초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법{Method of determining hot zone structure of Czochralski crystal grower for fast pull}

도 1은 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 결정성장 로의 단면도이다.

도 2는 인상속도 V에 대해 V/Gc 값을 도시한 그래프이다.

도 3은 수학식 3에서 ΔG _m 및 ΔG _s 를 변수로 하여 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따라 계산된 최대 인상속도가 실제로 실험을 통해 구한 최대 인상속도에 얼마나 근접하는지를 알아본 실험에서, (d), (e), (f)의 세 경우에 대해 인상속도 V에 대한 V/Gc 값을 도시한 그래프이다.

본 발명은 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초크랄스키법으로 실리콘 단결정을 성장시킬 때 한계 인상속도를 예측하여, 200 mm 직경의 실리콘 잉곳 성장의 경우 1.0 mm/min 이상의 고속 인상에 가장 적합한 핫존 구조를 결정하는 방법에 관한 것이다.

오늘날 반도체 제품의 95% 이상이 실리콘을 기본 소재로 하여 실리콘 웨이퍼 상에 박막의 증착 및 식각 공정을 반복적으로 수행함으로써 제조된다. 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 규석을 출발물질로 하여 금속 실리콘, 실리콘 염화물, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘의 순서를 거쳐 제조 및 가공된다.

다결정 실리콘으로부터 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법 중에서 가장 널리 사용되는 방법으로는 초크랄스키(Czochralski)법이 있다.

도 1은 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 결정성장 로 (이하, 초크랄스키 로라 칭한다)의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초크랄스키 로는 크게 다결정 실리콘을 담는 석영 도가니(1)와, 석영 도가니(1) 내의 다결정 실리콘을 용융시키기 위한 흑연 발열체(2), 종자결정(seed crystal)(3)을 지지하는 지지대(4), 및 지지대(4)에 연결되어 종자결정(3)을 인상시키는 인상봉(5)으로 이루어져 있다.

이러한 초크랄스키 로를 이용하여 실리콘 단결정을 성장시키는 초크랄스키법에서는 석영 도가니(1)에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체(2)에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액(6)에 종자결정(3)을 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 종자결정(3)을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳(7)을 성장시킨다.

종자결정(3)을 실리콘 용융액(6)에 담글 때의 열적충격(thermal shock)으로 인해 발생하는 전위결함을 없애기 위해 빠른 속도로 가늘게 결정을 성장시키는 네킹(necking) 단계를 거친 후, 성장속도를 낮추면서 원하는 직경으로 결정을 키우는 숄더링(shouldering) 단계를 거쳐, 원하는 직경이 되었을 때 그 직경을 유지하면서 결정을 성장시킨 다음, 잔류 용융액이 얼마 남지 않았을 때 결정 성장을 마무리하는 테일링(tailing) 단계를 수행하여 실리콘 잉곳(7)을 만든다.

이러한 방법으로 제조된 실리콘 잉곳(7)을 슬라이싱하고 표면을 가공하여 실리콘 웨이퍼로 제조한다. 초크랄스키법으로 실리콘 잉곳(7)을 성장시킬 때, 실리콘에서의 편석계수가 1보다 작은 불순물은 잔류하는 실리콘 용융액(6)에 농축되기 때문에, 반도체 소자의 제조공정에서 사용되는 실리콘 웨이퍼는 비교적 고순도로 얻어진다.

실리콘 단결정의 성장시 인상 속도가 클수록 생산성이 향상되는 이점이 있어서 고속 인상이 선호되지만, 고화된 실리콘 잉곳으로부터 일정량의 열이 방출되어야만 결정 성장이 진행되므로 이러한 열방출 속도에 의해 인상 속도의 한계가 생긴다.

인상 속도는 결정이 성장되는 로 내의 구조에도 많은 영향을 받는다.

초크랄스키 로 내의 구조물에는 열 발생부인 가열기로부터 열 소멸부인 냉각수까지가 포함되는데, 이를 핫존(hot zone)이라 칭하며, 핫존의 구조는 실리콘 용융액으로부터 성장되는 결정의 열적 환경을 조성하는 역할을 하므로 결정 성장 공정의 효율 및 성장 중인 결정의 품질 특성에 중요한 영향을 미친다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 핫존의 구조는 최대 인상 속도에 영향을 미친다.

고속 인상으로 실리콘 웨이퍼를 생산하는 방법은 현재 반도체 생산 라인에서 양산 적용을 위해 실험 중이지만, 아직까지 고속 인상에 적합한 핫존 구조의 설계 기준은 전혀 없는 실정이다.

설계 기준 없이 초크랄스키 로의 핫존 구조를 결정하여 결정 성장 실험을 통해 최대 인상 속도를 정함으로써 그 핫존 구조가 고속 인상에 적합한지를 판단하는 방법은 비효율적이며 실패 비용 또한 많이 드는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 주어진 핫존 구조에서의 최대 인상속도를 예측하여 고속 인상용 핫존 구조의 설계 기준을 설정하는 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법은, 초크랄스키 결정성장 로 내의 핫존 구조 및 인상속도를 정하고, 정해진 핫존 구조 및 인상속도에 대해 결정성장 중의 열 전달 현상을 해석하는 전산모사를 수행하는 제 1 단계; 전산모사의 결과로부터 실리콘 용융액과 실리콘 잉곳의 계면 근처의 실리콘 잉곳 중심에서 축 방향 온도구배 G _c 를 구한 후, V/G _c 값을 구하는 제 2 단계; 인상속도 V를 변화시키면서 제 1 단계 및 제 2 단계를 수행하여 V/G _c 값을 구한 다음, 인상속도 V에 대한 V/G _c 값의 그래프를 그리는 제 3 단계; 그래프에서 V/G _c 값이 0.2㎟/minㆍK인 위치에 해당하는 인상속도를 최대 인상속도로 정하는 제 4 단계; 및 핫존 구조를 변화시키고, 변화 된 핫존 구조에 대해 제 1 단계부터 제 4 단계까지를 수행하여 변화된 핫존 구조에 대한 최대 인상속도를 구하고, 가장 큰 최대 인상속도를 가지는 핫존 구조를 고속 인상에 가장 적합한 핫존 구조로 선택하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킬 때에는 실리콘 용융액으로부터 결정으로 열이 전달되고, 또한 용융액으로부터 결정이 응고되어 성장되면서 응고 잠열이 발생된다. 실리콘 결정이 성장되기 위해서는 이러한 열이 열전달에 의해 방출되어 고상의 결정이 냉각되어야 하기 때문에, 인상 속도는 이러한 열방출 속도에 의해 한계값을 가지는 것이다.

따라서, 초크랄스키법에 의해 실리콘 결정을 성장시키는 공정의 안정성은 고/액 계면에서 발생하는 응고 잠열을 적절하게 제거해 줌으로써 유지될 수 있으며, 특히 계면 중심부에서 발생하는 응고 잠열의 제거가 공정 안정성의 유지를 위해 중요하다.

본 발명에서는 결정 성장 중 발생되는 열전달 현상을 해석하는 전산모사 소프트웨어인 STHAMAS를 이용하여, 실리콘 용융액으로부터 성장되는 실리콘 결정의 인상축(z) 방향으로의 온도구배를 구한다.

고/액 계면 근처에서의 축방향 온도구배(dT/dz)로서 용융액 및 결정상에서의 값을 각각 G _m 및 G _s 라 하고, 특히 실리콘 잉곳 중심에서의 축방향 온도구배를 G _c 라 하며, STHAMAS로 전산모사하면 G _c 를 얻을 수 있다. 인상 속도를 V라 하면, 본 발명에서는 V/G _c 값으로부터 최대 인상속도를 정한다.

즉, 인상속도 V를 변화시키면서 V/Gc를 구하여 그래프를 그리면 좁은 인상속도 구간에서는 보통 도 2와 같은 선형의 그래프가 얻어진다. 즉, 인상속도 V와 V/Gc 값이 정비례하는 관계를 가진다.

이 그래프에서 V/Gc값이 0.2 ㎟/minㆍK인 위치에 해당하는 인상속도를 구하면 이 값이 최대 인상속도이다. 이 때, 0.2 ㎟/minㆍK은 임계 V/Gc값으로서, 공정 안정성과 다양한 공정인자 등을 고려하여 실험적으로 얻은 값이다.

한편, 결정 성장장치의 핫존 구조가 고속 인상에 적합한지를 판단할 수 있는 특성도가 도 3에 도시되어 있는데, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

H _f 를 실리콘의 응고잠열이라 하면, 실리콘 용융액으로부터 균일한 직경의 실리콘 잉곳을 안정적으로 성장시키기 위해서는 다음의 수학식 1과 같은 열적 균형이 유지되어야 한다.

K

_m G

_m - K

_s G

_s + VH

_f = 0

여기서, K _m 및 K _s 는 각각 실리콘 용융액 및 결정상의 열전도도를 의미한다.

실리콘 액상에서의 온도구배(G _m )와 결정상에서의 온도구배(G _s )는 각각 인상속 도가 0인 초기상태의 온도구배인 G _m0 , G _s0 와, 이로부터의 변화량인 ΔG _m , ΔG _s 의 합으로 나타낼 수 있다.

즉, G _m = G _m0 + ΔG _m 이고,

G _s = G _s0 + ΔG _s 이다.

이 때, 인상속도가 0인 초기상태의 온도구배인 G _m0 와 G _s0 는 핫존 구조에 따라서 결정되는 핫존 특성값이다.

인상속도가 0인 초기상태에서 (+)의 인상속도로 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키면 고액 계면에서 발생하는 응고잠열에 의해 ΔG _m 은 음수가 되고, ΔG _s 는 양수가 된다.

인상속도 V가 0인 경우에는 수학식 1이 다음과 같은 수학식 2가 된다.

K

_m G

_m0 - K

_s G

_s0 = 0

수학식 2를 정리하면 K _m /K _s = G _s0 /G _m0 가 된다.

이로부터, G _m0 와 G _s0 는 각각 핫존 특성값이지만 G _s0 /G _m0 는 실리콘의 물성에 따라 결정되는 고유한 값임을 알 수 있다.

그리고, 결정이 성장되는 중인 인상속도 V가 0보다 큰 경우에는 수학식 1이 다음과 같은 수학식 3이 된다.

K

_m ΔG

_m - K

_s ΔG

_s + VH

_f = 0

수학식 3에서 ΔG _m 및 ΔG _s 를 변수로 하여 그래프를 그리면 도 3에 도시된 그래프와 같이 도시된다.

앞에서 언급한 바와 같이, 인상속도 V가 0보다 큰 경우에는 ΔG _m 은 음수이고, ΔG _s 는 양수이므로, 도 3에 도시된 그래프는 (-)의 ΔG _m 와 (+)의 ΔG _s 영역에서 직선으로 도시된다. 이 때 직선의 기울기는 K _s /K _m 으로서 실리콘의 물성에 따라 정해지는 값이고, 가로축인 ΔG _s 축과 접하는 절편은 VH _f /K _s 로서 인상속도 V에 따라 변화되는 값이다. 따라서, 인상속도 V를 고정하고, V ₁ , V ₂ , V ₃ 에 대해 수학식3을 나타내면(이 때, V ₁ ＜V ₂ ＜V ₃ ), 그래프는 각각 L ₁ , L ₂ , L ₃ 로 도시됨을 알 수 있다.

여기서 (a), (b), (c)의 세 가지 핫존 구조를 가정하면, 각각의 인상속도에 대해 핫존 구조 (c)가 가장 큰 ΔG _s 값을 가지고, 핫존 구조 (b)가 그 다음으로 큰 ΔG _s 값을 가지며, 핫존 구조 (a)가 가장 작은 ΔG _s 값을 가진다.

ΔG _s 값이 크면 V/G _c 값이 작아지고, 그러면 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이 V/Gc값이 0.2 ㎟/minㆍK인 위치에 해당하는 최대 인상속도까지 인상속도를 더 증가시킬 수 있으므로, 가장 큰 ΔG _s 값을 가지는 핫존 구조 (c)가 고속인상에 가장 적합함을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법에 상세히 설명한다.

먼저, 결정 성장장치 내의 핫존 구조를 설계하고 각 구조물의 치수와 재질을 설정한 다음, STHAMAS를 사용하여 전산모사한다.

전산모사할 때에는 먼저 계산영역을 정하고 이에 따라 식을 잡은 후, 식에 포함된 여러 변수에 해당하는 값을 대입하는데, 이 때 변수에는 크게 공정변수와 물성변수가 있다. 공정변수로는 잉곳의 인상속도 또는 히터의 파워 등이 있고, 물성변수로는 구조물 각각의 열전도도 또는 복사능(emissivity) 등이 있다.

잉곳의 인상속도에는 1.0 mm/min, 히터의 파워에는 90 kW를 대입하고, 그 외의 변수에 해당값을 대입하여 식을 풀고 이 때 구한 해로부터 Gc를 구한 다음, 속도를 Gc로 나눈 값인 V/Gc를 구한다.

다음, 인상속도를 변화시키면서 V/Gc를 구하여 그래프를 그리면, 인상속도와 V/Gc 값이 정비례하는 도 2와 같은 선형의 그래프가 얻어진다.

이 그래프로부터 V/Gc값이 0.2 ㎟/minㆍK인 위치에 해당하는 최대 인상속도를 구한다.

이번에는 핫존 구조를 변경하여 상기한 바와 같은 방법으로 최대 인상속도를 구한 다음, 최대 인상속도가 더 큰 핫존 구조를 고속 인상에 더 적합한 핫존 구조로 선택하면 된다.

본 발명에 따라 계산된 최대 인상속도가 실제로 실험을 통해 구한 최대 인상속도에 얼마나 근접하는지를 알아본 실험을 하였는데, 그 결과가 도 4에 도시되어 있다.

즉, (d), (e), (f)의 세 경우에 대해 도 2와 같은 인상속도 V와 V/Gc 값에 대한 그래프를 그리고, 이로부터 구한 최대 인상속도를 [ ] 내에 표시하였고, 반면에 실제 실험을 통해 구한 최대 인상속도를 ( ) 내에 표시하였으며, 이 두 값이 매우 유사함을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 초크랄스키 결정성장 로의 고속인상용 핫존 구조 결정방법을 이용하면 정해진 핫존 구조를 가지는 초크랄스키 결정성장 로 내에서 결정성장 실험을 수행하지 않고도 최대 인상속도를 계산하여 그 핫존 구조가 고속 인상에 적합한지를 판단할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인해 실패비용이 감소하는 효과가 있다.

또한, 고속 인상에 적합한 핫존 구조를 설계할 수 있는 기준을 제시해주므로, 핫존 구조의 설계 및 제작으로부터 고속 인상으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는데 까지 걸리는 공정시간을 단축시켜 생산성이 향상되는 효과가 있다.