자기장을 이용한 450mm 초크랄스키 실리콘 잉곳의 동적 열흐름에 관한 연구

Abstract

반도체의 산업화 이후 단위면적당 소자의 집적도를 얼마나 높이는가의 문제와 더불어 웨이퍼 당 얼마나 많은 다이가 생산되는가의 생산성의 문제는 꾸준히 제시되어 왔으며 이에 생산품의 수율에 관계되는 웨이퍼의 고품질화와 생산성에 관계되는 대구경화가 요구되었으며, 이에 따른 Czochralski (CZ)법에 의한 단결정 실리콘 성장 시 액상내의 전달 현상 및 유동 양상에 관한 수치 해석적 전산모사 방법에 의한 연구가 활발히 진행되고 있다. 무결정결함 CZ 웨이퍼는 COP, 전위 결함 그리고 O.I.S.F-ring과 같은 응집된 결정결함이 없는 실리콘 웨이퍼를 말한다. 무결정결함 CZ 웨이퍼의 제조는 결정 성장 과정에서 결정성장 속도와 온도구배의 비인 V/G 의 최적화가 필요하다. V/G는 성장로의 구조와 조건에 의한 영항을 많이 받으므로, 대량 생산을 통해 무결정결함 웨이퍼를 얻기 위해서는 결정 성장 파라미터가 (V/G)^(*)_(L/D) < V/G < (V/G)^(*)_(O·I·S·F)를 만족하도록 CZ 성장로 (CZ puller)의 구조를 설계하는 것이 필요하다. 하지만 실험을 통하여 성장로의 크기 및 구조, 결정의 직경 등의 각기 다른 성장변수를 포함하는 매우 다양한 성장조건에서의 온도분포를 직접 측정하는 것은 엄청난 시간과 자원을 소비하므로, 컴퓨터를 이용한 전산모사(computer simulation)는 매우 유용한 대안이 되고 있다. 상업적인 실리콘 성장 시 결정의 질을 개선할 목적으로 제작된 FEMAG은 유한요소해석법(Finite Element Method, FEM)을 이용하여 Czochralski 법을 이용한 실리콘 단결정 성장에 대한 시뮬레이션을 행하였다. 본문에서는 현재 양산되고 있는 직경 300mm 실리콘 단결정 잉곳 이후로 2012년 양산화 될 것으로 보이는 직경 450mm 실리콘 단결정 잉곳성장의 최적기준을 반지름 방향으로 (V/G)^(*)_(L/D) < V/G < (V/G)^(*)_(O·I·S·F)를 만족하도록 자기장의 위치와 세기를 설정하였다. 450mm 성장로의 구조는 300mm 성장로의 구조를 기준으로 하여 작성하였으며 각각의 시뮬레이션 상수 및 변수는 300mm 조건과 동일하게 설정하였다. 본문에서는 450mm 단결정 잉곳의 최적화된 도가니 회전속도와 결정 회전 속도를 정한 후 자기장을 인가하지 않은 상태에서의 무결점결함의 구간을 확인하였고 자기장의 위치를 실리콘 용탕 표면으로부터 100mm, 200mm, 300mm, 400mm로 낮춘 후의 온도구배를 확인하여, 그 중 가장 적절한 조건을 선택하여 결정성장 속도를 증가하여 무결점결함 조건의 (V/G)^(*)_(L/D) < V/G < (V/G)^(*)_(O·I·S·F)를 만족하는지 확인하였다. 이에 용탕 표면으로부터 300mm로 자기장의 중심을 맞춘 위치에서 50G의 세기에서 성장 속도 0.38mm/min에서 가장 좋은 조건임을 확인하였고, 이는 반지름 방향으로 0mm 에서 170mm 까지 (V/G)^(*)_(L/D) < V/G < (V/G)^(*)_(O·I·S·F)를 만족시켰으며 170mm 이후는 점결함이 외부확산이 될 것으로 기대 되므로 반지름 방향으로 모든 영역이 무결점결함 영역이 될 것이라 예상된다.; Since the mass-production of semiconductor, many efforts to improve productivity have been continued. So the integrity of circuitry has been grown up, and the size of Si wafer as substrate has been increased. With the progress of circuitry in integration, demands for higher quality of Si wafer leads to be interested with transfer and convection in liquid of Czochralski silicon growth. And researches by numerical simulation are in progress actively. The V/G on a wafer is strongly dependent on the hot zone structure and process of the Czochralski(CZ) crystal puller. Therefore, for the mass-production of pure silicon, hot zone structure should be designed so that growth parameters are satisfying (V/G)^(*)_(L/D)< V/G< (V/G)^(*)_(O·I·S·F·) But it is very expensive and time consuming to perform an actual growth experiment about very various growth conditions included those of dimension or shape of furnace elements, crystal diameter and so on. On this side, computer simulation is a very useful alternative. The FEMAG, made for improvement of commercial crystal quality, performs a Czochralski growth simulation by using the finite element method. In this paper, it was calculated that silicon melt convection, temperature distributions in furnace and defect distributions when growing the 450mm silicon single crystal, the next generation single crystal following the 300mm silicon ingot. And it was tried that drawing an optimal growth condition of 450mm silicon single crystal by estimating the (V/G)^(*)_(V/I·) Hot zone geometry for 450mm was set on the basis of 300mm standard hot zone. And each simulation parameter for 450mm simulation was equal to that of 300mm simulation. The crystal rotation rate and pulling rate were varied when 450mm simulation. The simulation result about crystal rotation rate was general as we expected. Using this result, rotation rate of crystal and crucible were set. And after that, the optimal pulling rate was tried to find. To obtain that �漑㎘�G between ingot center and the radial 170mm position is approximately zero, the effect of CUSP electro-magnetic-field position on dynamic heat flow parameter was investigated. The G at the ingot center decreased with the zero position of electromagnetic field up to ~200mm. Then, it increased with lowering the zero position of electromagnetic field more and more. The ΔG difference between near ingot center and 170mm increased with lowering at the zero position of electro-magnetic field up to ~300mm. Then it decreased with lowering the zero position of electro-magnetic-field more and more. Although the V/G distribution from the ingot center to 170mm is flat, the crystal pulling rate (0.22 mm/min) was too slow to grow a pure silicon ingot because the V/G from the ingot center to edge is less than 0.213 mm2/min·K producing large dislocations. Thus, we increased the crystal pulling rate from 0.22 to 0.38 mm/min under 300 mm lowering the zero position of electro-magnetic filed from the interface between the silicon solid and melt. The V/G from the ingot center to edge satisfied the crystal growth condition of a pure silicon ingot that is between 0.219 and 0.219 mm²/min·K. The interface shape at the silicon solid and melt was convex. Therefore, in the CUSP magnetic-field CZ crystal-growth, the 300 mm lowering of zero position of electro-magnetic field could produce a pure silicon ingot via suppression of the silicon melt convection and achievement of a uniform ΔG_(1673~1685) from the ingot center to 170 mm.