KR101403248B1 - 수소도핑 실리콘의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 수소도핑 실리콘 및 실리콘 잉곳 성장방법. - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고용량 수소도핑 실리콘이 제조방법은, 퍼니스에 실리콘을 장입하고; 상기 퍼니스를 고온분위기 및 수소가스의 고압분위기로 조성하여; 상기 수소가스가 상기 실리콘에 고용량으로 도핑되도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 멜트의 내부로 수소가스를 고효율로 폐기되는 수소가스 없이 주입할 수 있고, 주입되는 수소가스의 양을 엄격하게 제어할 수 있다.

Description

수소도핑 실리콘의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 수소도핑 실리콘 및 실리콘 잉곳 성장방법.{METHOD FOR MANUFACTURING HYDROGEN DOPED SILICON AND HYDROGEN DOPED SILICON MANUFACTURED THEREBY, AND GROWING METHOD FOR SILICON INGOT}

본 발명은, 고용량 수도도핑 실리콘의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 고용량 수소도핑 실리콘, 및 실리콘 잉곳 성장방법에 관한 것이다.

반도체칩은 무결함 웨이퍼를 이용함으로써, 반도체칩의 생산수율을 향상시킬 수 있다. 반도체칩의 생산수율에 관한 문제는, 반도체칩의 고집적화가 이루어지고, 가격경쟁이 치열해지고, 미세가공기술이 널리 이용되면 될수록 더욱 큰 문제점이 된다. 이와 함께 무결함 웨이퍼에 대한 요구는 더욱더 커지고 있다.

실리콘 잉곳의 인상은, 엄격 제어되는 온도 및 분위기에서 특정의 인상속도로 수행되는데, 실리콘 잉곳의 전체영역 중에서도 VDP 또는 IDP라는 특정의 무결함영역이 추후에 웨이퍼 및 반도체 칩이 되었을 때 무결함화 될 수 있다. 상기 무결함 영역을 얻을 수 있는 인상속도는 그 인상속도의 최대값과 최소값이 정하여져 있다. 다시 말하면, 무결함 영역을 얻을 수 있는 인상속도의 폭이 정하여져 있는 것이다. 그러므로, 무결함 영역을 얻게 하는 실리콘 잉곳의 인상속도를 넓히는 것이 바람직하게 고려된다고 할 것이다.

무결함 영역을 얻게 하는 인상속도의 폭을 넓히는 방법으로서, 멜트에 수소를 첨가시키는 방법이 공지되어 있다. 수소 첨가를 조합함으로써 무결함 화를 위한 인상속도범위가 확대되는 이유는 다음과 같이 생각된다.

1300∼1390℃ 의 고온에서 수소가 포함되어 있는 실리콘 웨이퍼를 열처리하여 급냉한 경우, 공공 또는 격자 간 실리콘과 수소가 반응하여 공공-수소 또는 격자간 실리콘-수소 복합체가 형성된다. 따라서, 수소를 함유하는 불활성 분위기 중에서 CZ 결정을 육성한 경우, 결정 냉각 과정의 COP (약 1100℃) 또는 전위 클러스터 (약 1000℃) 등의 Grown-in 결함이 형성되는 온도보다 고온부에 있어서, 실리콘 결정 중에서 과잉으로 존재하는 공공 또는 격자간 실리콘과 수소가 반응하여 공공-수소 또는 격자간 실리콘-수소 등의 복합체가 형성되기 때문에, 공공 및 격자간 실리콘의 농도가 저하되게 된다. 이 때문에, 공공이나 격자간 실리콘의 응집이 억제되어, COP 및 전위 클러스터가 없거나 또는 사이즈가 작은 CZ 결정을 육성할 수 있게 되는 것으로 생각된다.

또한, 결정의 육성에 수소 첨가를 조합함으로써, 링 OSF 영역이 결정 중심부에서 소멸하는 임계 속도가 올라가고, 이것에 의해, As grown 상태에서 결정 직경 방향 전역에 전위 클러스터 및 COP 가 존재하지 않는 Grown-in 결함프리의 단결정이 종래보다 고속으로 인상하는 것에 의해 육성가능해진다. 또, 수소 첨가에 의해, 전위 클러스터가 발생하는 하한의 인상 속도가 저하됨으로써, 결함프리화를 위한 인상 속도 범위가 확대된 결과, 무결함 결정이 안정적으로 육성가능해져, Grown-in 결함프리 결정의 제조 수율이 현저히 향상되는 것으로 생각된다. 수소첨가로 인한 무결함영역의 확대에 대해서는 인용문헌 1(공개특허 10-2006-0121689)을 참조할 수 있을 것이다.

한편, 종래에 멜트에 수소를 첨가시키는 방법으로는, 상기 인용문헌 1에서도 제시한 바와 같이, 인상장치의 내부의 분위기 가스로 불활성 가스인 아르곤과 함께 수소가스를 주입하여, 멜트의 계면을 통하여 멜트의 안으로 주입되도록 하고 있다. 그러나 분위기 가스로 주입된 수소가스는 멜트의 표면을 따라서 흐르는 중에 멜트의 안으로 주입되도록 함으로써, 기액의 계면을 주입면으로 하기 때문에 멜트의 안으로 녹아 들어가는 효율이 현저히 낮다. 또한, 인상장치 내부의 분위기 가스는 계속해서 외부로 배출되므로 멜트의 안으로 주입되는 수소가스는 더욱 적어진다. 뿐만 아니라, 멜트의 안으로 주입되는 수소가스의 농도를 정확히 알 수가 없어서, 그 제어도 어려운 문제점이 있다. 아울러, 인상장치의 내부 분위기는 고온으로 만들기가 어려워서 수소주입효율을 더욱 떨어질 수 밖에 없다.

공개특허 10-2006-0121689 실리콘 웨이퍼 및 그 제조방법, 그리고 실리콘 단결정육성방법

본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 제안되는 것으로서, 충분한 양의 수소를 멜트 속으로 주입할 수 있고, 필요없이 폐기되는 수소의 양을 줄일 수 있는, 실리콘 잉곳 성장방법, 고용량 수도도핑 실리콘의 제조방법, 및 그 제조방법으로 제조된 고용량 수소도핑 실리콘을 제안한다. 또한, 멜트의 전체 양에 따라서 멜트의 내부로 주입되는 수소의 양을 정밀하게 제어할 수 있는 실리콘 잉곳 성장방법, 고용량 수도도핑 실리콘의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 고용량 수소도핑 실리콘을 제안한다.

본 발명에 따른 고용량 수소도핑 실리콘의 제조방법은, 퍼니스에 실리콘을 장입하고; 상기 퍼니스를 고온분위기 및 수소가스의 고압분위기로 조성하여; 상기 수소가스가 상기 실리콘에 고용량으로 도핑되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법은, 폴리실리콘을 성장장치의 내부에 장입하는 단계; 상기 폴리실리콘을 가열하여 멜트를 제조하는 단계; 고용량 수소도핑 실리콘을 폴리실리콘 멜트에 넣는 수소도핑멜트를 제조하는 단계; 상기 수소도핑멜트에서 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계가 수행된다.

다른 측면에 따른 본 발명의 실리콘 잉곳 성장방법에는, 폴리실리콘과, 고용량 수소도핑 실리콘을 함께 장입하는 단계; 상기 폴리실리콘과 상기 고용량 수소도핑 실리콘을 가열하여 수소도핑멜트를 제조하는 단계: 및 상기 수소도핑멜트로부터 실리콘 잉곳을 인상하는 단계가 포함된다.

본 발명에 따른 제조된 고용량 수소도핑 실리콘은, 수소가 ~10¹⁵atoms/cm³의 밀도로 도핑된 고용량 수소도핑 실리콘이다.

본 발명에 따르면, 멜트의 내부로 수소가스를 고효율로 폐기되는 수소가스 없이 주입할 수 있고, 주입되는 수소가스의 양을 엄격하게 제어할 수 있는 기술적 효과가 있다.

도 1은 고용량 수소도핑 실리콘을 제조하는 장치의 구성도.
도 2는 일 실시예에 따른 실리콘 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳성장방법의 흐름도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서, 본 발명의 사상에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 고용량 수소도핑 실리콘을 제조하는 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 수소가 저장되는 수소조(4)의 내부 가스가 압축기(3)를 통하여 퍼니스(1)의 내부로 고압으로 공급된다. 상기 퍼니스(1)에는 히터(2)가 마련되어 퍼니스의 내부 분위기를 고온으로 만들 수 있도록 한다. 상기 퍼니스(1)의 내부에는 실리콘(5) 바람직하게는 폴리실리콘이 될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 단결정의 실리콘 웨이퍼, 부정형의 실리콘 단결정 또는 다결정이 될 수도 있다. 상기 퍼니스(1)는 등압고온성형장치(Hot Isostatic Pressure)라고 이름할 수 있다.

상기되는 바와 같은 장치에서, 압축기(3)를 통하여 수소를 주입하여 퍼니스(1) 내부를 고압의 수소 분위기로 만들고, 상기 히터(2)를 작동시켜 상기 퍼니스(1)의 내부를 고온의 분위기로 한다. 그러면, 고온/고압의 분위기에 의해서, 수소가스의 에너지가 높아지게 되고, 따라서 상기 실리콘(5)안으로 수소가 들어가게 된다. 이때 내부 분위기는 고압의 수소가스만이 이용되는 것이 수소가 실리콘(5)의 내부로 주입되는 효율을 높일 수 있을 것이다.

상기 실리콘(5)은, 두께가 600~1000마이크로미터 가로세로 5센티미터이내의 실리콘 조각, 가로세로높이가 5센티미터이내인 육면체 또는 단결정 또는 다결정의 실리콘이 사용될 수 있다. 또한, 상기 실리콘(5)은 적어도 하나 이상이 한꺼번에 퍼니스(1)의 내부에 장입되어 있을 수 있다.

상기 퍼니스(1)의 내부 분위기로는 100도씨 이상의 온도와 50바 이상의 압력이 사용될 수 있다. 상기 온도 및 압력보다 낮은 분위기의 경우에는, 수소의 주입효율이 떨어지는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다. 제시되는 온도 및 압력보다 높게 형성되는 경우에는 수소주입효율이 높아지는 것은 기대할 수 있으므로 바람직하겠으나, 기밀유지 및 기기안정성의 문제로 인하여 그 제약은 있을 수 있다.

상기되는 바와 같은 기체상태의 수소와 고체상태의 실리콘 간의 수소주입과정을 통해서는, ~10¹⁵atoms/cm³까지의 수소가 도핑되는 효과를 얻을 수 있다. 도핑되는 수소의 양은, 퍼니스(1)의 내부 분위기로서의 온도/압력과, 실리콘(5)의 종류와, 및 실리콘(5)의 놓인 상태 등에 따라서도 그 영향을 받을 수 있으나, 위에서 제시되는 바와 같은 밀도까지 수소가 도핑될 수 있을 것이다. 아울러, 기상과 액상의 주입에 비하여 그 도핑효율이 높은 것은 당연하다.

지수단위의 양으로 원자수가 제어된 실리콘(5)은, 실리콘(5)의 전체 표면 또는 부피에 대하여 밀도가 거의 균등하게 수소가 도핑되어 있을 수 있다. 이는, 실리콘(5)의 전체표면이 퍼니스(1)의 내부 분위기에 노출될 수 있기 때문이다. 아울러, 적어도 하나 이상의 실리콘(5)이 퍼니스(1)의 내부에 놓이는 경우에는, 각각의 실리콘(5) 별로의 수소도핑밀도도 균일하게 될 수 있다. 이는 고온고압의 퍼니스(1)의 내부 분위기는 전체 실리콘(5)에 대하여 동일한 수준으로 가하여 지기 때문이다.

그러므로, 추후에 수소가 고용량으로 도핑된 실리콘(5)을 인상장치에 주입할 때에는, 실리콘의 주입양을 조절하여 멜트로 주입되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 인상장치로 장입되는 폴리실리콘의 무게가 100킬로그램일 때 수소주입을 위하여 장입되는 실리콘(5)의 양이 1킬로그램이라고 하면, 폴리실리콘의 무게가 두 배 늘어나면 실리콘(5)의 양도 두 배로 늘리면 동일한 수소도핑효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기되는 방법을 통하여 수소가 도핑된 실리콘은 퍼니스(1)에서 꺼내어져 멜트제조에 사용될 수 있다. 이하에서는 인상장치의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 실시예에 따른 실리콘 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 성장장치의 작동이 개시되기 전에 폴리실리콘을 성장장치의 내부에 장입한다. 이때, 고체상태로서 도 1에 제시되는 방법으로 만들어진 수소도핑 실리콘을 함께 넣는다(S1). 장입되는 폴리실리콘도 고체이고, 수소도핑 실리콘도 고체이므로 함께 장입되는 방식에 있어서 어려움은 전혀 없다. 폴리실리콘과 수소도핑 실리콘과의 양적 관계는, 양자의 무게를 미리 정하여진 비율에 따라서 결정하여 장입하면 된다. 수소도핑의 양을 수소도핑 실리콘의 장입양을 조정하여 제어할 수 있는 것도 물론이다.

그 뒤에 인상장치의 히터를 동작시켜 폴리실리콘과 수소도핑 실리콘을 함께 가열하여 수도도핑멜트를 제조한다(S2). 멜트과정 중에는 도가니가 회전하게 되므로, 수소도핑 실리콘에 포함되는 수소가 멜트의 전 영역으로 확산되는 것에 있어서의 문제점은 없다.

수소도핑멜트가 제조된 다음에는, 실리콘 잉곳을 성장시키는 인상공정이 수행된다(S3). 상기 인상공정에는, 시드를 멜트에 침지하는 시드공정, 전위를 제거하는 넥킹공정, 지름을 확장시키는 쇼율더링공정, 웨이퍼에 사용되는 바디를 성장시키는 바디공정, 지름을 점진적으로 축소시키는 테일링공정이 수행될 수 있다.

상기되는 방법에 따르면, 양이 엄격하게 제어되는 상태로 멜트의 내부에 주입되는 수소를 제어할 수 있다. 멜트 내의 원하는 수소의 양을 정확하고 충분히 주입할 수 있다. 멜트에 대한 수소의 주입을 간단한 작업으로 달성해 낼 수 있는 효과가 있다.

도 3은 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳성장방법의 흐름도이다. 본 실시예는 도 2 및 그와 관련되는 실시예를 원용하고 있으므로, 구체적인 설명이 없는 부분에 있어서는 도 2의 설명을 원용하는 것으로 한다.

도 3을 참조하면, 성장장치의 작동이 개시되기 전에 폴리실리콘을 성장장치의 내부에 장입한다(S11). 그 뒤에 인상장치의 히터를 동작시켜 폴리실리콘을 가열하여 멜트를 제조한다(S12). 이후에, 도 1에 제시되는 방법으로 만들어진 수소도핑 실리콘을 넣는다(S13). 이때 장입되는 수소도핑 실리콘과 폴리실리콘과의 양적 관계는, 양자의 무게를 미리 정하여진 비율에 따라서 결정하여 장입하면 된다. 멜트에 대한 수소도핑의 양은 수소도핑 실리콘의 장입양을 조정하여 제어할 수 있는 것도 물론이다.

수소도핑 실리콘이 장입되고 난 다음에는, 멜트의 대류운동을 통하여, 수소도핑 실리콘에 포함되는 수소가 멜트의 전 영역으로 확산되는 것에 있어서의 문제점은 없다. 이로써, 수소도핑멜트가 제조된다(S14).

수소도핑멜트가 제조된 다음에는, 실리콘 잉곳을 성장시키는 인상공정이 수행된다(S3). 상기 인상공정에는, 시드를 멜트에 침지하는 시드공정, 전위를 제거하는 넥킹공정, 지름을 확장시키는 쇼율더링공정, 웨이퍼에 사용되는 바디를 성장시키는 바디공정, 지름을 점진적으로 축소시키는 테일링공정이 수행될 수 있다.

상기되는 다른 실시예에 따르면, 엄격한 도핑 양 제어효과, 간단한 수소도핑작업의 효과가 있을 뿐 아니라, 인상장치의 내부 상태를 육안으로 관찰한 다음에 수소도핑양을 결정할 수 있으므로, 인상장치의 동작상태에 더욱 적합한 도핑 양을 결정하고, 이를 도핑 할 수 있는 효과를 얻어낼 수 있다.

또 다른 실시예에 다른 실리콘 잉곳 성장방법으로서, 도 2에 따른 실시예와 도 3에 따른 실시예를 함께 적용할 수 있다. 즉, 폴리실리콘의 장입공정에서 어느 정도의 수소도핑 실리콘을 장입하고서, 부족한 양의 실리콘은 인상공정의 진행 중에도 넣을 수는 있을 것이다.

본 발명에 따른 고용량으로 수소가 도핑된 실리콘을 얻을 수 있고, 이를 통하여 얻어진 수소도핑 실리콘을 이용하여 실리콘 잉곳을 고 품질로 성장시킬 수 있다. 그러므로, 실리콘 잉곳생산 업계에 대한 그 적용이 기대되고, 그러한 방법을 이용하여 근래 문제되고 있는 반도체 가격저하에 적극적으로 대처할 수 있을 것으로 생각된다.

1:퍼니스
2:히터
3:압축기

Claims (11)

1. 퍼니스에 단결정 실리콘의 원료가 되는 고체 폴리 실리콘(poly silicon)을 장입하고;
   상기 퍼니스의 내부 분위기를 가열하여, 상기 분위기의 온도를 상승시키고;
   상기 퍼니스에 내부에 수소를 주입하여;
   상기 수소가 상기 고체 폴리 실리콘에 도핑되도록 하며,
   상기 고체 폴리 실리콘은 두께가 600~1000마이크로미터 가로세로 5센티미터이내의 다결정 실리콘 조각이거나, 가로세로높이가 5센티미터이내인 육면체, 또는 부정형의 부피를 가지는 다결정 실리콘인 수소도핑 실리콘의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분위기의 온도는 100도씨 이상 이고, 상기 퍼니스의 내부 분위기의 압력은 50바 이상인 수소도핑 실리콘의 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 2 항 중의 어느 하나의 방법으로 제조되고,
   상기 수소가 10¹⁵atoms/cm³ 이하의 농도로 도핑된 수소도핑 실리콘.
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 수소도핑 실리콘의 형상은, 두께가 600~1000마이크로미터 가로세로 5센티미터이내의 조각이거나, 가로세로높이가 5센티미터이내인 육면체 또는 부정형인 수소도핑 실리콘.
8. 폴리실리콘과 수소도핑 실리콘을 함께 장입하는 단계;
   상기 폴리실리콘과 상기 수소도핑 실리콘을 가열하여 수소도핑멜트를 제조하는 단계; 및
   상기 수소도핑멜트로부터 실리콘 잉곳을 인상하는 단계;가 포함되는 실리콘 잉곳 성장방법
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 수소도핑 실리콘에는 수소가 10¹⁵atoms/cm³ 이하의 농도로 도핑되어 있는 실리콘 잉곳 성장방법.
10. 폴리실리콘을 성장장치의 내부에 장입하는 단계;
    상기 폴리실리콘을 가열하여 멜트를 제조하는 단계;
    수소도핑 실리콘을 폴리실리콘 멜트에 넣는 수소도핑멜트를 제조하는 단계;
    상기 수소도핑멜트에서 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;가 수행되는 실리콘 잉곳 성장방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수소도핑 실리콘은 수소가 10¹⁵atoms/cm³ 이하의 농도로 도핑된 실리콘 잉곳 성장방법.
    

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