KR101121814B1 - 단결정 잉곳 제조방법 - Google Patents

Abstract

실시예는 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 도가니에 제1 폴리실리콘을 적재하는 단계; 상기 제1 폴리실리콘 상에 실리콘 카바이드 파우더를 적재하는 단계; 상기 실리콘 카바이드 파우더 상에 제2 폴리실리콘을 적재하는 단계; 및 상기 도가니를 가열하여 실리콘 융액을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

단결정 잉곳 제조방법{Method for Manufacturing Single Crystal Ingot}

실시예는 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.

대규모 집적회로(LSI) 소자의 초집적화와 초미세화 경향에 따라 기판(substrate) 물질인 실리콘 단결정 웨이퍼의 고품질에 대한 요구가 증가되고 있다. 이 요구에 부응하는 재료 중의 하나인 에피 웨이퍼에 대한 관심 또한 증가되고 있으며. 특히 소자가 형성되는 웨이퍼 표면과 액티브층(active layer) 부분의 고품질화도 요구되고 있다.

에피웨이퍼 제조공정 중에 형성되는 금속 오염물질들은 p-n접합의 누설(leakage) 전류를 증대시키는 등의 문제를 발생시켜 소자의 특성이나 수율에 영향을 미치게 되므로 금속 오염물질을 제거하기 위한 웨이퍼의 진성 게터링(Interinsic Gettering)능력이 요구된다.

P/P+ 에피 웨이퍼의 경우 보론(Boron)에 의한 산소 석출 촉진효과가 있기 때문에 상대적으로 높은 수준의 산소 석출물, 예를 들어 BMD(Bulk Micro Defect)를 형성하지만, P/P-나 P/N- 에피 웨이퍼의 경우 보론 효과가 감소하거나 없기 때문에 진성 게터링능력을 높이기 위해서 단결정 성장 시에 탄소를 의도적으로 도핑하여 단결정을 제조하고 있다.

한편, 종래 실리콘 단결정 성장공정에서 탄소를 도핑하는 방법으로는 고순도 탄소분말 도핑, 가스 도핑, 탄소 분말을 넣는 다결정 용기 도핑, 또는 탄소를 소량 함유한 다결정 실리콘 도핑 등의 다양한 방법들이 있다.

하지만, 종래기술에 의하면 도핑방법의 경우 다결정 실리콘과 융해 시에 융해가 잘되지 않아서 불순물로 작용하여 단결정화되지 못하고, 다결정으로 성장되는 문제가 있다.

또한, 종래기술에 의하면 도핑의 준비나 도핑량 조절이 어렵고 도핑제의 제조과정에서 불순물 오염의 가능성이 발생할 수 있는 등의 다양한 문제들이 존재하고 있다.

실시예는 N 형 실리콘 단결정의 성장시 탄소 도핑법을 제안하여 용융 시 발생하는 문제들을 제어하고 최적량의 탄소 도핑을 통해 실리콘 단결정의 BMD수준을 높일 수 있는 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 도가니에 제1 폴리실리콘을 적재하는 단계; 상기 제1 폴리실리콘 상에 실리콘 카바이드 파우더를 적재하는 단계; 상기 실리콘 카바이드 파우더 상에 제2 폴리실리콘을 적재하는 단계; 및 상기 도가니를 가열하여 실리콘 융액을 형성하는 단계;를 포함한다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 의하면, N 형 실리콘 단결정의 성장시 진성게터링 능력 향상을 위해서 첨가하는 탄소의 도핑법을 제시함으로써 종래의 기술에서 발생되는 문제들을 제어할 수 있고, 이에 따라 요구되는 최적량의 탄소 도핑을 실현함으로써 실리콘 단결정의 BMD수준을 높일 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 단결정 성장시 녹지 않은 도핑제로 발생할 수 있는 단결정 깨짐 현상을 줄일 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 개략도.
도 2는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 도가니 내에 SiC의 배치 구조 예시도.
도 3은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 도가니 내에 폴리실리콘과 SiC의 배치 적재 예시도.
도 4는 실시예에 따른 단결정의 제조방법이 적용된 경우 고화율에 따른 탄소농도 예시도.

이하, 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 개략도이다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130) 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130)를 포함할 수 있다.

상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

여기서, 실시예는 실리콘 단결정 잉곳(IG) 성장을 위한 제조방법으로 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.

이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 솔더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(132)가 설치될 수 있다.

실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 속도, 또는 챔버(110) 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 주입하여 챔버 하부로 배출할 수 있다.

상기 도가니(120)는 실리콘 융액을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(122)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(122)는 회전축(140) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(140)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대(122)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 폴리실리콘 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액으로 만들게 된다.

소정의 인상수단(미도시)은 케이블을 감아 인상(引上)할 수 있도록 챔버(110)의 상부에 설치될 수 있다. 이 케이블의 하부에는 도가니(120) 내의 실리콘 융액에 접촉되어 인상되면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종자결정이 설치될 수 있다. 상기 인상수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(120)의 회전축(140)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(120)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올릴 수 있다.

실시예는 단결정 성장공정 중 융액에 자기장을 가할 수 있도록 챔버(110) 외부에 마그넷(150)을 구비할 수 있다.

도 2는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 도가니 내에 SiC의 배치 구조 예시도이며, 도 3은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 도가니 내에 폴리실리콘과 SiC의 배치 적재 예시도이다.

실시예는 N 형 실리콘 단결정의 성장시 탄소 도핑법을 제안하여 용융 시 발생하는 문제들을 제어하고 최적량의 탄소 도핑을 통해 실리콘 단결정의 BMD수준을 높일 수 있는 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

이를 위해 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법은 도가니(120)에 제1 폴리실리콘(211)을 적재하는 단계와, 상기 제1 폴리실리콘(211) 상에 실리콘 카바이드 파우더(220)를 적재하는 단계와, 상기 실리콘 카바이드 파우더(220) 상에 제2 폴리실리콘(212)을 적재하는 단계 및 상기 도가니(120)를 가열하여 실리콘 융액을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하여 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법을 설명한다.

우선, 도가니(120)에 N 형 도펀트를 넣는다. 예를 들어, 인(Phosphorus)을 도가니(120)에 맨 밑바닥에 넣을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 상기 도가니(120)에 제1 폴리실리콘(211)을 적재한다. 예를 들어, N 형 도펀트 상에 칩 폴리실리콘(Chip Poly Silicon)을 적재한다. 이후, 너겟 폴리실리콘(Nugget Poly Silicon)을 칩 폴리실리콘과 함께 도가니(120) 높이의 중간위치까지 넣을 수 있다.

다음으로, 상기 제1 폴리실리콘(211) 상에 실리콘 카바이드 파우더(220)를 적재할 수 있다.

실시예는 N형 웨이퍼(230) 사이에 상기 실리콘 카바이드 파우더(220)를 개재하여 도가니에 적재시킬 수 있다. 상기 N형 웨이퍼(230)는 인(Phosphorus)이 도핑된 N형 웨이퍼일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 평평하게 채워진 제1 폴리실리콘(211) 위에 제1 N 형 웨이퍼(231) 한 장 올리고 제1 N 형 웨이퍼(231) 위에 실리콘 카바이드 파우더(220)를 올린다.

이후, 제2 N 형 웨이퍼(232) 한 장을 실리콘 카바이드 파우더(220) 위에 덮을 수 있다.

실시예는 종래기술의 고순도 탄소 분말 대신에, 실리콘 카바이드 파우더(220)를 N 타입 도펀트로 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼를 파우더 형태로 부수어서 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼를 약 5mm 이내의 불균일한 크기의 파우더 형태로 만든 후 도가니에 적재될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예는 폴리실리콘을 녹이는 도가니(120) 내에 폴리실리콘을 넣는 과정에서 N형 웨이퍼 두 장을 사용하여 그 사이에 실리콘 카바이드 파우더(220)를 넣음으로써 용융 과정에서 실리콘 융액 위로 겉돌면서 녹지 않는 현상을 제어할 수 있고, 두 장의 웨이퍼 사이에 개재됨에 따라 상대적으로 높은 압력과 열을 받음으로써 용융이 더 잘 될 수 있다.

실시예에서 실리콘 카바이드 파우더(220) 원료로 실리콘 카바이드 웨이퍼를 채용할 수 있는데, 실리콘 카바이드 웨이퍼는 실리콘 단결정과 동일원소인 실리콘과 탄소의 결합물로 단일 탄소 파우더 사용보다 실리콘 융액 내에서 상대적으로 융해가 더 용이하다.

또한, 실시예는 실리콘 카바이드 웨이퍼를 파우더 형태로 부수어서 무게를 측정하여 사용량을 도핑함으로써 공정상 요구하는 최적의 탄소량을 실현할 수 있다.

실시예에서 채용하는 실리콘 카바이드는 α-SiC 일 수 있으며, 이는 β-SiC보다 상대적으로 낮은 녹는점(Melting Point)를 갖는다.

실리콘 융액에서 실리콘 카바이드(SiC)는 자체의 녹는 점보다 상대적은 낮은 약 1400℃ 부근에서부터 녹기 시작하여 액체(Liquid) 상과 SiC 상이 혼재하게 된다. 그리고 SiC 구조 내에 Si가 존재하기 때문에 순수 C보다 Si 멜트속에서 상대적으로 더 융해될 수 있는 이점이 있고 SiC 비중이 Si 보다 크므로 멜트위로 부용되지 않고 효과적으로 멜트 내에서 녹게 된다.

도 2를 참조하여 실리콘 카바이드 파우더(220)가 도가니에 적재될 수 있는 위치를 설명한다.

예를 들어, 실리콘 카바이드 파우더(220)를 개재하는 N형 웨이퍼(230)는 도 2와 같이 도가니의 높이(H)의 중간지점(H/2) 기준으로 ±약 10mm 높이에 위치하고, 도가니의 상부 폭(W)의 중간지점(W/2) 기준으로 ±약 100mm에 위치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예에서 실리콘 카바이드 파우더(220)는 약 5g 미만으로 적재될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

Si 내에서 SiC의 용해도(Solubility)를 원자(Atomic) %로 나타내 보면, Si 멜트 녹는 점 부근으로 보았을때, SiC가 약 0.01 %가 녹게 되는데 이를 g으로 계산해보면 약 400kg Si 차지 사이즈(Charge Size)에서 최대(Max) 170g까지 SiC 가 용해가 가능하다.

한편, 실시예는 단결정의 성장 시 SiC 도핑량을 5g 미만으로 사용하므로 SiC 화합물 자체의 녹는점(Melting Point)이 높더라도 Si 멜트 내에서는 충분히 용해가 가능하게 된다.

다음으로, 상기 실리콘 카바이드 파우더(220) 위에 제2 폴리실리콘(212)을 적재하여 폴리실리콘(210)의 적재를 마칠 수 있다. 예들 들어, 남은 폴리실리콘들을 도가니(120)에 충진할 수 있다.

다음으로, 상기 도가니(120)를 가열하여 실리콘 융액을 형성하는 멜팅공정을 진행할 수 있다.

실시예에서 멜팅공정 진행시 챔버(110) 압력은 약 50 Torr, 아르곤은 약 140lpm, 자기장은 약 1500G 자장을 인가하여 진행할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 실시예에 따른 단결정의 제조방법이 적용된 경우 고화율에 따른 탄소농도 예시도이다.

실시예에 의하면 단결정 잉곳(Ingot) 테일(Tail) 부분에 대해 4ppma 탄소농도 목표(Target)로 실리콘 카바이드 파우더를 약 4g 도핑 하였고, 잉곳 길이 방향으로 목표한 Cs 농도와 동등한 수준으로 Cs가 구현됨을 적외선 분광기(FT IR:Fourier transform infrared spectroscopy)로 확인할 수 있었다.

실시예에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 의하면, N 형 실리콘 단결정의 성장시 진성게터링 능력 향상을 위해서 첨가하는 탄소의 도핑법을 제시함으로써 종래의 기술에서 발생되는 문제들을 제어할 수 있고, 이에 따라 요구되는 최적량의 탄소 도핑을 실현함으로써 실리콘 단결정의 BMD수준을 높일 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 단결정 성장시 녹지 않은 도핑제로 발생할 수 있는 단결정 깨짐 현상을 줄일 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 도가니에 제1 폴리실리콘을 적재하는 단계;
   상기 제1 폴리실리콘 상에 실리콘 카바이드 파우더를 적재하는 단계;
   상기 실리콘 카바이드 파우더 상에 제2 폴리실리콘을 적재하는 단계; 및
   상기 도가니를 가열하여 실리콘 융액을 형성하는 단계;를 포함하는 단결정 잉곳 제조방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 실리콘 카바이드 파우더는,
   N형 웨이퍼 사이에 개재되어 적재되는 단결정 잉곳 제조방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 N형 웨이퍼는 인(Phosphorus)이 도핑된 N형 웨이퍼인 단결정 잉곳 제조방법.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 N형 웨이퍼는
   상기 실리콘 카바이드 파우더를 개재하는 N형 웨이퍼는 상기 도가니의 높이의 중간지점을 기준으로 ±10mm 높이에 위치하고, 상기 도가니의 상부 폭의 중간지점(W/2) 기준으로 ±100mm에 위치하는 단결정 잉곳 제조방법.

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