융체를 형성한다. 인상 챔버 (16) 의 제거 후 적절한 시간에, 성장 챔버 (12) 상의 위치로 다른 인상 챔버 (16') (먼저 그 안에 있던 잉곳 (I')를 제거함) 를 이동시킨다. 성장 챔버 (12) 에 인상 챔버 (16') 를 부착하고 인상 챔버 및 성장 챔버의 밸브 (24', 26) 를 열어서 또 다른 단결정 실리콘 잉곳 (I') 이 성장하는 것을 허용한다.

잉곳 (I) 을 T_A이상의 온도로 유지시키는데 필요한 총시간은 진성 점결함들의 초기 농도, 잉곳 내에 우세한 진성 점결함들의 유형 및 성장하고 있는 직경에 의해 결정한다. 이하 도 2 를 참조하면, 두 유형의 진성 점결함의 농도를 인상 속도 (v) 와 용융체면에서 잉곳 (I) 내의 순간 축방향 온도 그래디언트 전체 평균 (G₀) 에 대하여 나타낸 것이다. v/G₀가 낮은 비율에서는 , 격자간 원자 진성 점결함 [I] 이 우세하고, 높은 비율에서는 빈격자점 결함 [V] 이 우세하다. 그러나, 두 유형의 진성 점결함의 농도는 v/G₀의 임계비율에서 최소화됨을 알 수 있다. 곧, 이 비율이 약 2.1×10^-5cm²/sK 임을 알 수 있을 것이다. 임계값 근처로 비율 (v/G₀)를 유지시키는 것이 바람직하지만, 이는 잉곳 (I) 의 전체 성장 공정 진행 내내 유지하기 어려우며, 특히 시드콘 및 엔드콘의 말기에서는 더욱 어렵다. 본 발명의 특징은, 본 발명이 결정 인상기 (10) 의 사이클 시간동안 별 영향을 주지 않고, 진성 점결함의 외부 확산을 가능하게 하므로, 잉곳 (I) 의 성장이 다소 v/G₀비율에 덜 의존적이다.

바람직하게는, 본 발명의 공정에 따라 성장한 잉곳 (I) 내에 진성 점결함의 격자간 원자형이 우세할 것이다. 격자간 원자 결함 [I] 은 빈격자점 결함 [V] 보다 실질적으로 훨씬 이동성이 있다. 격자간 원자의 방경방향 외부 확산은 빈격자점의 외부 확산보다 약 10 배정도 빨리 발생할 수 있다. 다시 말하면, 빈격자점이 우세한 잉곳 내의 빈격자점이 외부 확산하는데 걸리는 시간은 격자간 원자이 우세한 잉곳 내의 동일한 농도의 격자간 원자가 외부 확산하는데 걸리는 시간보다 10 배가 더 걸린다. 그러므로, 잉곳 (I) 의 실질적인 성장 부분에 걸쳐 비율 (v/G₀) 를 임계값 이하로 유지시켜 격자간 원자 결함이 우세하게 하는 것이 바람직하다. 물론, 비율 (v/G₀) 는 잉곳 (I) 의 축 중심으로부터의 거리에 따라 변화하므로 잉곳 내부에서 결함 농도 및 유형의 방경방향 변화가 있을 것이다. 그러나, 격자간 원자 결함이 충분히 우세하는 한 잉곳 (I) 의 부분에 대해 v/G₀의 빈격자점 우세영역으로의 이동을 허용하여 외부 확산하는 동안에 빈격자점과 결합함으로써, 양 결함을 소멸시켜 이 농도들은 용해도 한계 이하로 유지한다.

그러나, 본 발명의 공정은 빈격자점 우세 물질을 사용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 일반적으로, 빈격자점 우세 물질이 (존재하는 경우) 잉곳의 축중심에 나타날 것이며, 결정 성장 조건에 따라서, 잉곳의 중심으로부터 잉곳의 에지 (edge) 까지 연장될 것이다. 빈격자점 우세 물질이 잉곳 중심으로부터 에지까지 연장되지 않는 경우에는, 빈격자점 우세 영역의 잉곳 중심은 격자간 원자 우세 영역의 환형 링 (ring) 에 의해 포위될 것이다. 실리콘 격자 내의 빈격자점의 (실리콘 자기격자간 원자와 비교할 때) 낮은 이동성 때문에 , 표면으로 빈격자점의 외부 확산에 의해 빈격자점 시스템이 경감 (즉, 빈격자점 농도의 억제) 되는데 걸리는 시간은 상대적으로 길 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 잉곳 내부로 실리콘 격자간 원자를 주입, 확산시켜 이전부터 존재한 빈격자점과 결합 및 소멸시켜 빈격자점의 농도를 억제하는데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 이 실시예에서는, 잉곳은 덩어리 반응이 발생하는 온도 이상의 온도에서 유지되어지고 있기 때문에, 잉곳의 표면을 산화시켜서 실리콘 격자간 원자들을 주입할 수 있다. 예를 들면, 유지 기간동안에 산성화 분위기 (예를 들면, 실질적으로 완전한 산소 또는 증기는 아니지만, 바람직하게 산소 또는 증기를 포함한 분위기) 에 잉곳을 노출하여 산화시킬 수 있다. 산화층은 수 ㎛ (예를 들면, 3, 4, 5) 또는 심지어 10 ㎛ 이상의 두께로 성장 시킬 수 있다. 산화층의 두께가 산화 속도에 영향을 사이클 때문에 (따라서, 실리콘 격자간 원자들을 주입하는 속도에 영향을 줌), 1 사이클 또는 2 이상의 사이클 내에서 성장한 산화층 (예를 들면, 수소 또는 HF 증기) 를 떼어낸 후, 유지 기간 동안에 결정면을 재산화시키는데 유리할 수 있다.

단지 성장하고 있는 잉곳 (I) 의 직경은 잉곳의 직경이 증가함에 따라 진성 점결함이 더 큰 방경방향 거리를 횡단하기 때문에 진성 점결함의 확산에 필요한 시간에 영향을 준다. 잉곳 (I) 의 반경을 제곱하여 확산하는데 필요한 시간을 잰다. 따라서, 잉곳의 일정한 직경부는 약 150 ㎜ 이고, 잉곳을 T_A이상의 온도 (즉, 약 1050 ℃, 1000 ℃, 또는 심지어 900 ℃) 에 있어야 할 총시간은 적어도 약 10 시간, 바람직하게는 약 12 시간, 더 바람직하게는 적어도 약 15 시간임을 알 수 있다. 따라서, 비슷한 시스템 내에 T_A이상의 온도에서 200 ㎜ 잉곳이 있어야 할 총시간은 적어도 약 22 시간, 바람직하게는 적어도 약 25 시간, 더 바람직하게는 적어도 약 30 시간인 반면, 비슷한 시스템 내에 T_A이상의 온도에서 300 ㎜ 잉곳가 있어야 할 총시간은 적어도 약 48 시간, 바람직하게는 적어도 약 60 시간, 더 바람직하게는 적어도 약 75 시간이다. 외부 확산하는 정확한 시간을 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 설명될 수 있다는 사실이 이해되어야 한다.

이하 도 4 를 참조하여, 제 2 실시예의 공정을 설명한다. 이 공정은 성장 챔버 (112) 로부터 결정 인상기 (110) 의 인상 챔버 (116) 를 제거하지 않는 것을 제외하고는 제 1 실시예의 공정과 동일하다. 제 2 실시예에서는, 인상 챔버 (116) 를인상 챔버 (116) 옆의 홀딩 챔버 (140) 내부로 개방되도록 변형시켰다. 이 공정의 본 설명의 목적을 위해, 홀딩 챔버가 물리적으로 결정 인상기에 부착되어 있을지라도 홀딩 챔버 (140) 를 결정 인상기 (110) 의 일부로 포함시키지 않는다. 잉곳 (I) 을 완전히 성장시켜 인상 챔버 (116) 내부로 끌어당긴 후, 홀딩 챔버 (140) 로부터 인상 챔버를 분리하는 도어 (door) (미도시) 를 개방하여 잉곳을 적절한 시간 동안에 T_A이상의 온도로 유지되는 홀딩 챔버 내부로 이동시킨다. 홀딩 챔버 (140) 내부로 잉곳 (I) 을 운반하는 트랙 (track) (142) 을 나타내었다. 나타낸 실시예에서는, 홀딩 챔버 (140) 에는 히터 (144) 가 있다. 그 후, 열 로크(lock) (미도시) 내부로 이 잉곳 (I) 을 이동시켜서 냉각하고 홀딩 챔버의 열적 환경과 관계없이 홀딩 챔버 (140) 로부터 잉곳을 제거한다. 한편, 홀딩 챔버 (140) 로부터 인상 챔버 (116) 를 분리시키는 도어를 폐쇄할 수 있다. 또 다른 단 결정 잉곳 (미도시) 을 성장시키기 위해 인상 챔버 (116) 의 위치로 또 다른 윈치 장치 및 인상 와이어 (미도시) 를 이동시킨다.

도 5 에 본 발명의 제 3 실시예의 공정을 나타내었다. 인상 챔버 (216) 를 이동시키지 않고, 오히려 잉곳 (I) 을 홀딩 챔버 (240) 로 이동시켰기 때문에 도 4 에 나타낸 공정과 매우 유사하다. 오히려 인상 챔버 (216) 옆이 아니라 상부에 홀딩 챔버 (240) 를 위치시킨 점이 주된 차이점이다. 다시, 이미 성장한 잉곳 (I) 의 열상황에 관계없이 결정 인상기 (10) 내에 또 다른 잉곳 (I') 의 성장시킬 수 있는 위치에 윈치 장치 (218') 및 인상 와이어 (220') 를 이동시킨다.

상술한 본 공정의 각각의 실시예에서, 성장한 잉곳이 인상 챔버 내부에 외부 확산를 위한 충분한 시간동안 있어야 한다는 사실을 또한 주의해야 하며, 인상 챔버는 불균일한 열 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 다른 방식으로 설명하면, 성장한 잉곳의 적어도 일부분이 덩어리 진성 점결함을 형성하는 온도 (T_A) 이하로 냉각되기 때문에, 이 부분을 성장 챔버로부터 제거하거나 분리시킬 때 T_A를 이상의 온도로 유지시키는 것은 불필요하다. 사실상, 온도가 너무 높은 경우 (즉, 약 1175 ℃, 1200 ℃ 또는 그 이상), 확산 결과로써 진성 점결함의 농도가 다시 용해도 한계 또는 임계 농도이상으로 상승할 수 있기 때문에, 결정의 이 부분의 온도 프로파일은 온도 (T_A) 를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 이 부분의 온도가 너무 높지 않아야 하는 반면, 잉곳의 잔존 부분의 온도는 덩어리가 발생하지 않도록 충분히 높게 유지시켜야 한다.

불균일 열 프로파일을 채택한 경우, 시드 단부로부터 테일 단부까지 온도가 보통 약 1000 ℃ 로부터 약 1200 ℃ 까지, 좀 더 바람직하게는 약 1050 ℃ 로부터 1175 ℃ 까지의 범위로 점차 증가시켜야 한다. 그 후, 온도 (T_A) 를 이상의 온도를 갖는 잉곳 내부의 축의 위치는 본 발명에 따라서 바람직하게는 온도 프로파일이 균일해 질 때까지 냉각시킨다. 그 후, 종래 기술과 같이, 잉곳을 더 냉각시켜 부가적인 처리과정을 위해 제거할 수 있다.

불균일 온도 프로파일이 바람직하지만, 균일한 온도 프로파일도 채택할 수 있다는 사실을 주목해야 한다. 그러나, 균일 프로파일을 이용한 경우, 온도는 덩어리를 방지하기 위해 충분히 T_A이상이어야 하지만, T_A이하로 미리 냉각시킨 영역이 다시 (상술한 바와 같이) 임계 과포화 될 정도로 높아서도 안된다. 따라서, 온도는 1125 ℃ 로부터 1200 ℃ 까지의 범위가 바람직하며, 1150 ℃ 로부터 1175 ℃ 까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다. 일단 챔버 내부에 잉곳이 있는 경우, 그 후 본 발명에 따라서 이 균일 프로파일의 온도를 감소시켜 잉곳을 온도 T_A이하의 온도로 냉각시킨다. 그 후, 종래 기술과 같이, 이 잉곳을 더 냉각시킬 수 있고, 부가적인 처리를 위해 제거할 수 있다.

다음의 예는 본 발명을 예시한 것이다.

예

완전히 덩어리 진성 결함이 없는 물질을 생산할 수 있는 결정 인상기에서 2 개의 200 ㎜ 결정 잉곳을 성장시켰을 때, 잉곳은 도 6a 에 점선 (이하, "결함없는" 성장 속도 곡선) 으로 표시한 속도로 성장된다. 이 2 개의 결정을 동일한 목표 성장 속도 즉, 도 6a 에 실선으로 나타낸 정규 성장 속도 (즉, 임계 성장 속도에 관련된 실제 성장 속도, 통상적으로 임계 성장 속도에 대한 실제 성장 속도의 비율로써 표현) 로써 성장시켰다. 도시된 바와 같이, 초기에 일정 기간동안 "결함없는" 성장 속도 곡선을 초과하는 속도로 잉곳을 성장시킨 후, 일정기간 동안 "결함없는" 성장 곡선보다 낮은 속도로, 그 후 다시 일정기간 동안 "결함없는" 성장 속도 곡선을 초과한 속도로 성장시켰다. 잉곳 성장을 완료하자마자 결정 성장 챔버에서 첫번째 잉곳 (87GEX) 를 자연 냉각하였다. 그러나, 두 번째 잉곳 (87GEW) 는 결정 성장 챔버에서 자연 냉각하도록 하지 않고; 대신, 잉곳 성장을 완료하자마자, 결정 인상기의 핫존 내에 히터를 남겨두어 인상 챔버 내에 30 시간동안 잉곳을 방치하였으며; 온도 프로파일은, 이 기간 동안에 시드 단부로부터 약 400 ㎜ 이상의 잉곳 영역은 약 1050 ℃ 이상의 온도에 그리고, 시드 단부로부터 약 400 ㎜ 이하의 영역은 약 1050 ℃ 보다 낮은 온도에 유지시켰다.

성장 방향과 나란히 평행한 중심축을 따라서 세로로 잉곳을 얇게 자른 후, 각각 약 2 ㎜ 의 두께의 조각으로 더 나누었다. 구리 묘화 기술을 사용하여, 시드로부터 테일까지 각 잉곳을 구성하는 세로 방향의 영역들을 의도적으로 구리로 오염시킨 후 가열하였으며, 가열 조건은, 고농도의 구리가 용해되어 조각속으로 녹아 들어가는데 적합하도록 하였다. 이 열처리에 이어서, 산화물 덩어리 또는 덩어리 격자간 원자 결함들이 있는 곳에서 구리가 확산하거나 침전하는 시간 동안에 이 샘플을 급속히 냉각시켰다. 표준 결함을 나타내는 에칭을 한 후, 침전된 불순물의 존재에 대해 이 샘플들을 육안으로 검사하였고; 침전한 불순물이 없는 영역은 덩어리 격자간 원자 결함이 없는 영역과 일치한다. 그 후, 각 결정의 단면을 사진촬영하였으며 시드로부터 테일 단부까지 각 결정의 결과를 나타내기 위해 이 사진들을 합성하였다. 첫번째의 자연 냉각시킨 잉곳 (87GEX) 에 대한 합성 사진을 도 6b 에 도시하고 두번째의 온도를 유지한 잉곳 (87GEW) 에 대한 합성 사진을 도 6c 에 도시하였다.

이하 도 6a, 6b, 6c 를 참조하면, 자연 냉각한 잉곳 (87GEX) 에는 길이 0 ㎜ 로부터 약 393 ㎜ 까지는 덩어리 빈격자점 결함, 약 393 ㎜ 로부터 약 435 ㎜ 까지는 비덩어리 진성 점결함, 약 435 ㎜ 로부터 약 513 ㎜ 까지는 덩어리 진성 점결함, 약 513 ㎜ 로부터 약 557㎜ 까지는 비덩어리 진성 점결함 그리고, 557 ㎜ 로부터 결정의 단부까지는 덩어리 빈격자점 결함이 존재한다. 이들은 이 핫존에 있어서 결함없는 성장 조건의 상부, 내부, 및 하부 영역에 대응한다. 온도를 유지한 잉곳 (87GEW) 에는 0 ㎜ 로부터 약 395 ㎜ 까지 덩어리 빈격자점 결함, 약 395 ㎜ 로부터 약 584 ㎜ 까지 비덩어리 진성 점결함, 및 약 584 ㎜ 부터 결정의 단부까지의 덩어리 빈격자점 결함이 있다. 따라서, 이 2 개의 잉곳 사이의 가장 큰 차이점은, 온도를 유지한 잉곳 (87GEW) 와 달리 자연 냉각시킨 잉곳 (87GEX) 는 덩어리 진성 점결함이 있는약 435 ㎜ 로부터 약 513 ㎜ 까지의 영역을 갖는다는 것이다. 온도 유지 기간 동안에, 온도를 유지한 잉곳 (87GEW) 내의 격자간 원자 실리콘 원자의 농도는 격자간 원자의 잉곳면 및 빈격자점 우세 영역으로의 부가적 확산에 의해 억제되며, 격자간 원자에 대한 임계 과포화 및 덩어리 반응에 뒤이어 결정 응고가 일어나는 것을 피할 수 있다. 그러나, 자연 냉각한 잉곳에서는 표면 및 빈격자점 우세 영역으로 부가적인 확산을 하는데 허용되는 시간이 불충분하여, 그 결과 이 시스템은 실리콘 격자간 원자가 임계 과포화되며, 덩어리 반응이 발생한다.

따라서, 이들 잉곳들은 충분한 시간 및 충분히 높은 온도가 주어지면, 실질적으로 실리콘 격자간 원자의 모든 양이 표면으로 확산할 수 있을을 나타낸다.

또한, 도 6a 에 나타낸 "결함없는" 성장 속도 곡선은 이 결정 인상기 구성에 있어서 자연 냉각하에서 덩어리 진성 결함이 전혀 없는 물질을 제공하는 결정 성장 속도의 범위에 속한다. 이 핫존 구성에 있어서 자연 냉각하에 있더라도, 덩어리 빈격자점 결함을 형성하는 성장 속도 (P_V) 와 덩어리 진성 점결함을 형성하는 성장 속도 (P_I) 사이에 결정 성장 속도의 범위가 있으며; 이 범위는 적어도 P_V및P_I의 평균의 ±5 % 이다. 약 1050 ℃ 이상의 온도에서 성장한 결정의 체류 시간을 증가시킬 때, 이 범위는 예를 들면, P_V및P_I의 평균의 적어도 ±7.5 %, 적어도 ±10 %, 또는 심지어 적어도 ±15 % 범위 이상으로 더 증가된다 (예를 들면, 결정 87 (GEW) 의 거류시간은 매우 커서 P_I값을 얻을 수 없어서, 이 결정에 대한 P_I는 얻을 수 있는 가장 낮은 인상 속도보다 낮음). 이 결과들을 하기 표 (I) 에 나타내었다.

윈도우 (window) 크기의 증가 (또는 결함없는 성장을 위한 허용가능한 인상 속도 변화) 는 실질적으로 더 느린 인상 속도로 한정된다 (즉, 빈격자점 대 격자간 원자 우세 물질에 대한 임계 v/G 보다 작은값 (빈격자점의 격자간 원자 소멸을 참작하여 약간 작은 델타값을 더함)). 이 효과는 빈격자점보다 더 빠른 확산 원소인 실리콘 격자간 원자들 즉, 격자간 원자 우세 물질에서 가장 강하다. 즉, 윈도우는 낮은 인상 속도에 대해 더 빨리 개방한다. 원칙적으로, 빈격자점 우세 물질 내부로 보다 빠른 인상속도 (임계 v/G 값에 약간의 델타값을 더한 값보다 큼) 로의 허용가능한 인상 속도 변화에 대한 윈도우는, 1050 ℃ 보다 높은 온도로 유지하는 거주시간을 증가시켜서-이때 빈격자점은 표면으로 확산하나 이것은 충분히 긴 시간을 필요로 한다- 보다 빠른 인상률에 대해서도 개방할 수 있다.

주어진 결정 인상기 및 핫존 구성에 있어서, 축방향 온도 그래디언트 (G₀) 는 천이영역이 있는 짧은 거리에 대해 상대적으로 거의 일정하다고 가정할 수 있다. 그 결과, 결정 성장 속도의 변화가 v/G₀즉, 빈격자점 및 실리콘 격자간 원자의 초기 농도에 변화에 비례하게 된다. 그러나, 일반적으로, 잉곳 중심에서의 v/G₀의 값은 표면으로부터 가장 먼 거리이므로 최고 임계값이다. 따라서, 이 예의 결과는 약 1000 ℃ 보다 높은 온도에서 증가된 체류 시간을 통해 얻은 인상 속도 변화의 증가는, v/G₀의 대응되는 변화가 결정의 반경을 따라서 임의의 지점에서 발생할 수 있음을 나타낸다. 즉, v/G₀의 방경방향 변화는 무의미하며, 중심으로부터 임의의 거리에서 잉곳의 중심의 v/G₀의 값의 예를 들면, 10 %, 15 % 또는 그 이상인 값을 가질 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 여러 목적들을 달성할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 구성 및 공정은 본 발명의 범주에서 이탈함이 없이 다양하게 변경할 수 있으므로, 상술한 설명에 포함된 모든 내용을 예시한 것으로 한정하려는 것이 아니다.

Claims

시드콘, 엔드콘 및 시드콘과 엔드콘 사이의 일정한 직경 부분을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을, 초크랄스키 방법에 따라서 실리콘 용융체로부터 성장시켜 제조하는 공정으로서,

상기 실리콘 용융체로부터 상기 잉곳을 성장시키는 단계, 및

적어도 잉곳의 일정한 직경 부분이 덩어리진 진성 점결함이 거의 없도록 상기 잉곳을 성장하는 시간 동안에, 상기 잉곳의 어떤 부분도 냉각되지 않도록, 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A) 보다 낮은 온도까지 상기 잉곳의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 1 항에 있어서,

상기 잉곳은, 진성 점결함의 외부 확산을 일으키는데 요하는 용해도 한계 이하로 진성 점결함의 농도를 얻기위해, 선택한 기간 동안에 T_A이상의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 2 항에 있어서,

상기 잉곳은 상기 잉곳의 성장후 일정기간 동안에 T_A이상의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

T_A는 실리콘의 응고 온도보다 낮고 약 1050 ℃ 보다 높은 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

T_A는 실리콘의 응고 온도보다 낮고 약 900 ℃ 보다 높은 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

상기 잉곳이 격자간 원자 진성 점결함이 우세하도록, 상기 잉곳은 성장 속도 (v), 및 평균 축방향 온도 그래디언트 (G₀) 를 제어하여 성장되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

상기 v/G₀의 비율은 약 2.1×10^-5㎠/s-K 보다 작게 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 150 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 12 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 200 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 22 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 3 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 300 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 48 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 1 항에 있어서,

반도체 생산 설비내의 위치한 결정 인상기에서 수행되며,

상기 공정은 또 다른 단결정 실리콘 잉곳의 성장을 위해 결정 인상기를 냉각 및 재시작할 수 있는 T_A이상의 온도로 잉곳을 유지시키면서 상기 위치로부터 잉곳을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 11 항에 있어서,

결정 인상기는 하부 성장 챔버 및 상부 인상 챔버를 가지며,

상기 잉곳을 제거하는 단계는,

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 격리시키는 단계,

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 분리하는 단계, 및

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 12 항에 있어서,

또 다른 인상 챔버를 성장 챔버 상부의 위치 내부로 이동시키는 단계, 및

상기 성장 챔버에 상기 다른 인상 챔버를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 11 항에 있어서,

상기 결정 인상기는 하부 성장 챔버 및 상부 인상 챔버를 가지고,

상기 잉곳을 제거하는 단계는,

상기 인상 챔버로부터 상기 인상 챔버에 인접한 홀딩 챔버로 잉곳을 이동시키는 단계, 및

상기 잉곳을 T_A이상의 온도로 유지하기 위해 상기 홀딩 챔버를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 1 항에 있어서,

상기 잉곳에서 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A) 이상의 온도에서 상기 잉곳을 유지하면서 상기 잉곳을 산화 분위기에 노출시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 15 항에 있어서,

상기 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A)이상의 온도에서 상기 잉곳을 유지하면서 잉곳을 적어도 한 사이클로 노출시키고,

상기 사이클의 제 1 단계에서는 잉곳을 산화 분위기에 노출하고, 상기 사이클의 제 2 단계에서는 잉곳면으로부터 이산화 실리콘을 분해하거나 제거하는 분위기에 잉곳을 노출시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
시드콘, 엔드콘 및 시드콘과 엔드콘 사이의 일정한 직경 부분을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을, 하부 성장 챔버 및 상부 성장 챔버를 포함하는 결정 인상기에서 초크랄스키 방법에 따라서 실리콘 용융체로부터 잉곳을 성장시켜 제조하는 공정으로서,

상기 결정 인상기를 상기 성장 챔버 내에 위치한 실리콘 용융체와 접촉하도록 시드 결정을 하강시키는 단계;

단결정 실리콘 잉곳을 형성하기 위해 상기 용융체로부터 실리콘을 동결하도록 상기 용융체로부터 상기 시드 결정을 후퇴시키는 단계;

완전히 형성한 잉곳을 상기 인상 챔버 내부로 인상시키는 단계;

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 격리시키는 단계; 및

상기 잉곳내에 진성 점결함의 덩어리가 발생하는 T_A이상의 온도로 상기 인상 챔버 내부를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 17 항에 있어서,

상기 잉곳은, 진성 점결함의 외부 확산을 일으키는데 요하는 용해도 한계 이하로 진성 점결함의 농도를 얻기위해, 선택한 기간 동안에 T_A이상의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

T_A는 실리콘의 응고 온도보다 낮고 약 1050 ℃ 보다 높은 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

T_A는 실리콘의 응고 온도보다 낮고 약 900 ℃ 보다 높은 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

상기 잉곳이 격자간 원자 진성 점결함이 우세하도록, 상기 잉곳은 성장 속도 (v), 및 평균 축방향 온도 그래디언트 (G₀) 를 제어하여 성장되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

상기 v/G₀의 비율은 약 2.1×10^-5㎠/s-K 보다 작게 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 150 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 12 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 200 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 22 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 18 항에 있어서,

상기 잉곳의 일정한 직경 부분의 상기 직경은 약 300 ㎜ 이고, 잉곳의 성장 개시로부터 상기 잉곳을 온도 T_A이상으로 유지하는 시간은 적어도 약 48 시간인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 17 항에 있어서,

반도체 생산 설비내의 위치한 결정 인상기에서 수행되며,

상기 공정은 또 다른 단결정 실리콘 잉곳의 성장을 위해 결정 인상기를 냉박 및 재시작할 수 있는 T_A이상의 온도로 잉곳을 유지시키면서 상기 위치로부터 잉곳을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 26 항에 있어서,

상기 잉곳을 제거하는 단계는,

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 분리하는 단계, 및

상기 성장 챔버로부터 상기 인상 챔버를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 27 항에 있어서,

또 다른 인상 챔버를 성장 챔버 상부의 위치 내부로 이동시키는 단계, 및

상기 성장 챔버에 상기 다른 인상 챔버를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 26 항에 있어서,

상기 잉곳을 제거하는 단계는,

상기 인상 챔버로부터 상기 인상 챔버에 인접한 홀딩 챔버로 잉곳을 이동시키는 단계, 및

상기 잉곳을 T_A이상의 온도로 유지하기 위해 상기 홀딩 챔버를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 17 항에 있어서,

상기 잉곳에서 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A) 이상의 온도에서 상기 잉곳을 유지하면서 상기 잉곳을 산화 분위기에 노출시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.
제 30 항에 있어서,

상기 진성 점결함의 덩어리가 일어나는 온도 (T_A)이상의 온도에서 상기 잉곳을 유지하면서 잉곳을 적어도 한 사이클로 노출시키고,

상기 사이클의 제 1 단계에서는 잉곳을 산화 분위기에 노출하고, 상기 사이클의 제 2 단계에서는 잉곳면으로부터 이산화 실리콘을 분해하거나 제거하는 분위기에 잉곳을 노출시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 공정.