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KR101472354B1 - 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳 - Google Patents

실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳 Download PDF

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KR101472354B1
KR101472354B1 KR1020130079787A KR20130079787A KR101472354B1 KR 101472354 B1 KR101472354 B1 KR 101472354B1 KR 1020130079787 A KR1020130079787 A KR 1020130079787A KR 20130079787 A KR20130079787 A KR 20130079787A KR 101472354 B1 KR101472354 B1 KR 101472354B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
single crystal
crucible
silicon
dopant
silicon melt
Prior art date
Application number
KR1020130079787A
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English (en)
Inventor
황정하
Original Assignee
주식회사 엘지실트론
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Filing date
Publication date
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

실시예는 도가니 내에 실리콘 용융액을 준비하는 (a) 단계; 상기 실리콘 용융액에 도펀트를 공급하는 (b) 단계; 및 상기 도펀트를 상기 실리콘 용융액 내에 확산시키고, 상기 실리콘 용융액 주변의 도펀트 산화물을 배기하는 (c) 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도는 상기 (b) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 0.1배 내지 0.5배인 실리콘 단결정의 성장 방법을 제공한다.

Description

실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳{METHOF FOR MANEFACTURING SILICON SINGLE CRYSTAL AND SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시예는 실리콘 단결정의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 용융액 내에 도펀트를 도핑할 때의 효율 향상에 관한 것이다.
반도체소자 제조의 재료로서 실리콘(Si) 웨이퍼 (wafer)가 널리 사용되고 있다. 상기 실리콘 웨이퍼는 반도체를 직접화하는 영역의 순도 및 결정 특성이 우수하고, 반도체 디바이스(device)의 수율 및 소자 특성 향상에 유리하다.
통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 제거하는 연삭(Grinding) 공정과, 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 연마하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.
쵸크랄스키(Czochralski)법(이하 'CZ법'이라 함)에 의하여 단결정을 성장시키며 인상하는 공정에서, 단결정에 저항률을 주기 위하여 단결정의 성장 전에 실리콘 용융액에 도펀트(dopant)를 첨가할 수 있다.
도핑 공정 이후에는 소정 시간의 도핑 안정화 공정이 진행되는데, 도핑 안정화 공정에서 도펀트가 실리콘 용융액으로부터 휘발되어 효율이 감소하거나 공정 챔버 내부에 도펀트 산화물이 발생하여 공정 효율이 저하되고 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하될 수 있다.
실시예는 상술한 문제점을 제거하기 위한 것으로, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정에서 실리콘 용융액에 도핑되는 도펀트의 도핑 효율을 증대하고 실리콘 산화물을 감소시키고자 하는 것이다.
실시예는 도가니 내에 실리콘 용융액을 준비하는 (a) 단계; 상기 실리콘 용융액에 도펀트를 공급하는 (b) 단계; 및 상기 도펀트를 상기 실리콘 용융액 내에 확산시키고, 상기 실리콘 용융액 주변의 도펀트 산화물을 배기하는 (c) 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도는 상기 (b) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 0.1배 내지 0.5배인 실리콘 단결정의 성장 방법을 제공한다.
(b) 단계에서 상기 도가니에 가해지는 자기장이 오프(off)되고, 상기 (c) 단계에서 상기 도가니에 가해지는 자기장이 온(on)될 수 있다.
(c) 단계에서 상기 도가니의 높이는 상기 (b) 단계에서 상기 도가니의 높이보다 낮을 수 있다.
(c) 단계에서 상방 단열부로부터 상기 실리콘 용융액의 표면까지의 거리는, 상기 (b) 단계에서 상기 상방 단열부로부터 상기 실리콘 용융액의 표면까지의 거리보다 20% 내지 40% 클 수 있다.
(c) 단계에서 상방 단열부와 상기 실리콘 용융액의 사이에 비활성 기체를 공급할 수 있다.
비활성 기체를 80 lpm 내지 120 lpm 공급할 수 있다.
실리콘 단결정의 성장 방법은 (c) 단계 이후에 상기 실리콘 용융액에 상기 도펀트를 추가 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예는 성장 방법으로 제조되고, 종방향의 저항이 3 밀리 옴 이하인 실리콘 단결정 잉곳을 제공한다.
실리콘 단결정 잉곳의 저항 편차가 1.5 밀리 옴 내지 3 밀리 옴일 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳은 도핑 안정화 공정에서 도펀트 산화물을 감소시켜 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 향상되고, 도펀트의 휘발량을 줄여서 도핑 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법의 일실시예의 흐름도이고,
도 3a 내지 도 3d는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정을 나타낸 도면이고,
도 4는 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 나타낸 도면이고,
도 5는 실리콘 용융액 내에서 도펀트의 감소에 따른 비저항의 증가를 나타낸 도면이고,
도 6은 도핑 안정화 공정의 추가에 따른 비저항의 감소를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘 용융액(Si)으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액(Si melt)이 수용되기 위한 도가니(60, 65)와, 상기 도가니(60, 65)를 가열하기 위한 가열부(20)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(60, 65)의 상방에 위치되는 상방 단열부(32)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(미도시)과 상기 실리콘 단결정 잉곳을 상방으로 이동시키는 이동 수단을 포함한다.
그리고, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 상기 도가니(60, 65)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지 수단(50)과, 상기 챔버(10)의 내벽을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위한 측방 단열부(31)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각하기 위한 냉각관(70)을 더 포함한다.
상기 챔버(10)의 중앙 영역에 상기 도가니가 위치된다. 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 석영 도가니(60)와, 상기 석영 도가니(60)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(60)를 지지하는 흑연 도가니(65)로 이루어질 수 있다.
상기 도가니의 측면에는 상기 도가니를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 배치되하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(10)의 내벽 사이에 구비된다.
그리고, 상기 상방 단열부(32)는, 상기 챔버(10)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장된다. 다만, 상기 상방 단열부(32)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 가스가 유동할 수 있도록, 상기 상방 단열부(32)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장된다.
또한, 상기 상방 단열부(32)의 단부는 성장 중인 잉곳을 둘러싸며 배치될 수 있다. 즉, 상방 단열부(32)는 상기 챔버(10)의 내부 공간을, 상기 실리콘 용융액이 가열되고 상기 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 가열 챔버(13)와, 상기 단결정 잉곳이 냉각되는 냉각 챔버(14)로 구획한다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 이동 수단은 시드 케이블(42)과, 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 구동모터에 의하여 상기 시드 케이블(42)을 당겨짐으로써, 상기 시드척(미도시)과 상기 시드척에 성장 중인 단결정 잉곳이 함께 당겨질 수 있다. 단결정 잉곳은 도시된 바와 같이 넥(neck)으로부터 성장을 시작하여 숄더(shoulder)를 거쳐 바디(body)의 성장이 이루어진다.
또한, 상기 지지수단(50)은, 상기 도가니를 지지하는 지지부와, 상기 도가니를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 지지부는 상기 도가니의 하방에서 상기 도가니의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니가 회전 및 승강되도록 한다.
그리고, 상기 냉각관(70)은 전체적으로 상하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이다. 그리고, 상기 냉각관(70)은 상기 단결정 잉곳의 상방에 해당하는 상기 챔버(10)의 상면에 고정된다.
그리고, 상기 냉각관(70)의 내부에는, 상기 단결정 잉곳의 냉각을 위한 물이 유동하기 위한 유로가 형성된다. 상기 단결정 잉곳의 쿨링(cooling) 과정이 수행되는 동안, 상기 단결정 잉곳은 상기 냉각관(70)의 내측에 위치되고 상기 냉각관(70)을 통하여 물이 유동하는 방식으로 상기 단결정 잉곳이 냉각될 수 있다.
도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법의 일실시예의 흐름도이고, 도 3a 내지 도 3d는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정을 나타낸 도면이다.
이하에서, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 도가니(60) 내에 실리콘 용융액을 준비하는데, 상술한 도가니(60) 내에 실리콘(Si)을 주입하고 가열하여 용융할 수 있다(S110). 이때, 가열부로부터 방출된 열이 도가니(60)에 집중되어 도가니(60)에 수용되는 실리콘 멜트를 용융할 수 있다.
그리고, 도 3b에 도시된 바와 같이 실리콘 용융액(Si)에 도펀트를 공급하여 도핑할 수 있는데, 이때 도가니에 자기장이 가해지지 않도록 할 수 있다(S120). 비소(As) 등의 원소는 비저항을 낮출 수 있어서 도펀트로 사용될 수 있다. 도핑 공정은 섭씨 1460도 내지 1480도의 온도에서 20분 정도 진행될 수 있다.
그리고, 도펀트 안정화 및 산화물 배기 공정을 진행할 수 있는데, 이때 도가니에 자기장을 가할 수 있으며 도가니의 높이를 상술한 도펀트의 도핑 단계에서 보다 낮게 할 수 있다(S130). 상술한 도펀트를 실리콘 용융액 내에서 확산시켜서 도펀트를 안정화시킬 수 있고, 이때 실리콘 용융액 주변의 도펀트 산화물을 배기할 수 있다.
도펀트 안정화 공정은 섭씨 1420도 내외의 온도에서 20분 정도 진행될 수 있다.
도펀트의 도핑 단계에서 오프(off)된 자기장을 도펀트의 안정화 및 산화물 배기 공정에서는 온(on)할 수 있으며, 자기장 인가 유닛(150)의 오프 및 온에 의하여 이루어질 수 있다.
그리고, 도가니의 하강은 상술한 지지 수단의 작용에 의하여 이루어질 수 있는데, 도펀트의 안정화 공정에서 도가니의 높이를 낮추면 실리콘 용융액의 표면의 높이도 낮아질 수 있다. 도 3c에서는 도핑 단계를 나타내고 있고 도 3d에서는 도핑 안정화 단계를 나타내고 있는데, 상방 단열부(32)로부터 실리콘 용융액의 표면까지의 거리는 도핑 단계보다 도핑 안정화 단계에서 더 클 수 있다.
도핑 단계에서 상방 단열부(32)로부터 실리콘 용융액의 표면까지의 거리(h1)보다, 도핑 안정화 단계에서 상방 단열부(32)로부터 실리콘 용융액의 표면까지의 거리(h2)가 더 클 수 있으며, 구체적으로 도핑 안정화 단계에서의 상방 단열부(32)로부터 실리콘 용융액의 표면까지의 거리(h2)는 도핑 단계에서의 상방 단열부로부터 실리콘 용융액의 표면까지의 거리(d1)보다 20% 내지 40% 클 수 있다.
도핑 안정화 단계에서 상술한 거리(h2)가 너무 크면 재료의 휘발이 너무 많을 수 있고, 너무 작으면 도펀트 산화물의 배기가 용이하지 않을 수 있다.
그리고, 도핑 공정 및 도핑 안정화 공정에서 상술한 지지 수단의 작용에 의하여 도가니가 회전할 수 있는데, 도가니의 회전 속도를 도핑 공정보다 도핑 안정화 공정에서 느려질 수 있다. 구체적으로 도 3d에 도시된 도핑 안정화 공정에서 도가니(60)의 회전 속도(b rpm)은 도 3b에 도시된 도핑 공정에서의 도가니(60)의 회전 속도(a rpm)의 0.1 배 내지 0.5 배 일 수 있다.
상술한 회전 속도가 너무 빠르면 도가니 내에서 열대류가 충분히 일어나지 않을 수 있고, 너무 느리면 도가니에 열을 공급하기 어려울 수 있다.
그리고, 도 3d에 도시된 도핑 안정화 공정에서 도펀트 산화물을 배기하여 위하여, 상방 단열부(32)와 실리콘 용융액의 사이에 아르곤(Ar) 등의 비활성 기체를 공급할 수 있다. 비활성 기체는 80 lpm(Liter per Million) 내지 120 lpm으로 공급될 수 있는데, 챔버 내부의 기체 상태의 도펀트 산화물과 반응하지 않으면서 도펀트 산화물을 배기할 수 있다.
도펀트가 챔버 내부에서 휘발되거나 또는 다른 이유로 형성된 도펀트 산화물을 상술한 배기를 통하여 제거할 수 있는데, 도펀트 산화물은 실리콘 용융액의 표면에 또는 상방 단열부와 실리콘 용융액과의 사이에 존재할 수 있다.
그리고, 도핑 안정화 단계 이후에 도펀트를 실리콘 용융액 내에 재도핑(redoping)할 수도 있다(S140). 예를 들어, 잉곳의 성장 중에 잉곳이 다결정화된 경우에 잉곳을 녹여서 다시 성장시키는데 이때 도펀트가 휘발되었으므로 다시 공급할 수 있다.
이어서, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다(S150). 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 상세히 설명하면 다음과 같다.
실리콘 용융액에 시드를 디핑(dipping)하고, 실리콘 용융액의 일부가 고화되어 상술한 시드로부터 가늘고 긴 형상의 넥(neck)이 성장될 수 있다.
이어서, 넥의 하부로부터 연속하여 숄더(shoulder)가 성장될 수 있는데, 숄더는 넥으로부터 수직 및 수직 방향으로 성장하여 잉곳의 직경이 가로 방향(직경 방향)으로도 성장할 수 있다.
숄더의 성장 종료 후 바디(body)의 성장 공정에서 잉곳이 수직 방향으로 성장할 수 있다.
상술한 바와 같이 시드의 디핑으로부터 넥과 숄더 및 바디의 성장을 포함하는 잉곳의 성장 공정에서 잉곳을 윗 방향으로 천천히 인상할 수 있다.
도 4는 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 나타낸 도면이다.
상술한 방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 종방향의 저항이 3 밀리 옴(ohm) 이하일 수 있는데, 종방향은 도 4에서 바디 내에서 세로 방향이다. 그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 저항 편차가 1.5 밀리 옴 내지 3 밀리 옴일 수 있다.
도 5는 실리콘 용융액 내에서 도펀트의 감소에 따른 비저항의 증가를 나타낸 도면이다.
실리콘 용융액 내에서 도펀트의 감소가 증가할수록 실리콘 단결정 잉곳의 비저항이 증가함을 나타내고 있는데, 도핑 안정화 공정 없이 도펀트의 휘발이 많을 때 이러한 현상이 나타날 수 있다.
도 6은 도핑 안정화 공정의 추가에 따른 비저항의 감소를 나타낸 도면이다.
Res.(1)은 도펀트 안정화 공정이 생략된 종래의 공정으로 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 비저항을 나타내고, Res.(2) 내지 Res.(4)는 도펀트 안정화 공정이 추가된 본 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 방법에 따라 제조된 실리콘 단결정 잉곳의 일실시예들의 비저항들이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 챔버 20: 가열부
31: 측방 단열부 32: 상방 단열부
42: 시드 케이블 50: 지지 수단
60: 석영 도가니 65: 흑연 도가니
70: 냉각관

Claims (9)

  1. 도가니 내에 실리콘 용융액을 준비하는 (a) 단계;
    상기 실리콘 용융액에 도펀트를 공급하는 (b) 단계; 및
    상기 도펀트를 상기 실리콘 용융액 내에 확산시키고, 상기 실리콘 용융액 주변의 도펀트 산화물을 배기하는 (c) 단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서 상기 도가니의 높이는 상기 (b) 단계에서 상기 도가니의 높이보다 낮으며,
    상기 (c) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도는 상기 (b) 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 0.1배 내지 0.5배인 실리콘 단결정의 성장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 도가니에 가해지는 자기장이 오프(off)되고, 상기 (c) 단계에서 상기 도가니에 가해지는 자기장이 온(on)되는 실리콘 단결정의 성장 방법.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상방 단열부로부터 상기 실리콘 용융액의 표면까지의 거리는, 상기 (b) 단계에서 상기 상방 단열부로부터 상기 실리콘 용융액의 표면까지의 거리보다 20% 내지 40% 큰 실리콘 단결정의 성장 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상방 단열부와 상기 실리콘 용융액의 사이에 비활성 기체를 공급하는 실리콘 단결정의 성장 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 비활성 기체를 80 lpm 내지 120 lpm 공급하는 실리콘 단결정의 성장 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에 상기 실리콘 용융액에 상기 도펀트를 추가 공급하는 단계를 더 포함하는 실리콘 단결정의 성장 방법.
  8. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 종방향의 저항이 3 밀리 옴 이하인 실리콘 단결정 잉곳.
  9. 제8 항에 있어서,
    저항 편차가 1.5 밀리 옴(ohm) 내지 3 밀리 옴인 실리콘 단결정 잉곳.
KR1020130079787A 2013-07-08 2013-07-08 실리콘 단결정의 성장 방법 및 실리콘 단결정 잉곳 KR101472354B1 (ko)

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