(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキ法により，シリコン単結晶を成長させる装置であって，
チャンバーと，
前記チャンバーの内部に設けられ，シリコン融液を受容する坩堝と，
前記坩堝の側方に設けられ，前記シリコン融液を加熱し，前記坩堝内の特定位置で発熱量が最大である最大発熱部位が形成されたヒータと，
前記シリコン融液から成長されるシリコン単結晶を引上げる引上機構と，
を含み，
前記ヒータの最大発熱部位を，シリコン融液の全体深さに対し前記融液の表面から３０mm以上３００mm以下の深さ地点に対応する部分に形成すると共に，前記シリコン単結晶の長手方向と平行した軸に沿った前記シリコン融液の温度が前記融液と前記シリコン単結晶との界面から遠ざかるに従い徐々に上昇し，最高点に到達後，徐々に下降する変化を生じるように形成し，
前記坩堝から湧出する湧出酸素量を，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が８ppma以上１５ppma以下の範囲に制御することを特徴とするシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項２】
前記ヒータの最大発熱部位は，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から３０mm以上１２０mm以下の地点に対応する部分に形成され，前記湧出酸素量を，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が８ppma以上１１．５ppma以下の範囲に制御することを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項３】
前記ヒータの最大発熱部位は，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から１２０mm以上３００mm以下の地点に対応する部分に形成され，前記湧出酸素量を，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が１１．５ppma以上１５ppma以下の範囲に制御することを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項４】
前記ヒータの最大発熱部位は，ヒータ全長の５−４０％であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項５】
前記ヒータの最大発熱部位は，ヒータ全長の１０−２５％であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項６】
前記坩堝の側方に設けられ，前記シリコン融液に磁場を印加する磁石を更に含むことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項７】
前記磁石は，前記ヒータとの最隣接部から前記単結晶の中心に向ける融液対流を促進させる磁気場を印加することを特徴とする請求項６記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項８】
前記磁石は，非対称カスプ(CUSP)磁場を印加することを特徴とする請求項６又は７記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項９】
シリコン単結晶インゴットを取り囲むように，前記シリコン単結晶インゴットと前記坩堝との間に設けられ，前記インゴットから放射される熱を遮断する熱シールドを更に含むことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項１０】
前記熱シールドにおいて，前記シリコン単結晶インゴットとの最隣接部に付着され，前記シリコン単結晶インゴットを取り囲む円筒形の熱遮蔽部を更に含むことを特徴とする請求項９記載のシリコン単結晶インゴットの成長装置。
【請求項１１】
チョクラルスキ法によるシリコン単結晶インゴット成長方法であって，
ヒータの最大発熱部位をシリコン融液の全体深さに対し前記融液の表面から３０mm以上３００mm以下の深さ地点に対応する部分に形成し，前記シリコン単結晶の長手方向と平行した軸に沿った前記シリコン融液の温度が，前記融液と前記シリコン単結晶との界面から遠ざかるに従い徐々に上昇し，最高点に到達後，徐々に下降する変化を生じさせると共に，前記最高点を中心にした所定領域を融液の高温領域とすることで，
シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が８ppma以上１５ppma以下となるようシリコン融液を受容する坩堝から湧出する酸素量を制御することを特徴とするシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１２】
前記湧出酸素量は，前記坩堝内の特定位置で発熱量が最大になるようにヒータを調節することにより制御されることを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。 
【請求項１３】
前記ヒータの最大発熱部位を，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から３０mm以上１２０mm以下の地点に対応する部分に形成し，前記湧出酸素量を，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が８ppma以上１１．５ppma以下になるように制御することを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１４】
前記ヒータの最大発熱部位を，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から１２０mm以上３００mm以下の地点に対応する部分に形成し，前記湧出酸素量を，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が１１．５ppma以上１５ppma以下になるように制御することを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１５】
前記単結晶の長手方向と平行した軸に沿った前記シリコン融液の前記温度変化により，前記ヒータとの最隣接部から前記界面の中心乃至前記高温領域に向ける融液対流を促進させることを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１６】
前記促進された融液対流により，中心軸に対して実質的に非対称の品質分布を有するシリコン単結晶インゴットを成長させることを特徴とする請求項１５記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１７】
前記ヒータは，前記上昇する融液温度の傾きが前記下降する融液温度の傾きより大きい状態を維持する条件を満すように，前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１８】
前記最高点は，前記シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に存在することを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項１９】
前記最高点は，前記シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から１／３地点乃至１／２地点に存在することを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項２０】
前記温度の傾きが，前記融液の垂直方向瞬間温度傾きであることを特徴とする請求項１１〜１９いずれか１項記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項２１】
前記単結晶の長手方向と平行した軸が前記シリコン単結晶の中心を貫通する中心軸であることを特徴とする請求項１１〜１９いずれか１項記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項２２】
前記シリコン融液に磁気場を印加した状態で前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項１１記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項２３】
前記磁気場には前記単結晶の長手方向に対し，垂直方向又は水平方向の磁場を印加したり，又はカスプ(CUSP)形態の磁気場を印加することを特徴とする請求項２２記載のシリコン単結晶インゴット成長方法。
【請求項２４】
シリコンウエハ製造方法において，
請求項１１〜２３いずれか１項記載のシリコン単結晶インゴット成長方法により成長されたシリコン単結晶インゴットをウエハ加工して高品質シリコンウエハを製造することを特徴とするシリコンウエハ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，凝集された点欠陥のない高品質シリコン単結晶インゴットに関し，より詳しくは，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを成長させる際，酸素濃度を希望する値に制御することによって顧客が希望する多様な酸素濃度を有する，成長欠陥が制御された高品質のシリコン単結晶インゴットとウエハ，その製造方法及び成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は，半導体素子の歩留まりを増大させることができる高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させるために，主に結晶化以後の単結晶インゴットの高温領域温度分布を制御していた。これは，結晶化以後の冷却による収縮などにより誘起される応力などを制御したり凝固時に発生した点欠陥の挙動を制御するためのものである。 
【０００３】
また，顧客が要求する多様な(半導体デバイスに適合した)酸素の規格を合わせるために，圧力，アルゴン流量など，工程パラメータを調節したり，ホットゾーンを変更したり，水平強磁場を導入する等，別途の費用を投資していた。
【０００４】
一般に，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを成長させる方法では，石英坩堝の内部に多結晶シリコンを積載し，ヒータから輻射される熱で多結晶シリコンを溶融させてシリコン融液を作った後，シリコン融液の表面からシリコン単結晶インゴットを成長させる。
【０００５】
シリコン単結晶インゴットを成長させる際には，坩堝を支持する軸を回転させながら坩堝を上昇させて固−液界面が同一の高さを維持するようにし，シリコン単結晶インゴットは，坩堝の回転軸と同一の軸を中心として坩堝の回転方向と反対方向に回転させながら引き上げる。このように成長されたシリコン単結晶インゴットは，スライシング(Slicing)，ラッピング(Lapping)，ポリシング(Polishing)，クリーニング(Cleaning)等，ウエハ加工工程を経ることによって，シリコン単結晶ウエハになって半導体デバイス基板として使用することになる。
【０００６】
従来のシリコン単結晶インゴット製造方法では，成長中のシリコン単結晶インゴットの温度勾配及びシリコン融液からの酸素の蒸発を調節するために熱シールドなどを設置していた。熱シールドなどを利用してシリコン単結晶インゴットの温度勾配を調節する従来技術としては，大韓民国特許番号第３７４７０３号（特許文献１），大韓民国特許出願番号第２０００−００７１０００号（特許文献２），米国特許番号６，５２７，８５９（特許文献３）などがある。また，町田（machida）らの論文 "The effects of argon gas flow rate and furnace pressure on oxygen concentration in Czochralski−grown silicon crystals，Journal of Crystal Growth，186 (1998)362−368"（非特許文献1）及び大韓民国特許出願番号第２００１−７０１１５４８号（特許文献４）では，酸素濃度の制御のためにガス流れ制御器など，ホットゾーンの設置と圧力，アルゴン流量及び坩堝回転速度制御を開示している。また，特開平２０００−２４７７８８（特許文献５）と特開平１０−１３０１００（特許文献６）は，磁場の強さ調節及びマルチ−カスプ磁場装置を利用して酸素湧出及び融液対流の抑制を開示している。
【０００７】
しかしながら，従来のようにいろいろな工程パラメータの調節だけで效果的にシリコン単結晶インゴットの温度勾配を調節したり酸素濃度を制御することができないので，点欠陥濃度の低い高品質のシリコン単結晶インゴット及びウエハを顧客が希望する酸素濃度を有するように生産することができなかった。 
【０００８】
デバイス工程に適合した好ましいウエハ基板の条件は，次の通りである。ウエハ表面数マイクロ層まで形成されるデバイス活性領域(Active Device region)では，バカンシー(vacancy)，セルフ−インタースティシャル(self-interstitial)等，点欠陥を除外した全ての凝集欠陥が排除されることが好ましい。例えば，バカンシーが凝集された欠陥の一種であるＣＯＰ(Crystal Originated Pit)は，ＧＯＩ(Gate Oxide Integrity)を悪化させることによって，デバイスの歩留まりを低下することになる。また，酸素濃度とバカンシー濃度などに依存する微小析出物(micro precipitates)も，やはりデバイス活性領域に発生すればＧＯＩを悪化させる。反面に，デバイス活性領域より深いバルク領域では，微小析出物を含む ＢＭＤ(Bulk Micro Defect)が必要である。半導体デバイス熱処理工程中に発生するＢＭＤは，デバイス活性領域では，害になるけれど，バルク領域ではウエハ表面及びデバイス活性領域に存在する金属不純物などをゲッタリング(Gettering)することにより，デバイスの歩留まりを改善させる。したがって，好ましいウエハ基板は，適切なバカンシー濃度と酸素濃度を必要とする。
【０００９】
一方，大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９２６１号（特許文献７），大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０７号（特許文献８）及び大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０９号（特許文献９）に記載されたように，従来では結晶の垂直温度勾配(G0)がＧ0=ｃ＋ａｘ2の形態を有するので，単結晶インゴット外周から中心方向に向けてバカンシー濃度は増加する一方，インタースティシャル濃度は，減少する傾向を有する。単結晶インゴットの外周近くで充分な外部拡散(out−diffusion)が発生しなければＬＤＰ等，インタースティシャル特性の結晶欠陥が表れるので，大概は，中心部のバカンシー濃度が高い状態で結晶成長をすることになる。したがって，平衡濃度よりはるかに高いバカンシー濃度のため，ウエハ中心部でバカンシー特性の結晶欠陥(例えば，ボイド(void)，酸化積層欠陥(OiSF : oxidation induced stacking fault)が発生しやすい。反面に，充分なインタースティシャル外部拡散のために，結晶の冷却速度を低下することになれば，追加的なホットゾーンが更に設けられるだけでなく，単結晶インゴットの成長速度も低くなることになるので，生産性が極端に落ちる。  
【００１０】
高品質シリコン単結晶インゴットを製造するために，シリコン単結晶インゴットの温度分布を制御する他の従来技術としては次のようなものがある。特願平２−１１９８９１（特許文献１０）では，単結晶が冷却される過程で高温領域のホットゾーンを採用してシリコン単結晶インゴットの中心と外周の温度分布を制御することによって凝固変形(strain of solidification)によるシリコン単結晶インゴットの格子欠陥を減少させようとし，特にここでは，冷却スリーブ(sleeve)により単結晶成長方向に固化率(solidification rate)が増大し，格子欠陥が減少した。また，特願平７−１５８４５８（特許文献１１）では，結晶内の温度分布と結晶の引上速度を制御しようとし，特願平７−６６０７４（特許文献１２）では，ホットゾーンを改善した冷却速度を制御することによって欠陥密度を制御しようとした。特願平４−１７５４２（特許文献１３）と大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０９号(ＵＳ ６０/０４１，８４５) （特許文献９）では，ホットゾーンを変更し冷却速度を制御することによって，点欠陥の拡散を利用して結晶欠陥形成を抑制しようとした。大韓民国特許出願番号第２００２−００２１５２４号（特許文献１４）では，熱シールドと水冷管を改善することによって高品質単結晶の生産性を向上させたと主張している。特願平５−６１９２４（特許文献１５）では，結晶の成長速度の周期的な変化を加えることによって，酸素誘起積層欠陥(OSF)や酸素析出欠陥など，結晶欠陥発生領域の履歴(hysteresis)を活用してシリコン単結晶インゴット内に結晶欠陥が生じないようにした。  
【００１１】
しかしながら，このような従来技術は，固状反応に基づいているので，次のような問題を有している。第１に，高品質シリコン単結晶という目的の達成に多くの制約が伴う。例えば，大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０９号(ＵＳ ６０／０４１，８４５)（特許文献９）では，過飽和された点欠陥を結晶欠陥に成長する前に高温領域で十分拡散反応させることによって，点欠陥の濃度を低くしようとするが，それに必要な温度維持時間が甚だしく，１６時間以上であるから理論的に可能であるだけであり，実際の適用が不可能な問題があった。 
【００１２】
第２に，実質的な効果を挙げられない場合が大部分である。特願平５−６１９２４（特許文献１５）及びEidenzonら(Defect−free Silicon Crystals Grown by the Czochralski Technique，Inorganic Materials，Vol. 33，No. 3，1997, pp. 272−279) （非特許文献２）が提案したような方式により結晶の引上速度を周期的に変化させながら２００mmシリコン単結晶インゴットを成長させた結果，目的の高品質の達成に失敗したのであり，むしろ工程の不安定性のみを引き起こした。 
【００１３】
第３に，固状反応理論に基づいた発明は，高い生産性を達成できない。大韓民国特許出願番号第２００１−７００６４０３号（特許文献１６）では，できる限り最適の熱シールドと水冷管を設計したが，実際に高品質単結晶が得られる引上速度が０．４mm/min程度として低い生産性を見せた。
【００１４】
一方，シリコン単結晶インゴットの酸素濃度を制御する従来方法としては，特開平１０−１３０１０（特許文献１７），大韓民国特許出願番号第１０−０２３９８６４号（特許文献１８），大韓民国特許出願番号第２００１−７０１１５４８号（特許文献４）などがある。しかしながら，このような方法は，追加的な費用投資が必要であったり実質的に高品質単結晶が得られない短所がある。
【００１５】
また，上述の従来方法では目的とする高品質単結晶の獲得の歩留まりが低かった。
【００１６】
【特許文献１】大韓民国特許番号第３７４７０３号
【特許文献２】大韓民国特許出願番号第２０００−００７１０００号
【特許文献３】米国特許番号６，５２７，８５９号
【特許文献４】大韓民国特許出願番号第２００１−７０１１５４８号
【特許文献５】特開平２０００−２４７７８８号
【特許文献６】特開平１０−１３０１００号
【特許文献７】大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９２６１号
【特許文献８】大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０７号
【特許文献９】大韓民国特許出願番号第１９９９−７００９３０９号
【特許文献１０】特願平２−１１９８９１号
【特許文献１１】特願平７−１５８４５８号
【特許文献１２】特願平７−６６０７４号
【特許文献１３】特願平４−１７５４２号
【特許文献１４】大韓民国特許出願番号第２００２−００２１５２４号
【特許文献１５】特願平５−６１９２４号
【特許文献１６】大韓民国特許出願番号第２００１−７００６４０３号
【特許文献１７】特願平１０−１３０１０号
【特許文献１８】大韓民国特許出願番号第１０−２３９８６４号
【特許文献１９】大韓民国特許出願番号第２００４−９８５３０号
【特許文献２０】大韓民国特許出願番号第２００５−６８０９７号
【非特許文献１】町田（machida）らの論文 "The effects of argon gas flow rate and furnace pressure on oxygen concentration in Czochralski-grown silicon crystals，Journal of Crystal Growth，186 (1998)362-368"
【非特許文献２】Eidenzonら(Defect−free Silicon Crystals Grown by the Czochralski Technique，Inorganic Materials，Vol. 33，No. 3，1997, pp. 272−279)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は，上述の問題を解決するために開発されたものであって，本発明の目的は，実際のデバイス製造時にも不良を起こさない程度で成長欠陥が極めて制御された高品質シリコン単結晶インゴットを多様な酸素濃度を有するように制御しながら高生産性で製造することができるシリコン単結晶インゴット成長手段を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は，局部発熱ヒータを導入して酸素湧出と熱の流れを独立的に制御する高品質シリコン単結晶インゴット成長装置及び高品質シリコン単結晶インゴット成長方法を提供するものである。 
【００１９】
本発明の他の目的は，顧客が希望する規格によって酸素濃度が多様に制御された高品質シリコン単結晶インゴット及びウエハを提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は，酸素濃度が多様に制御された高品質シリコン単結晶インゴット成長装置を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は，生産性の高い高品質シリコン単結晶インゴット成長方法を提供するものである。
【００２２】
本発明の他の目的は，実質的に非対称の品質分布を有するシリコン単結晶インゴット成長方法を提供することにある。 
【００２３】
本発明の他の目的は，獲得歩留まりの高い高品質シリコン単結晶インゴット成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的を達成するための本発明に係るチョクラルスキ法によるシリコン単結晶インゴット成長装置は，チャンバーと，前記チャンバーの内部に設けられ，シリコン融液を受容する坩堝と，前記坩堝の側方に設けられて前記シリコン融液を加熱し，前記坩堝内の特定位置で発熱量が最大である最大発熱部位が形成されたヒータと，前記シリコン融液から成長されるシリコン単結晶を引上げる引上機構と，を含む。
【００２５】
前記ヒータの最大発熱部位は，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から３０mm以上１２０mm以下の地点に対応する部分に形成されることを特徴とする。
【００２６】
前記ヒータの最大発熱部位は，シリコン融液の全体深さに対し，前記融液の表面から１２０mm以上３００mm以下の地点に対応する部分に形成されることを特徴とする。
【００２７】
前記ヒータの最大発熱部位は，ヒータ全長の５−４０％であることを特徴とする。
【００２８】
前記ヒータの最大発熱部位は，ヒータ全長の１０−２５％であることを特徴とする。
【００２９】
前記坩堝の側方に設けられて前記シリコン融液に磁場を印加する磁石を更に含むことが好ましい。
【００３０】
また，シリコン単結晶インゴットを取り囲むように前記シリコン単結晶インゴットと前記坩堝との間に設けられて前記インゴットから放射される熱を遮断する熱シールドを更に含むことがより好ましい。
【００３１】
この際，前記熱シールドにおいて前記シリコン単結晶インゴットとの最隣接部に付着され，前記シリコン単結晶インゴットを取り囲む円筒形の熱遮蔽部を更に含むことを特徴とする。
【００３２】
また，本発明のチョクラルスキ法によるシリコン単結晶インゴット成長方法は，シリコン融液を受容する坩堝から湧出する酸素量を制御することを特徴とする。
【００３３】
この際，前記湧出酸素量は，前記坩堝内の特定位置で発熱量が最大になるようにヒータを調節することにより制御されることを特徴とする。
【００３４】
前記湧出酸素量は，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が８ppma以上１１．５ppma以下になるように制御されることを特徴とする。
【００３５】
前記湧出酸素量は，シリコン単結晶インゴット内の酸素濃度が１１．５ppma以上１５ppma以下であることを特徴とする。
【００３６】
単結晶の長手方向と平行した軸に沿った前記シリコン融液の温度を，前記融液と単結晶との界面から遠ざかるに従い徐々に上昇し，最高点に到達後，徐々に下降するよう変化させ，前記最高点を中心にした所定領域を融液の高温領域とし，前記ヒータで前記坩堝から酸素が湧出することを最小化する一方，ヒータとの最隣接部から前記界面の中心乃至前記高温領域に向ける融液対流を促進させることを特徴とする。
【００３７】
前記促進された融液対流により成長されたシリコン単結晶インゴットは，中心軸に対して実質的に非対称の品質分布を有することを特徴とする。
【００３８】
また，本発明に係るシリコンウエハ製造方法は，前述のように成長されたシリコン単結晶インゴットをウエハ加工して高品質シリコンウエハに製造する。
【００３９】
また，本発明に係るチョクラルスキ法により成長されたシリコン単結晶から製造されるシリコンウエハは，格子間酸素濃度が８ppma以上１１．５ppma 以下であることを特徴とする。 
【００４０】
前記ウエハは，格子間酸素濃度が１１．５ppma以上１５ppma以下であることを特徴とする。 
【００４１】
また，本発明に係るチョクラルスキ法により成長されたシリコン単結晶インゴットは，酸素濃度が８ppma以上１１．５ppma以下であることを特徴とする。 
【００４２】
前記インゴットは，酸素濃度が１１．５ppma以上１５ppma以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
上述のような本発明によれば次のような効果を奏する。 
【００４４】
まず，ヒータを局部発熱化することで固液界面と高温領域(TH)の温度差，すなわち上昇する融液温度傾きが増加するため，高品質シリコン単結晶の成長速度を高めることができる。 
【００４５】
これによって，高い成長速度によって高品質シリコン単結晶インゴットの生産性を高めることができる。 
【００４６】
また，局部発熱位置を変更することによって坩堝の底のラウンド部位からの酸素湧出程度及び湧出した酸素の移動を調節して高品質のシリコン単結晶インゴットを多様な酸素濃度スペックに成長させることができる。  
【００４７】
また，前記単結晶シリコンインゴット成長装置を利用すれば，デバイス製造過程で熱処理によりデバイス活性領域近くで微小析出欠陥のような２次欠陥が生じない水準に点欠陥濃度の低い高品質のシリコン単結晶インゴット及びシリコンウエハを提供することができる。 
【００４８】
また，前記高品質の単結晶から加工されたウエハを基板として使用すれば電子素子の歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下，添付の図面を参照しつつ本発明に係る高品質シリコン単結晶インゴット成長装置及びその成長方法について詳細に説明する。
【００５０】
図１は，本発明の一実施形態に係るチョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを成長させる過程及び単結晶インゴットの長手方向と平行した軸に沿って測定された融液の温度プロファイルを示す断面図，図２は，従来技術に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図，図３は，本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図，図４は，本発明の他の実施形態に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図，図５は，本発明の一実施形態であって，図３のヒータを印加した状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることを示す断面図であって，最高温領域から高温領域への適切な熱伝逹チャネルの形成を示す図である。
【００５１】
本発明は，シリコン融液から固状のシリコン単結晶インゴットを成長させる際，単結晶インゴットの温度勾配調節及び固−液界面の形態調節だけで点欠陥が最小化された高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させるには限界があり，高品質シリコン単結晶インゴット成長のためのより決定的な因子があるという事実に起因するものである。 
【００５２】
すなわち，本発明では，結晶化の以後に起こる固状反応の限界の克服のために，固化の以前である液状の流体状態を徹底的に分析し，その結果，融液の温度分布が非常に重要であるということを見出した。  
【００５３】
一般に，結晶成長は原子又は分子形態の成長単位が結晶成長界面又は準安定領域へ移動して界面に固着することによりなされるが，シリコン融液内の温度の傾きが大きくなることによって，流体状態の結晶成長単位が結晶成長界面又は準安定領域へ移動しようとする駆動力が大きくなる。  
【００５４】
ここで，結晶成長界面とは，結晶化界面又は固液界面ともいい，固状であるシリコン単結晶インゴットと液状であるシリコン融液の境界面である。準安定領域とは，液状であるシリコン融液が結晶化する直前の状態であって，結晶性があるとは言えるが，完全でない領域を意味する。  
【００５５】
したがって，シリコン融液内の温度の傾きが大きければ成長単位の結晶成長が高まるので結晶の引上速度が十分高くない場合，過剰の原子が結晶化され，その結果，シリコン単結晶インゴットは，セルフインタースティシャル優勢(self-interstitial rich)特性を有することになる。反対に，シリコン融液内の温度の傾きが低ければ結晶化になろうとする原子が充分でないので，高い結晶の引上速度は，バカンシー優勢(vacancy rich)特性を有するシリコン単結晶インゴットを作ることになる。 
【００５６】
図１は，本発明の一実施形態によりチョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを成長させる過程を示す断面図である。図１に示すように，本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶インゴットの製造装置は， チャンバー１０を含み，チャンバー１０の内部でシリコン単結晶インゴットの成長がなされる。
【００５７】
チャンバー１０内にはシリコン融液(SM)を受容する石英坩堝２０が設けられ，この石英坩堝２０の外部には黒鉛からなる坩堝支持台２５が石英坩堝２０を取り囲むように設けられる。
【００５８】
坩堝支持台２５は，回転軸３０上に固定して設けられ，この回転軸３０は，駆動手段(図示していない)により回転されて石英坩堝２０を回転させながら上昇させて固−液界面が同一の高さを維持するようにする。坩堝支持台２５は，所定の間隔を置いてヒータ４０により取り囲まれ，このヒータ４０は，保温筒４５により取り囲まれるが，この際，保温筒４５は，ヒータ４０から発散する熱がチャンバー１０の壁側に広がることを防止して熱効率を向上させる。
【００５９】
前記ヒータ４０は，坩堝２０の側方に設けられ，基本的に石英坩堝２０内に積載された高純度の多結晶シリコンの塊を溶融してシリコン融液(SM)を作る役割をする(図１及び図２参照)。 
【００６０】
しかしながら，本発明に係るヒータ４０は，石英坩堝からの酸素湧出を制御する役割もするものであって，図３及び図４には，前記ヒータの簡略断面図及びこれによる発熱量の分布を表した。すなわち，本発明のヒータ４０は，多結晶シリコンの塊を溶融させる従来の単純な円筒形のロングヒータ(Long Heater)，ショートヒータ(Short Heater)でなく(図２)，全体的な発熱は維持するものの，どの特定部位の抵抗を増加させるかによって，その特定部位に発熱が集中するようにする局部発熱が可能な態様のヒータ４０である。
【００６１】
図３及び図４に示すように，本発明のヒータ４０ａ，４０ｂは，その特定部位の抵抗を増加させるために梯形状の溝４１を形成して断面積を減らしたものであって，その狭い断面積部位が最大発熱部位４１になり，そのような局部発熱位置を調節することによって石英坩堝からの酸素湧出が制御され，溶媒の温度分布が調節されるものである。勿論，溝４１の形状は梯形に限るのではないし，断面積を縮めることができる全ての形状を有することができる。
【００６２】
本発明では，前記ヒータ４０の発熱物質であって，全体的な黒鉛構成のみを例示しているが，局部発熱位置のみ，特に最大発熱させるためにシリコンを溶融できる抵抗が増加した多様な種類の発熱物質を使用することができ，本実施形態に使われた物質のみに限るのではない。 
【００６３】
それだけでなく，前記ヒータ４０の局部発熱位置を変更すれば前記石英坩堝の酸素湧出程度及び湧出した酸素の移動を調節することによって，高品質のシリコン単結晶インゴットを多様な酸素濃度スペックに成長させることができる。 
【００６４】
この際，前記ヒータ４０の最大発熱部位４１をシリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から３０mm−３００mm地点に対応する部分に形成すれば，高品質シリコン単結晶インゴットの酸素濃度を８−１５ppmaの水準に制御することができる。 
【００６５】
低い酸素濃度の高品質シリコン単結晶インゴットを製造しようとする場合は，図３のように，前記ヒータ４０ａの最大発熱部位４１をシリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から３０mm−１２０mm地点に対応する部分に形成して高品質シリコン単結晶インゴットの酸素濃度が８−１１．５ppmaに制御されるようにすることが好ましい。 
【００６６】
一方，高い酸素濃度の高品質シリコン単結晶インゴットを製造しようとする場合は，図４のように，前記ヒータ４０ｂの最大発熱部位４１をシリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から１２０mm−３００mm地点に対応する部分に形成して高品質シリコン単結晶インゴットの酸素濃度が１１．５−１５ppmaに制御されるようにすることが好ましい。
【００６７】
この際，前記ヒータ４０の最大発熱部位４１は，全体ヒータ４０の長さの５−４０％であることが好ましく，１０−２５％であることがより好ましい。 
【００６８】
すなわち，本発明に係るヒータ４０は，図５に示すように，融液の最高温領域から高温領域に向けた仮想のチャネル１００に沿って融液対流を促進させることによって熱損失が最小化されながら熱伝逹されるようにする(「チャネル効果」)。 
【００６９】
これは，局部的な最高温領域の熱いシリコンが保有中の熱の損失を最小化しながら高温領域及びその上部に移動，すなわち，最短距離で固液界面へ移動することになって高温領域と固液界面との間の温度差が大きくなるほど決定成長速度が増加するものである。
【００７０】
下記表１にヒータの種類，最大発熱部位の比率と位置を変化させた実施形態１，２，３と比較例１，２の酸素濃度及び高品質成長速度比率を表した。 
【００７１】
【表１】
0005136970.tif 000002
【００７２】
前記のチャネル効果によれば固液界面から高温領域までの融液温度傾き，すなわち，上昇する融液温度傾きを増加させることができるだけでなく，坩堝の底の温度が相対的に低くなるので，坩堝の底のラウンド(Round)部位からの酸素湧出量を最大限抑制させることができることになる。
【００７３】
このような現状は，固液界面から最高点までの上昇する融液温度傾きを増加させることによって，原子や分子などの成長単位が決定成長界面へ移動しようとする駆動力が増加するためであり，これによって，バカンシー，インタースティシャルなどの点欠陥発生が最小化される高品質シリコンインゴットの結晶成長速度，すなわち，結晶の引上速度は，向上することができるものである。
【００７４】
より具体的に説明するために図１を参照する。図１には，シリコン融液(SM)内に等温線と単結晶インゴットの半径方向と平行した仮想の軸に沿って測定された融液の温度傾きプロファイルを共に図示している。 
【００７５】
一般に，シリコン融液(SM)の温度を注意深くみれば，熱供給源であるヒータ４０と最も近い坩堝の側面部分で最高融液温度(図１においてTP領域と表示)を，結晶成長が起こる固液界面部分で固化温度(solidification temperature)である最低融液温度を見せる。 
【００７６】
シリコン融液(SM)の温度の傾きを単結晶(IG)の半径方向と平行した軸に沿って測定する際，この温度傾きは，垂直方向瞬間温度傾きであり，単結晶(IG)の下部に位置する融液で測定することが好ましい。
【００７７】
高品質シリコン単結晶インゴットの成長条件は，測定された温度傾き値が下記の式を満すことが好ましい(大韓民国特許出願番号第２００４−９８５３０号（特許文献１９）参照)。 
{(ΔTmax-ΔTmin)/ΔTmin}×100≦10
【００７８】
この際，ΔTmaxは，測定された温度傾きの最大値，ΔTminは，測定された温度傾きの最小値である。 
【００７９】
また，単結晶インゴットの長手方向と平行した軸(X)に沿って測定された融液の温度プロファイルを共に図示した図２を参照すれば，本発明では，融液の内部に周辺に比べて相対的に温度が高い高温領域(図１においてＴH領域と表示)が存在するようにし，特にその高温領域(TH)の上部の温度傾きと下部の温度傾きを制御する。
【００８０】
シリコン融液(SM)の温度をシリコン単結晶インゴット(IG)の長手方向と平行した軸(X)に沿って測定する際，固液界面からインゴット(IG)と遠ざかるほど融液(SM)の温度が徐々に上昇して最高点(H)に到達後，最高点(H)からさらにインゴット(IG)と最も遠い地点である融液(SM)の底部側に行くにつれて徐々に下降する。
【００８１】
この際，固液界面から最高点(H)までの上昇する融液温度傾き(ΔTi)が最高点(H)から融液底部まで下降する融液温度傾き(ΔTd)より大きい状態，すなわち，ΔTi>ΔTdである条件を維持しながら，単結晶インゴットを成長させることが好ましい。ここで，温度測定位置を表示する基準になる軸(X)は，単結晶インゴットの中心を貫通する中心軸であることが好ましい。
【００８２】
この際，最高点(H)は，シリコン融液(SM)の全体深さに対し，融液(SM)の表面から１／５地点乃至２／３地点に存在することが好ましい(大韓民国特許出願番号第２００４−９８５３０号（特許文献１９）参照)。 
【００８３】
上述のように，本発明のようにヒータを改善すれば，いわゆる「チャネル効果(channel effect)」によりシリコン融液の温度分布が単結晶半径方向及び単結晶長手方向に上述のような条件で最適化される。これによって，各種結晶欠陥が排除された高品質の単結晶を容易に得ることができ，実現される成長速度が非常に向上することができる。 
【００８４】
また，本発明では，前記促進された融液対流により成長されたシリコン単結晶インゴットは，中心軸に対して実質的に非対称である品質分布を有することになる。これは，融液の対流が活性化されることによって結晶成長界面の下の融液の対流分布は，対称性を失うことになり，したがって，結晶成長条件は，中心軸に沿って実質的に非対称性を有することになるためである。ところが，高品質単結晶及びシリコンウエハの確保には何らの問題が発生しない。すなわち，本発明により製造されたシリコンウエハには，インタースティシャル優勢領域及びバカンシー優勢領域がウエハの中心に対して実質的に非対称をなすことになる。 
【００８５】
また，チャンバー１０の上部には，ケーブルを巻いて引き上げる引上手段(図示していない)が設けられ，このケーブルの下部に石英坩堝２０内のシリコン融液(SM)に接触して引上げながら単結晶インゴット(IG)を成長させる種結晶が設けられる。引上手段は，単結晶インゴット(IG) 成長の際，ケーブルを巻いて引上げながら回転運動し，この際，シリコン単結晶インゴット(IG)は，坩堝２０の回転軸３０と同一の軸を中心にして坩堝２０の回転方向と反対方向に回転させながら引き上げるようにする。
【００８６】
チャンバー１０の上部には，成長される単結晶インゴット(IG)とシリコン融液(SM)にアルゴン(Ar)，ネオン(Ne)及び窒素(N)などの不活性ガスを供給し，使われた不活性ガスは，チャンバー１０の下部を通じて排出させる。
【００８７】
シリコン単結晶インゴット(IG)と坩堝２０との間にはインゴット(IG)を取り囲むように熱シールド５０を設置してインゴットから放射される熱を遮断することができ，熱シールド５０でインゴット(IG)との最隣接部には円筒形の熱遮蔽部６０を付着設置して熱の流れを一層遮断して熱を保存することができる。
【００８８】
また，保温筒４５の外周部を取り囲む磁石７０を更に設けることにより，安定した熱源としてヒータ４０を採用してシリコン融液の過冷を防止するだけでなく，磁石７０により供給される磁気場の強さを調節してヒータ４０から発生した熱が多様な経路を通じて固液界面に伝えられることを制御するようにすることが好ましい。これによって，より効果的な熱伝逹がなされるようにすることができる。
【００８９】
前記磁気場には，単結晶の長手方向に対して垂直方向又は水平方向の磁場を印加することができ，又は，カスプ(CUSP)形態の磁気場を印加することもできる。その理由は，固液界面及びその下部融液で磁力線の形態が特定の形態に決定されれば，全て同一の効果が発生するためである。
【００９０】
しかしながら，カスプ形態の磁気場を不均衡に印加して石英坩堝の底部位の温度を相対的に低くなるようにすることで，坩堝の底からの酸素湧出を最大限抑制させて，湧出した酸素の移動を抑制することがより好ましい。(大韓民国特許出願番号第２００５−００６８０９７号（特許文献２０）参照)
【００９１】
また，坩堝の回転速度が減少することによって半径方向への融液の温度差が減少して半径方向への融液の温度分布が均一になるので，シリコン融液の温度を単結晶の半径方向に均一にするためには，坩堝回転速度をできる限り低下しなければならない(大韓民国特許出願番号第２００４−９８５３０号（特許文献１９）参照)。 
【００９２】
それだけでなく，高品質の単結晶を高い生産性で製造するためには，坩堝２０の回転速度を考慮して単結晶(IG)回転速度の運用範囲を決定しなければならない。 
【００９３】
坩堝の回転速度をＶｃ，シリコン単結晶インゴットの回転速度をＶｓとするとき，次の数式２を満す条件でシリコン単結晶インゴットを成長させることが好ましい。
3≦Ln[Vs/Vc]≦5
【００９４】
なぜならば，低い坩堝回転速度に比べて単結晶回転速度があまり大きくなる場合には，坩堝の底の冷たい融液の上昇により高温領域の温度が減少し，したがって，融液の垂直方向温度傾きが減少するためである。 
【００９５】
上述の本発明の単結晶シリコンインゴット成長方法によれば，バカンシー及びインタースティシャル等，点欠陥発生が制御されることによって成長欠陥である電位欠陥(エッジ(edge)，スクリュー(screw)，ループ(loop)形態の電位(dislocation))，積層欠陥(stacking fault)，バカンシー集合体であるボイド(void)などの欠陥が全て抑制される。
【００９６】
最近，シリコンウエハ製造技術が発展して前記のような点欠陥凝集欠陥が排除された無欠陥ウエハ水準を実現させている。しかしながら，凝集反応が起こる程の高い濃度ではないけれど，相対的に高濃度のバカンシーと酸素は，実際の半導体デバイスを製造する熱処理過程では，微小析出欠陥のような２次欠陥がデバイス活性領域近くでも発生することができる。 
【００９７】
しかしながら，本発明の一実施形態によって上述の装置及び方法を利用して成長されたシリコン単結晶インゴットは，バカンシー濃度を十分に低下することによって微小析出欠陥などがデバイス活性領域近くでは発生しない。すなわち，本発明は，熱処理により微小析出欠陥を形成できるバカンシーの最小濃度であるバカンシーしきい飽和濃度の以下の水準の点欠陥濃度を有するウエハを高い生産性で製造する。この際，熱処理条件及び結果については，大韓民国特許出願番号第２００４−９８５３０号（特許文献１９）を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の一実施形態に係るチョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを成長させる過程及び単結晶インゴットの長手方向と平行した軸に沿って測定された融液の温度プロファイルを示す断面図である。
【図２】従来技術に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るシリコン単結晶成長装置において坩堝及びヒータ部分の簡略断面図及び発熱量の分布図である。
【図５】本発明の一実施形態であって，図３のヒータを印加した状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることを示す断面図であって，最高温領域から高温領域への適切な熱伝逹チャネルの形成を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０    チャンバー
２０    石英坩堝
２５    坩堝支持台
３０    回転軸
４０    ヒータ
４１    溝
４５    保温筒
５０    熱シールド
６０    熱遮蔽部
７０    磁石
１００   チャネル
【図１】
0005136970.tif 000003
【図２】
0005136970.tif 000004
【図３】
0005136970.tif 000005
【図４】
0005136970.tif 000006
【図５】
0005136970.tif 000007