KR20030081364A - 응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는 저-철 단결정실리콘을 준비하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 오염이 감소된 단결정 실리콘을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 흑연 기판 및 성장 챔버의 분위기에 노출되는 기판의 표면을 커버하는 실리콘 카바이드 보호층으로 구성된 적어도 하나의 구조적 컴포넌트를 포함한다. 상기 흑연 기판은 약 1.5×10¹²원자/cm³정도의 철 농도를 가지며 실리콘 카바이드 보호층은 약 1.0×10¹²원자/cm³정도의 농도를 갖는다.

Description

응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는 저-철 단결정 실리콘을 준비하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND PROCESS FOR THE PREPARATION OF LOW-IRON SINGLE CRYSTAL SILICON SUBSTANTIALLY FREE OF AGGLOMERATED INTRINSIC POINT DEFECTS}

반도체 전자 컴포넌트의 대부분의 제조 프로세스를 위한 원료 물질(starting material)인 단결정 실리콘은 일반적으로 소위 초크랄스키 프로세스로 준비된다. 이 프로세스에서, 다결정 실리콘("폴리실리콘")이 도가니(crucible)에 채워지고, 폴리실리콘이 용융되고, 시드 결정(seed crystal)이, 용융된 실리콘에 담궈지며(immerse) 저속 인상(extraction)을 통해 단결정 실리콘 잉곳이 원하는 직경으로 성장된다. 네크(neck) 형성이 완성된 후, 상기 결정이 원하는 직경 또는 목표한 직경에 도달할 때까지, 인상 속도 및/또는 용융 온도를 감소시킴으로써 상기 결정의 직경이 확대된다. 다음으로, 인상 속도 및 용융 온도를 제어하면서 감소된 용융체의 액위(液位)를 보상함으로써 거의 일정한 직경을 갖는 상기 결정의 원통형 본체가 성장된다. 성장 프로세스가 거의 종료될 때, 그러나 용융된 실리콘이 도가니에서 소진되기 전에, 상기 결정의 직경이 점차 감소되어 엔트-콘(end-cone)이 형성되어야 한다. 통상적으로 엔드-콘은 결정 인상 속도 및 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 직경이 충분히 작아질 때, 상기 결정은 용융체(melt)로부터 분리된다.

결정 성장 프로세스 동안, 다결정 실리콘 충진재(charge), 석영 도가니, 그리고, 도가니 주위의 열 흐름 및 성장 결정의 냉각 속도를 제어하는 서셉터, 히터, 열 차폐물(shield) 또는 절연물(insulation) 등의 흑연 핫 존(hot zone)의 구조적 컴포넌트를 통해 결정 내에 철이 제공된다. 다결정 충진재 및 도가니 내의 철 불순물이 용융체 전체로 확산되어, 잉곳 및/또는 웨이퍼의 반경 방향을 따라 변화하지 않는 철 농도를 생성한다. 반대로, 흑연인 구조적 컴포넌트 외부에 증착되는 금속 불순물은 주변으로부터 성장 결정 내로 확산된다. 그 결과, 일반적으로 금속 불순물 및 철의 농도는, 특히 중심 축으로부터 결정의 에지로 반경 방향으로 외부로 갈수록 증가한다. 반경 상의 변화 이외에, 잉곳 내의 철의 농도는 축 방향으로 변화한다. 통상적으로, 잉곳의 본체에서의 철 농도는 시드 단부로부터 꼬리 단부까지 축 방향으로 감소된다. 철의 축 방향 변화는 잉곳의 초기 성장 부분이 잉곳의 추후 성장 부분보다 긴 시간 주기 동안 증착된 철에 노출된다는 사실에 부분적으로 기인한다.

중금속은 실리콘 소자의 전기적 특성에 강한 영향을 준다. 초기의 전기적효과는 실리콘 밴드갭의 중심 근처에 에너지 준위를 도입하는 것이다. 이 준위는 재결합 중심으로 작용하여 소수 캐리어의 재결합 수명, 누설 전류 등의 전기적 특성에 강한 영향을 주는 물질 파라미터, 스위칭 동작 및 금속 산화물 반도체(MOS) 메모리에서의 기억 시간을 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 생성 중심으로서의 중간 에너지 준위의 역할이 p-n 접합의 이상적인 전류-전압 특성에 영향을 주어 이를 왜곡시킬 수 있다. 금속 불순물은 종종 실리콘 기판 표면 상의 활성 영역에 형성되는 금속 침전, 결함 적층 또는 전위(dislocation) 등의 다양한 형태의 격자 결함을 초래한다. 표면 상의 이 결함들은 소자의 성능 및 수율에 치명적인 영향을 준다. 특히, 철과 몰리브덴은 실리콘 웨이퍼에서의 소수 캐리어의 수명을 감소시키고, 구리와 니켈은 그 결과로 형성된 결정에서 산소 유발 적층 결함을 초래할 수 있다는 것이 공지되어 있다.

성장 결정 주위에 위치한 흑연인 부분들로부터 기체로 방출될 수 있는 오염물로 결정이 오염되는 위험을 감소시키기 위하여, 보호 장벽층으로 핫 존 내의 흑연인 컴포넌트를 코팅하는 것이 일반적이다. 통상적으로, 보호 층은 실리콘 카바이드인데, 이는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide)가 비교적 높은 순도, 화학적 안정성 및 내열성을 가지기 때문이다. 예를 들어, D. Gilmore, T. Arahori, M. Ito, H. Murakami 및 S. Miki 등에 의해 J. Electrochemical Society, Vol.145, No. 2(1998년 2월), 621-628쪽에 개시된 "CZ 성장된 단결정 실리콘에서의 방사상 불순물 분포에 대한 흑연 로 부분의 영향"을 참조. 실리콘 카바이드 코팅은 흑연의 표면을 밀봉함으로써 불순물이 기체로 방출되는 것에 대한 장애물을 제공하여, 그레인 경계 및 벌크 확산 메카니즘(grain boundary and bulk diffusion mechanisms)에 의해 불순물이 상기 코팅을 통과하는 것을 필요로 한다.

실리콘 카바이드 박막층으로 코팅된 흑연 기판은 어느 정도까지 이러한 문제점을 극복하기 위해 사용되어 왔지만, "폐쇄형" 핫 존 구성 및 실리콘 웨이퍼에서의 금속 함유량에 대한 더욱 엄격한 규격의 도입으로 실리콘 카바이드로 코팅된 현재의 흑연 기판이 불만족스러웠다. 폐쇄형 핫 존 구성은, 무엇보다도, 임계 온도 범위(예를 들어, 대략 응고점, 즉 약 1300℃ 내지 약 1050℃ 사이) 동안 성장 실리콘 잉곳의 냉각 속도를 제어함으로써 응집된 고유 점 결함(agglomerated intrinsic point defects)[예를 들어, D-결함, 플로우 패턴(Flow Pattern) 결함, 게이트 산화막 인테그리티(Gate Oxide Integrity) 결함, 결정 유발성 입자(Crystal Originated Particle) 결함, 결정 유발성 라이트 점(Crystal Originated Light Point) 결함 및 인터스티셜(interstitial) 형태의 전위 루프]의 밀도를 감소시키기 위해 구현되었다. 통상적으로, 용융된 표면 상에 상부, 중간 및 하부 열 차폐물 등의 구조적 컴포넌트를 포함함으로써 냉각 속도는 부분적으로 제어된다. 예를 들어, 미국 특허 5,942,302호를 참조. 비교하면, 응고점인 약 1300℃ 내지 약 1000℃의 잉곳 온도에 있어서, 폐쇄형 핫 존 설계는 통상적으로 냉각 속도를 약 0.8℃/mm 내지 약 1.0℃/mm로 제한하는 반면, 통상의 개방형 핫 존 설계는 잉곳을 약 1.4℃/mm 내지 약 1.6℃/mm로 냉각시킨다.

응집된 고유 점 결함의 형성을 피하기 위해, 폐쇄형 핫 존 설계를 이용하는 것 이외에, 단결정 실리콘 잉곳은, (i) 150mm의 공칭 직경을 갖는 실리콘 결정에대해 적어도 약 5시간, 바람직하게는 적어도 약 10시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 15시간, (ii) 200mm의 공칭 직경을 갖는 실리콘 결정에 대해 적어도 약 5시간, 바람직하게는 적어도 약 10시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 20시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 25시간, 가장 바람직하게는 약 30시간, 및 (iii) 200mm를 초과하는 공칭 직경을 갖는 실리콘 결정에 대해 적어도 약 20시간, 바람직하게는 약 40시간, 보다 바람직하게는 적어도 약 60시간, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 75시간의 주기 동안, 응고점의 온도 내지 약 1050℃ 내지 약 900℃ 사이의 온도, 바람직하게는 약 1025℃ 내지 약 925℃ 사이의 온도에서 유지되도록 한다. 그러나, 잉곳이 냉각되는 정확한 시간과 온도가, 적어도 부분적으로는, 고유 점 결함의 농도, 과포화 및 응집의 발생을 방지하기 위하여 확산되어야 하는 점 결함의 개수, 그리고 주어진 고유 점 결함이 확산되는 속도(즉, 고유 점 결함의 확산계수)의 함수라는 것에 유의하여야 한다.

폐쇄형 핫 존이, 응집된 고유 점 결함을 효과적으로 감소시키지만(예를 들어, 개방형 핫 존 설계에서 성장된 단결정 실리콘은 통상적으로 약 1×10³내지 약 1×10⁷결함/cm³을 갖는 반면, 폐쇄형 핫 존에서 성장된 단결정 실리콘은 통상적으로 약 1×10³결함/cm³미만을 갖는다), 구조적인 흑연 량의 증가, 온도의 상승, 성장하는 잉곳 및 용융체에 대한 구조적 컴포넌트의 근접화 및 인상 프로세스의 주기의 장기화는 성장된 실리콘으로 확산되는 철이 증가하는 데 기여한다. 예를 들어,통상의 개방형 핫 존에서 성장된 결정은 보통 약 1.0 ppta(10¹²(1조) 원자 당 부분)의 평균 철 농도 및 약 1.0 내지 약 1.5 ppta의 에지 철 농도를 갖는 반면, 통상의 폐쇄형 핫 존에서 성장된 결정은 보통 5 내지 10 ppta의 평균 철 농도 및 100 ppta 정도의 에지 철 농도를 갖는다.

PCT/US98/07305, PCT/US98/07365 및 PCT/US99/14285와 함께, 미국 특허 제 5,919,302호는 응집된 결함이 실질적으로 없는 단결정 실리콘을 성장시키기 위한 보다 상세한 사항을 제공한다. 전술한 특허 및 출원에 개시되어 있는 모든 내용은 이에 의해 모든 목적을 위해 여기에 인용되었다.

따라서, 결정 인상 장치의 핫 존 내의 구조적 컴포넌트로부터 발생된 미립자로 인해 성장 프로세스 동안 실리콘 결정에 들어오는 금속 오염물의 레벨을 보다 감소시킬 수 있는 방법이 반도체 산업에서 요구되고 있다.

본 발명은 감소된 수준의 금속 오염을 갖는 단결정 실리콘을 준비하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 초크랄스키(Czochralski) 결정 인상 장치의 결정 성장 챔버에서의 구조적 컴포넌트가 감소된 농도의 철(iron)을 갖는 저-철(low-iron) 불순물 단결정 실리콘을 준비하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 실리콘 단결정 인상 장치의 다이어그램

도 2는 샘플의 철 농도를 결정하기 위하여 흑연 및 실리콘 카바이드로 코팅된 흑연 샘플으로부터 철을 확산시키기 위해 사용된 장치의 다이어그램

도 3은 코팅되지 않는 경우 및 2개의 상이한 실리콘 카바이드 층으로 코팅되는 경우의 4개의 상이한 흑연 샘플의 철 농도를 나타내는 그래프

도 4는 3가지 조건, 즉 통상의 구조적 컴포넌트로 구현된 핫 존, 별도의 50 리터/분의 아르곤 퍼지 가스를 갖는 것 외에는 동일한 핫 존, 그리고 낮은 불순물의 구조적 컴포넌트로 구현된 핫 존, 이렇게 세 가지 조건들 하에서 인상된 3개의 잉곳에 대한 축 위치의 함수로서 평균 에지 철 농도를 나타낸 그래프

일반적으로, 본 발명은 초크랄스키 프로세스에 의해 성장된 실리콘 단결정을 제조하기 위한 결정 인상 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 상기 장치는 성장 챔버 및 상기 성장 챔버 내에 배치된 구조적 컴포넌트를 포함한다. 상기 구조적 컴포넌트는 기판, 그리고 성장 챔버의 분위기에 노출되는 기판의 표면을 커버하는 보호층을 포함한다. 상기 기판은 흑연을 포함하고 약 1.5×10¹²원자/cm³이하의 철 농도를 가지며 상기 보호층은 실리콘 카바이드를 포함하고 약 1.0×10¹²원자/cm³이하의 철 농도를 갖는다.

또한, 본 발명은 실리콘 결정 성장 동안, 철을 함유한 실리콘 단결정의 오염을 제어하는 프로세스에 관한 것이다. 상기 프로세스는 기판, 그리고 성장 챔버의 분위기에 노출되는 기판의 표면을 커버하는 보호층을 포함하는 구조적 컴포넌트로 구현된 결정 인상 장치의 성장 챔버 내에 용융된 실리콘 풀(pool)로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단계를 포함한다. 상기 기판은 흑연을 포함하고 약 1.5×10¹²원자/cm³이하의 철 농도를 갖는다. 상기 보호층은 실리콘 카바이드를 포함하고 약 1.0×10¹²원자/cm³이하의 철 농도를 갖는다.

본 발명의 다른 목적 및 특징은 부분적으로는 명백하며, 부분적으로는 이하에서 설명될 것이다.

본 발명에 따르면, 성장 챔버, 폐쇄형 핫 존 및 고 순도의 구조적 컴포넌트를 포함하는 결정 인상 장치 내에서 실리콘 단결정을 인상함으로써, 성장 결정에서의 철의 불순물 농도가 상당히 감소된다는 것이 발견되었다.

도 1를 참조하면, 총칭하여 2로 표시된 결정 인상 장치가 도시되어 있다. 상기 장치는 결정 성장 챔버(4) 및 결정 챔버(6)를 포함한다. 실리콘 단결정을 성장시키기 위해, 용융된 폴리실리콘(26)을 담고 있는 실리카 도가니(8)가 결정 성장 챔버(4) 내에 포함되어 있다. 와이어 회전 장치(도시되지 않음)에 부착된 인상 와이어(도시되지 않음)는 동작 동안 성장 결정을 저속으로 인상하기 위해 사용된다. 또한, 결정 성장 챔버(4) 내에는 도가니를 제 위치에 고정시키기 위한 서셉터(14), 용융된 실리콘을 가열하기 위한 용융 히터(16) 및 도가니 주위에 열을 유지시키기 위한 용융 히터 차폐물(18) 등의 도가니를 둘러싸는 다수의 구조적 컴포넌트가 포함되어 있다. 폐쇄형 핫 존 디자인을 갖는 성장 챔버는 또한 내부 반사기(32), 외부 반사기(33) 및 동축으로 배치된 내부 및 외부 반사기(32, 33) 사이에 협지된 절연층(34)으로 각각 구성된 하부 열 차폐물(31) 등의 구조적 컴포넌트를 포함할 수 있다. 폐쇄형 핫 존 디자인을 또한 중간 열 차폐물(35) 및 상부 히터 차폐물(36)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 구조적 컴포넌트는 통상적으로 흑연으로 구현되어 있으며, 도가니 주위의 열 흐름 및 실리콘 단결정의 냉각 속도를 제어한다. 상부 히터(37), 상부 절연 지지대(38) 또는 상부 절연 차폐물(39) 등의 다른 구조적 컴포넌트 또한 본 발명의 용도를 위해 준비될 수 있다는 것을 당업자는 인식해야만 한다.

도 1은 또한 성장 챔버 내의 구조적 컴포넌트(예를 들어, 하부 열 차폐물(31), 중간 열 차폐물(35) 및 상부 히터 차폐물(36))로부터 발산되는 철을 함유하는 성장중인 단결정 잉곳(10)에서의 철 오염을 도시하고 있다. 잉곳의 그늘진 부분(12)(스케일되지 않음)은 통상의 구조적 컴포넌트로 구현된 폐쇄형 핫 존에서 성장된 실리콘 잉곳의 "에지" 철 오염을 나타낸다. 에지 철은 잉곳/웨이퍼의 원주 둘레의 철 오염에 대한 일반적인 명칭이다. 통상적으로, 에지 철 오염의 정도는 "에지 철 농도"라 불리우며, 이는 원주 에지로부터 반경 방향으로 내부로 약 5 밀리미터만큼 연장된 실리콘 웨이퍼 또는 잉곳의 본체의 환형 부분에 대한 평균 철 농도이다. 에지 철 오염의 정도는 또한 전체 실리콘 웨이퍼 또는 잉곳의 본체 전체에 대한 철의 평균 농도인 "평균 철 농도"에 영향을 준다.

본 발명에 따르면, 성장 챔버에서 이용된 구조적 컴포넌트는 기판 및 보호층을 포함한다. 본 발명의 기판은 흑연을 포함하고, 상기 기판은 바람직하게는 적어도 약 99.9%의 순수한 흑연이고, 보다 바람직하게는 적어도 약 99.99% 이상의 순수한 흑연이다. 아울러, 흑연은 철, 몰리브덴, 구리 및 니켈 등의 전체 금속을 바람직하게는 약 3 ppmw, 더 바람직하게는 약 1.5 ppmw 미만으로 포함한다. 통상의 핫 존의 흑연에서의 철의 농도는 약 2.8×10¹⁶원자/cm³(1.0 ppmw) 내지 약 1.4×10¹⁵원자/cm³(0.05 ppmw)의 범위이다. 그러나, 본 발명에 따라 사용된 기판에서의 철의 농도는 최대 약 1.5×10¹²원자/cm³, 바람직하게는 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³, 더바람직하게는 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³, 그리고 더욱 더 바람직하게는 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³이다.

성장 챔버의 분위기에 노출된 적어도 기판의 표면을 커버하는 보호층은 실리콘 카바이드를 포함하고, 상기 보호층은 바람직하게는 약 99.9% 내지 99.99%의 실리콘 카바이드를 포함한다. 바람직하게는, 기판의 전체 표면은 보호층으로 커버된다. 바람직하게는, 실리콘 카바이드 보호 코팅은 철, 몰리브덴, 구리 및 니켈 등의 전체 금속을 바람직하게는 약 2 ppmw 미만, 더 바람직하게는 약 1.5 ppmw 미만으로 포함한다. 통상의 핫 존 실리콘 카바이드 코팅에서의 철의 농도는 약 0.8 내지 약 0.5 ppmw의 범위이다. 반대로, 본 발명에 따라 사용된 보호 코팅에서의 철의 농도는 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³, 바람직하게는 철의 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³, 더 바람직하게는 철의 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³이다. 보호 코팅의 두께는 통상 적어도 약 75 마이크로미터, 바람직하게는 약 75 내지 약 125 마이크로미터, 더 바람직하게는 약 100 마아크로미터이다.

본 발명의 프로세스에 따르면, 폐쇄형 핫 존에서 성장된 단결정 실리콘 잉곳의 평균 철 농도 및 에지 철 농도는 적어도 하나의 통상의 핫 존 컴포넌트를 전술한 관점에서 구현된 적어도 하나의 낮은 철 불순물 컴포넌트(예를 들어, 상부 히터, 상부 히터 차폐물, 중간 열 차폐물, 내부 반사기, 외부 반사기 및 하부 열 차폐물, 중간 열 차폐물, 상부 절연 지지대 및 상부 절연 차폐물로 구성된 절연층)로대체함으로써 감소된다. 더욱 상세하게는, 단결정 실리콘에서의 (평균 및 에지) 철 농도는 적어도 약 80 시간의 성장 프로세스 동안 적어도 약 950℃에 도달하고, 용융된 실리콘 또는 잉곳으로부터 약 3cm 내지 약 5cm 내의 위치에 있는, 적어도 하나의 낮은 철 불순물의 구조적 컴포넌트를 이용함으로써 감소된다. 성장 챔버 내의 이러한 저 철의 구조적 컴포넌트 개수의 증가로 평균 및 에지 철 농도가 감소되는 것이 관찰되었다. 따라서, 바람직하게는 하나 이상의 통상적인 핫 존 컴포넌트는 저 철 컴포넌트로 대체된다. 예를 들어, 잉곳 성장 프로세스 동안 이어지는 6개의 통상의 컴포넌트: 상부 히터, 상부 히터 차폐물, 중간 열 차폐물, 내부 반사기, 외부 반사기 및 하부 열 차폐물의 절연층을 낮은 철 불순물 컴포넌트로 대체함으로써 약 5 ppta 미만의 에지 철 농도 및 약 3 ppta 미만의 평균 철 농도를 갖는 실리콘 잉곳/웨이퍼가 제조된다는 것이 관찰되었다. 바람직하게는, 에지 철 농도는 약 3 ppta 미만이고, 평균 철 농도는 약 2 ppta 미만이며, 보다 바람직하게는 에지 철 농도는 약 1 ppta 미만이고 평균 철 농도는 약 0.8 ppta 미만이다. 바람직하게는, 2개의 추가 컴포넌트, 즉 상부 절연 지지대 및 하부 절연 지지대가 대체된다. 보다 바람직하게는, 적어도 약 80 시간의 성장 프로세스 동안 적어도 약 950℃에 도달하고 용융된 실리콘 또는 성장하고 있는 잉곳으로부터 약 3cm 내지 약 5cm 내에 위치한 모든 구조적 컴포넌트는 낮은 철 불순물의 구조적 컴포넌트로 대체된다.

정의

여기에서 사용되는 바와 같이, 다음의 구(phrase) 또는 용어는 주어진 의미를 갖는다. "응집된 고유 점 결함"(agglomerated intrinsic point defect)은 (i) 베이컨시(vacancy)가 응집되어 D-결함, 플로우 패턴 결함, 게이트 산화막 인테그리티 결함, 결정 유발성 입자 결함, 결정 유발성 라이트 점 결함 및 다른 베이컨시 관련 결함이 발생되는 반응 및 (ii) 셀프-인터스티셜(self-interstitial)이 응집되어 전위 루프 및 네트워크 및 다른 셀프-인터스티셜 관련 결함이 발생되는 반응에 의해 초래되는 결함을 의미한다. "응집된 인터스티셜 결함"은 실리콘 셀프-인터스티셜 원자가 응집되는 반응에 의해 초래되는 응집된 고유 점 결함을 의미한다. "응집된 베이컨시 결함"은 결정 격자 베이컨시가 응집되는 반응에 의해 초래되는 응집된 베이컨시 점 결함을 의미한다. "응집된 고유 점 결함이 실질적으로 없는"은 이러한 결함의 검출 한계 미만이고 일반적으로 약 10³결함/cm³인 응집된 결함의 농도를 의미한다. "반경"은 웨이퍼 또는 잉곳의 중심 축에서 원주 에지에 이르는 측정 거리를 의미한다.

단순히 예시를 위한 것이지 발명의 권리 범위 또는 실시될 수 있는 방식을 제한하는 것으로 간주되지 않는 다음의 예들에 의해 본 발명이 더욱 설명된다.

예 1

폐쇄형 핫 존의 구조적 컴포넌트에서 수용 가능한 철 불순물의 농도 결정

수평 로(furnace) 튜브는 가스 확산을 통해 4개의 샘플, 즉 1) 어떠한 보호 코팅도 없는 표준 흑연 샘플, 2) 공급 장치 A로부터의 실리콘 카바이드로 코팅된 표준 흑연, 3) 공급 장치 B로부터의 실리콘 카바이드로 코팅된 표준 흑연 및 4) 공급 장치 C로부터의 실리콘 카바이드로 코팅된 표준 흑연에, 모니터 웨이퍼를 노출시키기 위해 사용되었다. 상기 샘플들은 약 50mm×50mm×25mm의 크기의 쿠폰(coupon)이다. 용해된 실리카 마스크는 각 테스트 샘플으로부터 모니터 웨이퍼를 분리하기 위해 이용되었다. 마스크의 4개의 구멍을 통해 샘플 물질로부터 생성된 가스에 모니터 웨이퍼가 노출되었다. 도 2를 참조하면, 각 테스트 스택은 확산을 통해 전송된 철의 양을 측정하기 위한 모니터 웨이퍼(50), 모니터 웨이퍼 상부 위의의 용융 실리카 마스크(fused silica mask)(51) 및 마스크의 홀(53) 상부에 배치된 샘플(52)로 구성되었다. 각각의 런(run)에 있어서, 하나의 웨이퍼는 백그라운드 샘플로 사용되었으며 그 위에 마스크 또는 샘플들을 갖지 않는다.

각 샘플들은 3개의 상이한 온도, 즉 800℃, 950℃ 및 1100℃에서의 모니터 웨이퍼에 대한 철 확산율을 측정하기 위해 테스트되었다. 샘플들은 2시간의 열 처리 내내 대기압으로 유지되었으며, 웨이퍼들에 대해 아르곤 가스가 지속적으로 흘려진다.

각각의 열 처리 후에, 웨이퍼는 4개의 섹션으로 절단되는데, 각 섹션은 각 샘플로부터 확산된 철을 포함한다. 소수 캐리어의 수명은 각 웨이퍼 섹션 및 백그라운드 웨이퍼에 대해 결정된다. 소수 캐리어의 수명은 Journal of Applied Physics, vol. 67(1990년), 6764-6771쪽에 개시된 G. Zoth 및 W. Bergholz에 의해 개발된 표면 광전지(photovoltaic) 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 나타나는 철의 양을 결정하는데 사용되었다. 소수 캐리어의 수명은 빛으로 실리콘 웨이퍼 샘플에 캐리어를 주입하고, 표면 광전지 효과에서의 변화를 모니터링하여 캐리어의붕괴를 관찰함으로써 측정되었다. 표면 광전지 기술은 캐리어 확산 길이를 측정하는 가장 민감한 방법이며 실리콘 웨이퍼에서의 철의 양을 평가하기 위한 가장 정확한 방법이다. 이 방법은 실리콘에서, 철 원자가 음극으로 하전된 붕소 어셉터 원자와 반응하여 Fe-B 쌍을 형성한다는 사실에 기초한다. 통상적으로, Fe-B 쌍은 약 70℃에서 약 30분 동안 샘플을 어닐링함으로써 생성된다. 가열될 때, Fe-B 쌍의 일부는 분해되어 인터스티셜 철(Fe_i) 결함을 발생시킨다. 그러나, 모든 Fe-B 쌍은 250 와트의 텅스텐-할로겐 램프를 이용한 조명(illumination)으로 분해된다. 예를 들어, J. Lagowski, P. Edelman, O. Millic, W. Henly, M. Dexter, J. Jasrezebski 및 A. M. Hoff의 Applied Physics Letters, vol. 63(1993년), 3043-3045면을 참조. 실리콘에서의 철의 농도는 다음의 수학식에서 설명되는 2가지 상태에서의 소수 캐리어 수명 값을 비교함으로써 결정된다.

L₁및 L₀는 Fe-B 쌍의 각각의 분해 전후의 미크론 단위의 소수 캐리어 확산 길이이며, A는 열 활성화 동안 분해된 Fe-B 쌍의 소수(fraction)이다.

표 1에 나열된 결과는 구조적 컴포넌트로부터 얻어진 철의 양이 온도의 증가로 증가되는 것을 나타낸다. 현재, 이 방법으로 도달할 수 있는 최대 온도는 1100℃이고, 통상의 폐쇄형 핫 존의 성장 프로세스 동안, 약 80시간 동안 약 1250℃에 도달할 수 있다. 그러나, 현재까지의 결과는 샘플 쿠폰에 존재하는 대부분의 철이 1100℃에서 수증기의 형태로 방출되는 것을 가리킨다. 따라서, 전술한 절차에 따라 1100℃에서 샘플을 테스트함으로써 샘플 내의 철 불순물의 전체 농도를 정확하게 측정할 수 있다.

전술한 절차를 이용하여, 4개의 공급 장치의 흑연에서의 철 농도는 실리콘 카바이드 코팅 없이, 그리고 2개의 상이한 코팅을 가지고 결정되었다. 도 3에 도시된 테스트 결과는 테스트된 공급 장치로부터의 흑연에서의 철의 농도에 상당한 변화 가능성이 존재한다는 것을 명확하게 나타낸다. 또한, 그 결과는 일부 경우에코팅을 부가함으로써, 얻어지는 철의 양이 실질적으로 증가할 수 있다는 것을 나타낸다(흑연 B와 코팅 X, 그리고 흑연 D와 코팅 X를 참조). 반면에, 코팅은 얻어진 철의 양을 감소시킬 수 있다(흑연 A와 코팅 Y, 흑연 C와 코팅 Y, 그리고 흑연 D와 코팅 Y를 참조). 그 결과는 X라는 실리콘 카바이드 코팅이 Y 코팅보다 높은 철 농도를 갖는 것을 나타낸다. 따라서, Gilmore 등의 626쪽과는 다르게, 폐쇄형 핫 존을 갖는 성장 챔버에서 성장된 단결정 실리콘에서의 철 오염량을 효과적으로 제어하기 위해서는, 흑연 및 실리콘 카바이드 코팅에서의 철의 농도가 제어되어야 한다.

예 2

감소된 철 불순물의 구조적 컴포넌트를 포함하는 성장 챔버에서 단결정 실리콘의 인상

통상의 구조적 컴포넌트로 구현된 폐쇄형 핫 존 설계를 갖는 초크랄스키 결정 인상 장치에서 성장된 단결정 실리콘 잉곳에서의 철 불순물의 농도를 낮은 철의 구조적 컴포넌트를 이용하여 달성된 농도와 비교하였다. 특히, 3가지 조건, 즉 통상의 구조적 컴포넌트로 구현된 핫 존, 별도의 50 리터/분의 아르곤 퍼지 가스를 갖는 점을 제외하고는 동일한 핫 존, 및 낮은 불순물의 구조적 컴포넌트로 구현된 핫 존의 조건들 하에서 3개의 잉곳이 인상된다. 성장 챔버에서 사용된 낮은 철 불순물의 구조적 컴포넌트는 상부 히터, 상부 히터 차폐물, 중간 열 차폐물, 내부 반사기, 하부 열 차폐물의 외부 반사기 및 절연층, 상부 절연 지지대 및 상부 절연차폐물으로 구성된 절연층이다. 탄소 기판에서의 철의 농도는 약 0.5×10¹²원자/cm³이었다. 실리콘 카바이드 보호층에서의 철의 농도는 약 0.1×10¹²원자/cm³이었다.

도 4는 축 방향의 함수로서 표준 및 높은 순도의 핫 존 부분들을 이용하여 제조된 3개의 결정의 평균 에지 철을 비교한 것이다. 도 4는 낮은 철 불순물의 핫 존 부분으로 구성된 챔버에서 실리콘 결정을 성장하면 에지 철 농도가 감소한다는 것을 명확하게 보여주고 있다. 실제로, 3개의 결정에서의 평균 에지 철 농도는 통상의 핫 존 부분을 이용하여 제조된 결정의 농도보다 약 50% 낮다.

상기의 관점에서, 본 발명의 여러 목적이 달성되고 그 결과로 다른 이점들이 얻어진다는 것을 알 수 있을 것이다. 상기의 설명에 포함된 모든 내용은 예시적 의미로 해석되어야 하며, 제한적 의미로 해석되어서는 안된다.

Claims (33)

1. 초크랄스키 프로세스에 의해 성장된 실리콘 단결정을 제조하기 위한 결정 인상(pulling) 장치에 있어서,

   성장 챔버; 및

   상기 성장 챔버 내에 배치된 구조적 컴포넌트 - 상기 구조적 컴포넌트는 기판 및 상기 성장 챔버의 분위기에 노출되는 상기 기판의 표면을 커버하는 보호층을 포함하고, 상기 기판은 흑연을 포함하고 최대 약 1.5×10¹²원자/cm³의 철 농도를 가지며, 상기 보호층은 실리콘 카바이드를 포함하고 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³의 철 농도를 가짐 -

   를 포함하는 실리콘 인상 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³인 실리콘 인상 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³인 실리콘 인상 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³인 실리콘 인상 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 보호층에서의 철 농도는 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³인 실리콘 인상 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 보호층에서의 철 농도는 철의 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³인 실리콘 인상 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 약 75 내지 약 125㎛ 두께인 실리콘 인상 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 약 100㎛ 두께인 실리콘 인상 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 상기 기판의 전체 표면을 커버하는 실리콘 인상 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 구조적 컴포넌트는 적어도 약 80 시간 동안 적어도 약950℃에 도달하고 상기 실리콘 단결정의 성장 동안 실리콘 단결정 또는 용융된 실리콘의 약 3cm 내지 약 5cm 내에 있는 실리콘 인상 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 구조적 컴포넌트는 기본적으로 상부 히터, 상부 히터 차폐물, 중간 열 차폐물, 하부 열 차폐 내부 반사기, 하부 열 차폐 외부 반사기, 하부 열 차폐 절연층, 상부 절연 지지대 및 상부 절연 차폐물로 본질적으로 구성되는 군으로부터 선택되는 실리콘 인상 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 군으로부터 선택된 적어도 6개의 구조적 컴포넌트를 포함하는 실리콘 인상 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 군으로부터 선택된 적어도 8개의 구조적 컴포넌트를 포함하는 실리콘 인상 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 결정 성장 동안 적어도 80 시간 동안 적어도 약 950℃에 도달하고 상기 결정 또는 용융된 실리콘의 약 3cm 내지 약 5cm 내에 있는 상기 구조적 컴포넌트 모두는 상기 기판 및 상기 보호층을 포함하는 실리콘 인상 장치.
15. 실리콘 단결정 잉곳의 성장 동안, 결정 성장 장치 내의 구조적 컴포넌트로부터의 철에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 오염을 제어하기 위한 방법에 있어서,

    성장 챔버 및 상기 성장 챔버 내에 배치된 구조적 컴포넌트로 상기 결정 성장 장치를 구성하는 단계 - 상기 구조적 컴포넌트는 기판 및 상기 성장 챔버의 분위기에 노출되는 상기 기판의 표면을 커버하는 보호층을 포함하고, 상기 기판은 흑연을 포함하고 최대 약 1.5×10¹²원자/cm³의 철 농도를 가지며, 상기 보호층은 실리콘 카바이드를 포함하고 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³의 철 농도를 가짐 -; 및

    상기 성장 챔버 내의 용융된 실리콘 풀(pool)로부터 상기 실리콘 단결정 잉곳을 인상하는 단계

    를 포함하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 1.0×10¹²원자/cm³인 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³인 방법.
18. 제15항에 있어서, 상기 기판에서의 철 농도는 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³인 방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 보호층에서의 철 농도는 최대 약 0.5×10¹²원자/cm³인 방법.
20. 제15항에 있어서, 상기 보호층에서의 철 농도는 철의 최대 약 0.1×10¹²원자/cm³인 방법.
21. 제15항에 있어서, 상기 보호층은 약 75 내지 약 125㎛ 두께인 방법.
22. 제15항에 있어서, 상기 보호층은 약 100㎛ 두께인 방법.
23. 제15항에 있어서, 상기 보호층은 상기 기판의 전체 표면을 커버하는 방법.
24. 제15항에 있어서, 상기 구조적 컴포넌트는 적어도 약 80 시간 동안 적어도 약 950℃에 도달하고 상기 실리콘 단결정의 성장 동안 실리콘 단결정 또는 용융된 실리콘 풀의 약 3cm 내지 약 5cm 내에 있는 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 구조적 컴포넌트는 기본적으로 상부 히터, 상부 히터 차폐물, 중간 열 차폐물, 하부 열 차폐 내부 반사기, 하부 열 차폐 외부 반사기, 하부 열 차폐 절연층, 상부 절연 지지대 및 상부 절연 차폐물로 구성되는 군으로부터 선택되는 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 군으로부터 선택된 적어도 6개의 구조적 컴포넌트를 포함하는 방법.
27. 제25항에 있어서, 상기 군으로부터 선택된 적어도 8개의 구조적 컴포넌트를 포함하는 방법.
28. 제15항에 있어서, 상기 결정 성장 동안 적어도 80 시간 동안 적어도 약 950℃에 도달하고 상기 결정 또는 용융된 실리콘의 약 3cm 내지 약 5cm 내에 있는 상기 구조적 컴포넌트 모두가 상기 기판 및 상기 보호층을 포함하도록 상기 결정 성장 장치를 구현하는 단계를 포함하는 방법.
29. 제15항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳은, 기준 성장 챔버 내에서 인상된 기준 실리콘 단결정 잉곳의 에지 철 농도 미만의 에지 철 농도를 갖는 본체를 포함하며, 상기 기준 성장 챔버는 약 1.4×10¹⁵원자/cm³이상의 철 농도를 갖는 기준 구조적 컴포넌트를 구비하는 것을 제외하고는 동일한 조건하에서 동작되며 동일한 컴포넌트들로 구현된 방법.
30. 제26항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳은 약 5 ppta 미만의 에지 철 농도를 갖는 본체를 포함하는 방법.
31. 제26항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳은 약 3 ppta 미만의 에지 철 농도를 갖는 본체를 포함하는 방법.
32. 제27항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳은 약 1 ppta 미만의 에지 철 농도를 갖는 본체를 포함하는 방법.
33. 제28항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳은 약 1 ppta 미만의 에지 철 농도를 갖는 본체를 포함하는 방법.