JP5941157B2 - インゴット成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、インゴット成長装置及びインゴット成長方法に関するものである。

一般的に、半導体素子を製造するためのウェハを製造する工程は、シリコン単結晶インゴットをスライスする切断工程、スライスされたウェハのエッジをラウンディング処理するエッジ研削工程、切断工程によるウェハの粗い表面を平坦化するラッピング工程、エッジ研削またはラッピング工程中にウェハ表面に付着したパーティクル等の各種汚染物質を除去する洗浄工程、後工程に適合する形状及び表面を確保するための表面研削工程、ウェハエッジに対するエッジ研磨工程を含むことができる。

シリコン単結晶インゴットは、チョクラルスキー法(czochralski method)またはフローティングゾーン(FZ)法等により成長させることができる。一般的には、大口径のシリコン単結晶インゴットを製造でき、工程コストが安いチョクラルスキー法を用いて成長させる。

このようなチョクラルスキー法は、シリコン融液に種結晶を浸漬して、これを低速で引き上げることで行われる。

ウェハの使用目的に応じてインゴットをドーピングさせるが、この場合シリコン融液表面にドーパントを投下して溶かす方式を用いている。このような方式では、投下したドーパント全体がシリコン融液内部に溶け入らず、一部は揮発されることになるが、この場合不必要なドーパントの使用量が増加するだけでなく、インゴット成長装置内部に汚染を増加させることになる。これにより、インゴットの収率を減少させてしまうという問題がある。

特に、アンチモン(Sb)の場合、融点が低く相変化が急激に起きるので、ドーピングの時シリコン融液の表面での蒸気圧差による爆発のような危険がある。従って、任意にドーパントを再加工してシリコン融液内部で溶かさなければならないなど追加的な工程が必要であり、これは工程時間及び工程コストを増加させる。

本発明は、シリコン融液にドーパントをより効率的に提供して、高品質のシリコンインゴットを成長させるようにする。

本発明のインゴット成長装置は、シリコン融液が収容されるルツボと、前記ルツボの上側に位置し、上下に移動可能な引き上げ機構と、前記引き上げ機構に連結され、前記シリコン融液にドーパントを提供するためのドーパント提供部と、を含み、前記ドーパント提供部は、少なくとも一つ以上の孔が形成された底面と側面を含む。

本発明のインゴット成長方法は、シリコン融液が用意されるステップと、前記シリコン融液にドーパントを提供するために、前記ドーパントが収容されたドーパント提供部が前記シリコン融液内に浸漬されるステップと、前記ドーパント提供部の底面と側面に形成された複数の孔を介して前記シリコン融液が前記ドーパント提供部内に流入することで、前記ドーパントが前記シリコン融液に提供されるステップと、前記ドーパント提供部が引き上げられるステップと、前記シリコン融液からインゴットが成長するステップと、を含む。

本発明のドーパント提供部を介してドーパントとシリコン融液が接触する場合、ドーパントの揮発によるインゴット成長装置内部の汚染を防止することができる。また、前記ドーパントのシリコン融液表面での蒸気圧差による爆発のような危険を防止することができる。従って、シリコン融液から成長するインゴットの収率を向上させることができる。また、高価なドーパントの使用量を減らしながらも、高濃度でドーピングされたシリコン融液を提供することができる。

前記ドーパント提供部の底面及び側面それぞれに第１孔及び第２孔を含む。前記第１孔及び前記第２孔は、前記ドーパント提供部の内部を外部に露出させることで、前記ドーパント提供部の内部に前記シリコン融液の流入及び流出が可能である。即ち、前記ドーパントと前記シリコン融液の接触が可能である。特に、前記第１孔及び前記第２孔を閉鎖できる別途の装置なしでも、前記ドーパント提供部内部に収容されているドーパントが流失しなくなる。

前記ドーパント提供部に収容されるドーパントは、スティック(stick)形態を有することができる。これにより、前記第１孔及び前記第２孔から流失されずにドーピングが行われることになる。また、既存の顆粒(granule)形態のドーパントに比べて、追加的な加工工程を省略でき、工程時間及び工程コストを減らすことができる。

実施例に係るインゴット成長装置の断面図である。 実施例に係るインゴット成長装置に含まれるドーパント提供部の分解斜視図である。 実施例に係るインゴット成長装置に含まれるドーパント提供部の背面図である。 ドーパントの斜視図である。 実施例に係るインゴット成長方法を説明するための断面図である。 実施例に係るインゴット成長方法を説明するための断面図である。 実施例と比較例の比抵抗を比較したグラフである。

実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターンまたは構造物が、基板、各層(膜)、領域、パッドまたはパターンの「上」または「下」に形成されるという記載は、直接または他の層を介して形成されるものを全部含む。各階の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。

また、図面における各層(膜)、領域、パターンまたは構造物の厚さや大きさは、説明の明確性及び便宜を図り変形できるものであるので、実際の大きさを全面的に反映するものではない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例を詳しく説明する。

まず、本実施例のインゴット成長装置に対して、添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１は、実施例に係るインゴット成長装置の断面図である。図２は、実施例に係るインゴット成長装置に含まれるドーパント提供部の分解斜視図である。図３は、実施例に係るインゴット成長装置に含まれるドーパント提供部の背面図である。図４は、ドーパントの斜視図である。

まず、図１を参照すれば、実施例に係るシリコン単結晶インゴット製造装置は、シリコンウェハを製造する方法のうちのチョクラルスキー法に用いられる製造装置とすることができる。

実施例に係るシリコン単結晶インゴット製造装置は、チャンバ１０、シリコン融液(silicon melt、SM)を収容できる石英ルツボ２０、ルツボ支持台２２、ルツボ回転軸２４、ドーパント提供部５０、ドーパント提供部５０を引き上げる引き上げ機構３０、熱を遮断する熱シールド４０と抵抗ヒーター７０、断熱材８０及び磁場発生装置９０を含む。

前記シリコン単結晶インゴット製造装置について、より詳細に説明する。

前記チャンバ１０内部に前記石英ルツボ２０が設置され、前記石英ルツボ２０を支持するルツボ支持台２２が設置される。前記石英ルツボ２０内には、シリコン融液SMが収容される。前記石英ルツボ２０は石英を含むことができ、前記ルツボ支持台２２はグラファイトを含むことができる。

前記石英ルツボ２０は、前記ルツボ回転軸２４により時計方向または反時計方向に回転することができる。

前記ドーパント提供部５０は、高揮発性ドーパントを安定的に供給するための構成要素として、前記石英ルツボ２０に隣接して位置する。そして、前記ドーパント提供部５０を上下方向に昇降させるための構造として、引き上げ機構３０が前記ドーパント提供部５０の上部面に連結される。

前記引き上げ機構３０の上下昇降運動によって、前記引き上げ機構３０と連結されたドーパント提供部５０が上下方向に移動できる。

前記ドーパント提供部５０に対する構成をより詳しく説明するために、図２及び図３を参照すれば、前記ドーパント提供部５０は、ドーパント５５を収容できる円筒形状を有することができ、前記ドーパント提供部５０の形状は多様に変形して実施することができる。

前記ドーパント提供部５０は酸化ケイ素(SiO_２)からなることができ、例えば、石英からなることができる。

前記ドーパント提供部５０には、多数の孔が形成される。即ち、前記ドーパント提供部５０は、底面及び前記底面を囲む側面を含み、前記底面及び前記側面に孔が位置することができる。前記底面には、多数の第１孔h１が位置することができる。前記側面には多数個の第２孔h２が位置することができる。

前記第１孔h１及び前記第２孔h２によって、前記ドーパント提供部５０の内部と外部が連通され、前記ドーパント提供部５０の内部に前記シリコン融液SMの流入及び流出が可能である。即ち、前記ドーパント５５と前記シリコン融液SMの接触が可能である。

そして、前記第１孔h１の直径D１(孔の形状が円状でない場合には、横長または縦長となる)及び前記第２孔h２の直径D２(孔の形状が円状でない場合には、横長または縦長となる)は、ドーパント５５の直径(D３、図４参照)より小さくなるようにして、前記ドーパント５５が前記第１孔と第２孔を介してドーパント提供部５０の外に抜け出せないようにする。

また、前記第１孔h１及び前記第２孔h２を閉鎖できる別途の装置なしでも、前記ドーパント提供部５０内部に収容されているドーパント５５が流失しないことになる。即ち、前記ドーパント５５が前記第１孔h１または前記第２孔h２を介して流れ落ちないので、前記第１孔h１及び前記第２孔h２を閉鎖させる必要がない。具体的に、前記第１孔h１の直径D１は５mm〜１３mmの範囲を有することができ、例えば、前記第１孔h１の直径D１が１０mmである場合、前記第１孔h１の個数は３２個とすることができる。また、前記第２孔h２の直径D２は前記第１孔h１の直径と同一であり、前記第２孔h２の個数は１６個とすることができる。

また、図３に示されたように、前記ドーパント提供部５０の底面で前記多数の第１孔h１が占める面積は４０％〜８０％である。前記第１孔h１の面積が前記底面の面積に対して４０％未満である場合、前記ドーパント５５が前記シリコン融液SMに溶融されてドーピングされる時間が長くかかることがある。また、前記第１孔h１の面積が前記底面の面積に対して８０％を超える場合、前記ドーパント提供部５０の物理的強度が弱くなる。

一方、前記第１孔h１が占める面積の和より、前記第２孔h２が占める面積の和が小さいようにする。これは、前記側面に位置する前記第２孔h２の面積が広すぎると、前記ドーパント５５の揮発により気体が抜け出すからである。

図４を参照すれば、前記ドーパント５５は円筒形状を有し、円筒外周面が屈曲した形状を有することができる。前記ドーパント５５の直径D３(ドーパントの上部面または下部面が円形状でない場合、D３は横長または縦長である)は、１５mm〜２０mmの範囲を有することができ、前記ドーパント５５の高さHは４０mm〜５０mmの範囲を有することができる。

即ち、前記ドーパント５５がスティック形態を有することで、前記第１孔h１及び前記第２孔h２から流失せずにドーピングが行われることになる。また、既存の顆粒形態のドーパント５５に比べて、追加的な加工工程を省略でき、工程時間及び工程コストを減らすことができる。

前記ドーパント５５は、前記シリコン融液SMをドーピングすることができる。これにより、インゴットから製造されるウェハの電気的特性を調節することができる。前記ドーパント５５は、製造されるウェハのタイプによって変わる。一例として、ウェハがNタイプである場合、前記ドーパント５５は燐(Phosphorous)からなることができ、ウェハがPタイプである場合、前記ドーパント５５はホウ素(Boron)からなることができる。

一方、前記ドーパント提供部５０は、収容部５２及び密閉部５４を含むことができる。前記収容部５２には前記ドーパント５５が収容され、前記密閉部５４は前記収容部５２の上部面に結合及び分離する。従って、前記密閉部５４の着脱によって前記収容部５２の上部面が密閉または開放される。

前記収容部５２は、前記密閉部５４と締結できるように突出部５２aを含むことができる。前記密閉部５４は、前記突出部５２aと結合できる締結溝５４aを含むことができる。前記突出部５２a及び前記締結溝５４aを介して、前記密閉部５４は前記収容部５２を密閉することができる。なお、実施例はこれに限定されるものではなく、前記収容部５２及び密閉部５４は多様な締結構造を含むことができる。また、前記収容部５２及び前記密閉部５４を一体に形成することもできる。

前記ドーパント提供部５０を介して前記ドーパント５５と前記シリコン融液SMが接触する場合、前記ドーパント５５の揮発によるインゴット成長装置内部の汚染を防止することができる。また、前記ドーパント５５のシリコン融液SM表面での蒸気圧差による爆発のような危険を防止することができる。

即ち、ドーパントを石英材質のドーパント提供部５０内に収容し、前記ドーパント提供部５０がシリコン融液内部に入れられる場合に、ドーパントとシリコン融液が接する時に発生する揮発による成長装置内部汚染は、上部面が密閉されたドーパント提供部５０によって抑制され、また、ドーパントの跳ねる現象をドーパント提供部５０の外側面によって抑制できるようになる。

一方、前記ルツボ支持台２２に隣接して石英ルツボ２０に熱を加える抵抗ヒーター７０が位置することができる。このような抵抗ヒーター７０の外側に断熱材８０が位置することができる。抵抗ヒーター７０は、ポリシリコンを溶かしてシリコン融液SMを作るのに必要な熱を供給し、製造工程中もシリコン融液SMに継続的に熱を供給する。

一方、石英ルツボ２０に収容されたシリコン融液SMは高温であり、シリコン融液SMの界面から熱を放出することになる。この時、多くの熱が放出されると、シリコン単結晶インゴットに成長に必要なシリコン融液SMの適正温度を維持できなくなる。従って、界面から放出される熱を最小化し、放出された熱がシリコン単結晶インゴットの上部に伝達されないようにしなければならない。このために、シリコン融液SM及びシリコン融液SMの界面が高温の温度環境を維持できるように熱シールド４０が設置される。

熱シールド４０は、熱的環境を所望の状態に維持させて、安定した結晶成長が行われるようにするために、多様な形状を有することができる。一例として、熱シールド４０は、シリコン単結晶インゴットの周囲を囲むように内部が空いた円筒形状を有することができる。このような熱シールド４０は、一例として、グラファイト、グラファイトフェルトまたはモリブデンなどを含むことができる。

チャンバ１０の外部には、シリコン融液SMに磁場を印加してシリコン融液SMの対流を制御できる磁場発生装置９０が位置することができる。このような磁場発生装置９０は、シリコン単結晶インゴットの結晶成長軸に垂直な方向、即ち、水平磁場(magnet field、MF)を発生させる装置からなることができる。

以下、図５及び図６を参照して、実施例に係るインゴット成長方法を説明する。明確で簡略な説明のために、先に説明した部分と同一または類似の部分については、詳細な説明を省略する。

図５及び図６は、実施例に係るインゴット成長方法を説明するための断面図である。

実施例に係るインゴット成長方法は、シリコン融液SMを用意するステップ、ドーパント提供部５０を浸漬させるステップ、ドーパント５５を提供するステップ、ドーパント提供部５０を引き上げるステップ、インゴットを成長させるステップを含む。

前記シリコン融液SMを用意するステップでは、チャンバ内部に設置される石英ルツボにシリコン融液SMを用意することができる。

次に、前記ドーパント提供部５０を浸漬させるステップでは、前記シリコン融液SM内にドーパント提供部５０を浸漬させることができる。前記ドーパント提供部５０はドーパント５５を収容し、前記ドーパント提供部５０が前記シリコン融液SM内に浸漬されることで、前記ドーパント５５が前記シリコン融液SMと接触してドーピングされることになる。図５を参照すれば、前記ドーパント提供部５０が前記シリコン融液SM内に完全に浸漬されるように位置することができる。

前記ドーパント提供部５０を浸漬させるステップでは、前記ドーパント提供部５０の下降速度は９００mm/min〜１１００mm/minである。前記ドーパント提供部５０の下降速度が９００mm/min未満の場合、前記ドーパント提供部５０の側面に位置する第２孔h２を介して前記ドーパント５５が揮発することがある。また、前記ドーパント提供部５０の下降速度が１１００mm/minを超える場合、工程上の不安を招いて、前記ドーパント提供部５０が前記シリコン融液SM内に完全に浸漬されず、浮いてしまう現象が発生することがある。

次に、前記ドーパント５５を提供するステップでは、前記ドーパント５５がシリコン融液SM内に溶融することになる。前記ドーパント５５が前記ドーパント提供部５０内に位置することで、前記ドーパント５５の揮発や蒸気圧差による爆発現象を防止することができる。また、インゴット成長装置内部の汚染を防止して、収率を向上させることができる。

次に、前記ドーパント提供部５０を引き上げるステップでは、前記ドーパント提供部５０を前記シリコン融液SMから上昇させることができる。

次に、図６を参照すれば、前記インゴットを成長させるステップでは、シリコン融液SMからインゴットを成長させることができる。

この時、前記石英ルツボ２０の上部には、種結晶Sが付着しこれを引き上げる引き上げ機構３０が位置し、前記引き上げ機構３０は前記ルツボ回転軸２４の回転方向と反対方向に回転することができる。これにより、インゴットが成長されることになる。

以上の実施例で説明された特徴、構造、効果などは、少なくとも１つの実施例に組合せることができ、必ず１つの実施例に限定されるものではない。また、各実施例に例示した特徴、構造、効果などは、当業者であれば、別の実施例に組合せたり変形して実施可能であり、このような組合と変形も本発明の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

また、以上では実施例を中心に本発明を説明したが、これは例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることは自明である。例えば、実施例に具体的に開示された各構成要素は、変形して実施可能であり、このような変形と応用に係る差異点も、添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

（実施例）
ルツボにシリコン融液を用意し、石英を含むドーパント提供部にドーパント６９０gを用意した。以後、前記ドーパント提供部をシリコン融液に浸漬させてシリコン融液をドーピングさせた。

（比較例）
直方体状の種結晶にドーパント８６０gを付着させた。以後、前記ドーパントを前記シリコン融液に投入してシリコン融液をドーピングさせた。

前記実施例と比較例により成長したインゴットの比抵抗値は、次の表１のようであった。

前記表１に示すように、比較例では、８６０gのドーパントを投入しなければ１８mΩcmの比抵抗値を得られなかったが、実施例では、６９０gのドーパントを投入しただけで１８mΩcmの比抵抗値を得ることができた。即ち、１７０gの揮発されるドーパントの量を減らすことができた。

前記表２に示すように、ターゲット比抵抗値を合わせるための高濃度ドーピングによる揮発量が異なるため、比較例の場合、高いリトライ回数と低い単結晶収率を示した。ここで、リトライ回数とは、インゴットのロス(loss)により、インゴットを再溶融させてインゴットを再成長させた回数をいう。しかし、実施例では比較例に比べて低いリトライ回数と高い単結晶収率を示した。

次に、図７を参照して、実施例と比較例の固化率に応じたインゴットの比抵抗値を比較してみると、実施例では比較例に比べてドーパントの量が少なかったにもかかわらず、低い比抵抗値を示すことができることが分かる。従って、高価なドーパントの使用を減らすことができる。

本発明の実施例はインゴット成長装置で実施可能であるので、その産業上の利用可能性がある。

Claims (8)

1. シリコン融液が収容されるルツボと、
   前記ルツボの上側に位置し、上下に移動可能な引き上げ機構と、
   前記引き上げ機構に連結され、前記シリコン融液にドーパントを提供するためのドーパント提供部と、を含み、
   前記ドーパント提供部は、
   底面と側面を含む収容部と、
   前記収容部の上側を選択的に閉鎖できる密閉部と、
   前記収容部の底面に形成された複数の第１孔と、
   前記収容部の側面に形成された複数の第２孔と、を含み、
   前記ドーパントは、円筒形状または湾曲形状を有し、
   前記ドーパントの上部面または下部面の大きさは、前記第１孔と第２孔の大きさより大きい形状を有するインゴット成長装置。
2. 前記ドーパントの上部面または下部面の直径や長さは１５mm〜２０mmの範囲であり、前記ドーパントの高さは４０mm〜５０mmの範囲である請求項１に記載のインゴット成長装置。
3. 前記収容部の底面に形成された複数の第１孔の面積は、前記底面の面積に対して４０％〜８０％の範囲である請求項１に記載のインゴット成長装置。
4. 前記複数の第２孔の面積は、前記第１孔の面積より小さい請求項３に記載のインゴット成長装置。
5. 前記第１孔の直径または長さは、第２孔の直径または長さより小さい請求項３に記載のインゴット成長装置。
6. 前記第１孔の直径または長さは、５mm〜１３mmの範囲である請求項３に記載のインゴット成長装置。
7. 前記密閉部が前記収容部の上部面と選択的に締結されるための構造として、前記収容部の側面に形成された少なくとも一つ以上の突出部と、前記突出部に締結できるように、前記密閉部の側面に形成された締結溝とが形成される請求項１に記載のインゴット成長装置。
8. 前記ドーパント提供部は、酸化ケイ素からなる請求項１に記載のインゴット成長装置。

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