KR101193692B1 - 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정 - Google Patents

Abstract

실시예는 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법은 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 바디그로잉 공정의 제1 단계에서는 상기 숄더링 공정의 인상속도(pulling speed) 보다 높은 제1 인상속도로 진행하며, 상기 바디그로잉 공정의 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서의 제1 인상속도보다 점차 낮아지는 제2 인상속도로 진행할 수 있다.

Description

단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정{Resistivity control method of Single Crystal and Single Crystal Manufactured by the method}

실시예는 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정에 관한 것이다.

도 1은 종래기술에 따라 단결정 성장시 단결정 잉곳의 비저항 분포 예시도이다.

종래기술에 의하면 단결정 잉곳(Single Crystal Ingot) 성장시 비저항을 맞추기 위해 투입하는 불순물은 원소(Element)에 따라 Si 멜트(Melt) 내에서의 유효 편석계수(Distribution Coefficient)가 각각 다르며 일반적으로 사용하는 보론(Boron), 인(Phosphorus), 아세닉(Arsenic), 안티몬(Antimony) 등은 편석계수(Distribution Coefficient)가 1 이하이기 때문에 실리콘 단결정 잉곳의 성장(고화율이 증대)됨에 따라 단결정 성장의 초반에서 후반으로 갈수록 실리콘 단결정의 비저항값이 급격히 떨어지는 경향을 나타나게 된다.

한편, 제품별로 비저항 상한(Upper limit)과 하한(Lower limit)이 존재하므로 비저항 규격 범위(Spec Range)가 좁은 경우 생산성이 극히 떨어지게 되며, 비저항 규격 범위가 넓더라도 비저항 산포가 크게 나타나게 되는 문제가 있다.

실시예는 비저항을 잉곳 길이 방향으로 균일하게 구현할 수 있는 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법은 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 바디그로잉 공정의 제1 단계에서는 상기 숄더링 공정의 인상속도(pulling speed) 보다 높은 제1 인상속도로 진행하며, 상기 바디그로잉 공정의 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서의 제1 인상속도보다 점차 낮아지는 제2 인상속도로 진행할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에 제조된 단결정에 의하면, 숄더(shoulder), 바디(body) 및 테일(tail)을 포함하는 단결정에 있어서, 상기 바디의 비저항이 바디의 초반부터 후반까지 약 ±10% 이내로 균일할 수 있다.

실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정에 의하면, 인상 속도(pulling speed) 조정을 통해 바디(Body) 성장 시간이 증가되도록 조정함으로써 비저항을 잉곳 길이 방향으로 균일하게 구현할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 예를들어, 약 0.007 Ωcm 이하의 비저항을 바디(Body) 초반부터 후반까지 약 ±10% 이내로 균일하게 성장시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따라 단결정 성장시 단결정 잉곳의 비저항 분포 예시도.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단면도.
도 3은 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에서 인상속도 제어 예시도.
도 4은 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에 대한 비저항 비교예 데이터.
도 5는 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에 대한 비저항 데이터.

이하, 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

(실시예)

도 2는 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단면도이다.

실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 실리콘 단결정이 성장되는 챔버(10) 안의 실리콘 융액(35)을 인상로(20)로 끌어올릴 수 있다.

실시예는 상기 인상로(20) 위에 실리콘 단결정을 성장시킬 때 종결정(seed)(31)을 회전시키기 위한 상부 회전부(22)에 연결된 케이블(24) 선단에 종결정 홀더(26)를 포함할 수 있다. 상기 인상로(20)에는 직경 감지 센서(28)를 구비할 수 있다.

실시예는 챔버(10) 내부에 실리콘 융액(35)이 담긴 석영 도가니(quartz crucible)(11)가 구비되고, 그 둘레에는 고온의 실리콘 융액(35)에 의해 형태가 변할 수 있는 석영 도가니(11)를 지지하기 위한 흑연 도가니(12)를 포함할 수 있다.

실시예는 도가니(12) 하부에 흑연 도가니(12)를 받치고 있는 흑연 도가니 지지축(15)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부 구동부(13) 및 하부 회전부(14)을 구비할 수 있으며, 그 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 열을 공급하기 위한 히터(16)가 설치될 수 있다.

실시예는 챔버(10) 내의 단열을 위해 히터(16)의 바깥쪽에는 상부 단열재(17a), 측면 단열재(17b) 및 하부 단열재(17b)를 포함할 수 있다.

또한, 고온에서 상온으로 될 때까지 챔버(10) 내의 구조물의 산화를 방지할 목적으로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려보내기 위해 인상로(20)에 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있는 불활성 기체 유입 조절장치(23)가 있고, 챔버(10) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절장치(25)가 하부 단열재(17c) 아래에 형성될 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에서 인상속도 제어 예시도이다. 도 3에서 X축은 단결정 축방향의 길이이며, Y축은 인상속도로서 X축, Y축의 값은 축방향의 길이 또는 인상속도에 대한 상대적인 비율값(%)일 수 있다.

실시예는 석영 도가니(11)에 폴리 실리콘을 약 1420℃ 이상으로 가열하여 용융시킨 후 종결정(31)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정(32)을 거친다.

이후 단결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정(33)을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정(34)을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정(미도시)을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정에 의하면, 인상 속도(pulling speed) 조정을 통해 바디(Body) 성장 시간이 증가되도록 조정함으로써 비저항을 잉곳 길이 방향으로 균일하게 구현할 수 있다.

실시예는 상기 바디그로잉 공정의 제1 단계(A)에서는 상기 숄더링 공정의 인상속도(pulling speed) 보다 높은 제1 인상속도로 진행하며, 상기 바디그로잉 공정의 제2 단계(B)에서는 상기 제1 단계(A)에서의 제1 인상속도보다 점차 낮아지는 제2 인상속도로 진행할 수 있다. 종래기술(P)에 의하면 제1 단계(A) 후 제2 단계(B) 부터는 인상속도가 일정하게 유지되었다.

실시예는 바디그로잉 공정의 초반인 제1 단계(A)의 경우 횡방향 성장에서 종방향 성장으로의 실리콘 잉곳의 성장 방향이 바뀌는 구간으로 숄더링의 인상속도 보다는 높게 설정해야 직경 제어가 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 단계(A)는 전체 바디그로잉 공정 중 0 내지 약 10% 진행되는 공정 단계일 수 있으며, 바디(Body)의 10% 이내 구간인 초반은 인상속도가 높게 설정될 수 있다.

상기 제2 단계(B)는 전체 바디그로잉 공정 중 약 20% 이상 진행되는 공정 단계일 수 있다.

실시예는 바디(Body) 20% 이후 구간에서의 인상속도가 제1 단계(A)의 바디 인상속도 보다 약 15%~약 50% 가 감소될 수 있다. 이는 15% 이내 감소 시 발명의 효과가 미미하고, 50% 초과로 증가 시 도판트 휘발의 과다로 인해 비저항 값이 오히려 상승할 수 있다.

실시예는 상기 제2 단계(B)의 제2 인상속도는 상기 제1 단계(A)의 제1 인상 속도 보다 점차 적으로 계속 감소할 수 있다(Q).

또한, 실시예에 의하면 상기 제2 단계(B)의 제2 인상속도는 상기 제1 단계(A)의 제1 인상 속도 보다 점차적으로 계속 감소한 후 제3 단계(C)에서 제2 인상속도가 일정하게 유지될 수 있다(R).

상기 제2 인상속도가 일정하게 유지되는 제3 단계(C) 구간은 전체 바디그로잉 공정 중 약 70% 내지 약 80% 이후의 공정단계에서 상기 제2 인상속도가 일정하게 유지될 수 있다.

실시예에 의하면 상기 제2 단계(B)의 제2 인상속도는 상기 제1 단계(A)의 제1 인상 속도 보다 점차 적으로 계속 감소 하는 경우 단결정 수율의 감소 및 테일링(Tailing) 공정 진행의 어려움이 발생할 수 있다.

이에 따라 실시예는 상기 제2 단계(B)의 제2 인상속도는 상기 제1 단계(A)의 제1 인상 속도 보다 점차 적으로 계속 감소한 후 전체 바디그로잉 공정 중 약 70% 내지 약 80% 이후의 공정단계(C)에서 제2 인상속도가 일정하게 유지될 수 있다(R).

도 4은 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에 대한 비저항 비교예 데이터이며, 도 5는 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법에 대한 비저항 데이터이다.

실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정에 의하면, 인상 속도(pulling speed) 조정을 통해 바디(Body) 성장 시간이 증가되도록 조정함으로써 비저항을 잉곳 길이 방향으로 균일하게 구현할 수 있다.

예를 들어, 약 0.007 Ωcm 이하의 비저항을 바디(Body) 초반부터 후반까지 약 ±10% 이내로 균일하게 성장시킬 수 있다.

실시예에서 N 타입 도펀트(N-type dopant)로 사용하는 인(Phosphorus)이나 아세닉(Arsenic) 등은 편석계수(Distribution Coefficient)가 각각 0.35, 0.3으로 낮으며 증발속도(Evaporation Rate)가 높은 휘발성이 있는 원소(element)들이다.

실시예는 N 타입 도펀트(N-type dopant)의 휘발성질을 고려하여 바디(Body) 공정의 시간을 조절하여 휘발량을 증가시킴으로써 낮은 편석계수(Distribution Coefficient)를 가지더라도 바디(Body) 후반부의 비저항 값을 제어할 수 있다.

편석계수(Distribution Coefficient: k_o)는 용매와 용질의 종류에 따르는 물질의 고유 특성으로 Si 멜트(Melt)에서 보론(Boron)은 0.8, 인(Phosphorus)은 0.35, 아세닉(Arsenic)은 0.3, 안티몬(Antimony)은 0.023 이다.

유효 편석계수(Distribution Coef) k는 고체(solid)에서의 농도(C_S)와 액체(Liquid)에서의 농도(C_L)의 비율로써, k₀ 를 기반으로 아래 식으로 나타낼 수 있다.

(단, V: pulling speed, D: Diffusion Coef., v : kinematic viscosity. T : the solute boundary layer, w: seed rotation rate).

실시예는 유효편석계수는 V, D, v, w 에 의해 변경이 가능하나 특히 지수함수가 아닌 V 값에 크게 변화가 가능하다는 점에 주목하여 개발하게 되었다.

V(pulling speed)는 단순히 성장속도만을 의미하는 것이 아니라, 휘발성이 있는 N-type 도펀트(dopant)의 경우 인상속도(pulling speed) 라는 항목으로써 시간에 따른 도펀트(Dopant)의 휘발의 정량화 계산이 가능함을 확인하였다.

예를 들어, 비교예로 150 mm 실리콘 잉곳의 인상속도(pulling speed) 를 평균 1.05 mm/min로 성장(19hr 소요) 시키고, 실시예로 평균 인상속도는 0.8mm/min(25hr 소요)로 낮추어 실험을 진행하였으며, 그 결과 아래 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

	Body 시간 (비교예 100)	잉곳 내 비저항	균일도(중심±%)
비교예	100	0.0066~0.0032Ωcm	34.7%
실시예	131	0.0064~0.0054Ωcm	8.5%

비교예의 바디(Body) 공정 시간을 100 이라고 할 때, 실시예는 바디공정 시간을 131로 31% 증가 시 잉곳내 길이방향으로 비저항 범위(Range)가 비교예 0.0034Ωcm 에서 0.001 Ωcm 로 약 1/3 수준으로 크게 좁아져 전구간 균일한 비저항값 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.

예를 들어, 단결정의 비저항 제어방법에 의해 제조된 단결정은 바디의 비저항이 바디의 초반부터 후반까지 약 ±10% 이내로 균일한 단결정일 수 있다.

예를들어, 실시예에 의하면 약 0.007 Ωcm 이하의 비저항을 바디(Body) 초반부터 후반까지 약 ±10% 이내로 균일하게 성장시킬 수 있다.

실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정은 도펀트(Dopant)의 시간당 휘발량을 계산하여 바디(Body) 공정 시간을 조절함으로써 잉곳 내 비저항을 잉곳 길이방향으로 전구간 10% 이내로 균일하게 성장시킬 수 있었다.

실시예는 N-type 고도핑(heavily doped) 실리콘 잉곳 성장 시 비저항 설계에 있어서, 기존 편석계수(Distribution Coefficient) 외에 휘발속도라는 개념을 추가 반영함으로써 잉곳 길이방향으로 비저항을 균일하게 설계할 수 있으며, 바디(Body) 공정 시간의 조절은 바디(Body) 인상속도(Pulling Speed)를 조절하여 구현가능하나 이에 한정되는 것은 아니다.

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.

또한, 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 (10)

1. 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서,
   상기 바디그로잉 공정의 제1 단계에서는 상기 숄더링 공정의 인상속도(pulling speed) 보다 높은 제1 인상속도로 진행하며,
   상기 바디그로잉 공정의 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서의 제1 인상속도보다 점차 낮아지는 제2 인상속도로 진행하는 단결정의 비저항 제어방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   전체 바디그로잉 공정 중 10% 이하의 진행 공정 단계인 단결정의 비저항 제어방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 단계는,
   전체 바디그로잉 공정 중 20% 이상 진행되는 공정 단계인 단결정의 비저항 제어방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 단계의 제2 인상속도는 상기 제1 단계의 제1 인상 속도 보다 15% 내지 50% 감소 되는 단결정의 비저항 제어방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 단계의 제2 인상속도는,
   상기 제1 단계의 제1 인상 속도 보다 점차 적으로 계속 감소하는 단결정의 비저항 제어방법.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 단계의 제2 인상속도는,
   상기 제1 단계의 제1 인상 속도 보다 점차 적으로 계속 감소한 후 제2 인상속도가 일정하게 유지되는 단결정의 비저항 제어방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제2 인상속도가 일정하게 유지되는 구간은,
   전체 바디그로잉 공정 중 70% 내지 80% 이후의 공정단계에서 상기 제2 인상속도가 일정하게 유지되는 단결정의 비저항 제어방법.
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