KR101597207B1 - 실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

실시 예의 실리콘 단결정 잉곳은 수평 단면상에서 반경 방향으로의 비저항 편차가 2% 이내이다.

Description

실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치{Silicon single crystalline ingot, method and apparatus for manufacturing the ingot}
실시 예는 실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 플로우팅존(FZ:Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의거하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.
CZ 법에 의하면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 도가니의 측부에 배치된 히터(heater)에 의해 흑연 발열체를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 종(seed)결정을 침지시키고, 실리콘 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 종결정을 회전하면서 인상시킴으로서 실리콘 단결정 잉곳이 육성된다. 이후, 육성된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing), 에칭(etching) 및 연마(polishing)하여 웨이퍼 형태로 만든다.
기존의 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법 및 장치에 의해 낮은 융점을 갖는 도펀트(dopant)를 사용하는 실리콘 단결정 잉곳을 성장함에 있어서, 실리콘 단결정 잉곳의 수평 단면상에서 반경 방향으로의 비저항을 감소시키기 위해, 도펀트의 량을 증가시켜 도가니에 투입하거나 챔버의 내부 압력을 높게 한다. 그러나, 이러한 기존의 방법 및 장치에 의할 경우, 도가니에 담긴 실리콘 용융액의 량이 많으면 실리콘 용융액으로부터 도펀트의 휘발량이 증가하여 원하는 수율을 기대할 수 없는 문제점이 있다.
실시 예는 수평 단면의 반경 방향으로 작은 비저항 편차를 갖고 수평 단면에서 작은 비저항을 갖고 수평 단면 표면에서 슬립(slip)이 제거되고, 제어된 산소 농도를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳을 제공한다.
다른 실시 예는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법 및 장치를 제공한다.
실시 예의 실리콘 단결정 잉곳은, 수평 단면상에서 반경 방향으로의 비저항 편차가 2% 일 수 있다. 상기 비저항 편차는 상기 수평 단면상의 에지의 비저항과 중심에서의 비저항 간의 차이일 수 있다. 상기 실리콘 단결정 잉곳은, 3족 또는 5족의 원소를 도펀트로서 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 의한, 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법은, 도가니에 담긴 실리콘 용융액에 종결정을 접촉시키는 단계; 및 상기 종결정을 인상하여 고액 계면을 통해 상기 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 상기 비저항 편차 및 상기 수평 단면상에서의 비저항 중 적어도 하나를 감소시키도록 상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 길이별 상기 고액 계면의 형상들의 간격을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는 상기 고액 계면의 형상을 볼록하게 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 초기에 상기 고액 계면의 형상을 볼록하게 형성할 수 있다.
상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 초기는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 전체 길이의 10% 내지 30%가 성장될 때까지의 기간일 수 있다.
상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는 상기 고액 계면의 형상을 플랫하게 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는 상기 종결정을 인상하는 인상 속도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인상 속도는 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min일 수 있다.
상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는 상기 고액 계면에 접해 성장되는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 하부에서 도펀트가 상기 반경 방향으로 확산되는 확산 온도 영역을 확보하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 인상 속도는 1.2 ㎜/min 내지 2 ㎜/min일 수 있다.
상기 확산 온도 영역을 확보하는 단계는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 900 ℃ 내지 1250 ℃에서 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비저항 편차 및 상기 비저항 중 적어도 하나를 감소시키는 단계는 상기 실리콘 단결정 잉곳으로 혼입되는 산소의 량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치는, 상기 실리콘 용융액을 담는 도가니; 상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에서 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 배치되어, 상기 실리콘 용융액으로부터의 복사열을 차단하는 열 차폐 부재; 및 상기 도가니에 담긴 상기 실리콘 용융액에 접촉된 종결정을 인상하는 인상부를 포함하고, 상기 인상부에서 상기 종결정을 인상하는 인상 속도 및 상기 열 차폐 부재의 형상 중 적어도 하나는 상기 비저항 편차 및 상기 수평 단면상에서의 비저항 중 적어도 하나를 감소시키도록 결정될 수 있다.
상기 인상부는 상기 인상 속도를 증가시켜 고액 계면의 형상을 볼록하게 할 수 있다.
상기 인상부는 상기 인상 속도를 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min로 제어할 수 있다.
상기 열 차폐 부재는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향해 돌출되며, 상부와 하부에서 서로 다른 온도차를 갖는 내주면을 포함할 수 있다.
상기 인상부는 상기 인상 속도를 1.2 ㎜/min 내지 2 ㎜/min로 제어할 수 있다.
상기 온도차는 900 ℃ 내지 1350 ℃일 수 있다.
상기 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장되는 경로 상에 배치되어, 냉각수의 유동 공간을 갖는 수냉관을 더 포함하고, 상기 수냉관은 상기 실리콘 용융액의 표면으로부터 적어도 소정 거리만큼 이격될 수 있다.
상기 열 차폐 부재와 상기 실리콘 용융액의 표면은 10 ㎜ 내지 30 ㎜ 만큼 이격될 수 있다.
실시 예에 따른 실리콘 단결정 잉곳은 수평 단면상에서 반경 방향으로 작은 비저항 편차를 갖고, 수평 단면에서 작은 비저항을 가지며, 수평 단면에서의 슬릿이 제거되어 있으며,
그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치는 전술한 효과를 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해, 실리콘 단결정 잉곳의 인상 속도를 증가시켜 실리콘 용융액의 표면의 온도를 낮춰 실리콘 용융액으로부터 휘발되는 도펀트와 산소의 량을 줄임으로서 도펀트가 실리콘 단결정 잉곳으로 더 많이 혼입되도록 하여 비저항을 감소시키면서 실리콘 단결정 잉곳에 포함되는 산소 농도를 원할히 제어할 수 있도록 하고, 인상 속도를 제어하여 실리콘 단결정 잉곳으로 혼입되는 산소의 량(또는, 농도)를 조정할 수 있도록 하고,
확산 온도 영역을 확보하기에 적합한 구조를 마련하여 즉, 인상 속도를 증가시킬 때 실리콘 단결정 잉곳의 가장 자리와 중심부의 온도차를 감소시키도록 설계된 열 차폐 부재를 마련함으로써, 인상 속도의 증가에 따른 반경 방향으로의 비저항 편차를 감소시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 외관의 개략적인 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 'A' 부분을 절개한 부분 사시도를 나타낸다.
도 3은 수평 단면상 위치별 비저항을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 5는 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳에서 바디의 길이별 비저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 V/G에 따른 실시 예에 의한 결정 결함 영역의 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 바디의 길이에 따른 히터의 파워를 나타내는 그래프이다.
도 9는 각 원자의 온도별 확산 계수를 나타내는 그래프이다.
도 10은 각 원자의 온도별 고용도를 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 인상 속도별 베이컨시의 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 (a) 내지 (c)는 인상 속도별 수평 단면의 중심, 중간 및 에지 각각에서 축 거리별 온도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시 예에 의한 열 차폐 부재와 기존의 열 차폐 부재를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 내지 도 14c는 수직 온도 구배의 대소에 따른 고액 계면의 형상 변화를 나타내는 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 수평 단면의 위치별 실리콘 단결정 잉곳의 수직 온도 구배를 나타낸다.
도 16은 바디의 길이와 실제 인상 속도에 따른 비저항을 나타내는 그래프이다.
도 17 (a) 및 (b)는 확산 속도가 크고 수평 단면의 직경이 작을 경우, 바디의 성장된 길이별 반경 방향의 비저항 추이 및 고액 계면의 형상이 변해가는 모습을 각각 나타낸다.
도 18 (a) 및 (b)는 확산 속도가 작고 수평 단면의 직경이 클 경우, 바디의 성장된 길이별 반경 방향의 비저항 추이 및 고액 계면의 형상이 변해가는 모습을 나타낸다.
도 19 내지 도 22는 인상 속도별 고액 계면의 형상 변경을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 23a 내지 도 23c는 다양한 높이 차를 나타내는 도면이다.
도 24a 및 도 24b는 높이 차에 따른 비저항 및 인상 속도 변화를 각각 나타내는 그래프이다.
도 25는 높이 차에 따른 산소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 26은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 수평 단면을 촬영한 사진을 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 외관의 개략적인 사시도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳은 넥(neck)(20), 쇼울더(shoulder)(22), 바디(body)(30) 및 테일(tail)(40)을 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 'A' 부분을 절개한 부분 사시도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)에서, 바디(30)을 절개한 수평 단면(32) 상에서 반경 방향으로의 비저항 편차(RRG:Radial specific Resistance Gradient)가 2% 이내이다.
수평 단면(32)의 비저항은 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 도펀트(dopant)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 비저항은 도펀트가 As(Arsenic)일 경우 3.0 mΩㆍ㎝ 이하이고, 도펀트가 Sb(Antimony)일 경우 10 mΩㆍ㎝ 이하이고, 도펀트가 적린(red phosphorus)인 경우 1.5 mΩㆍ㎝ 이하일 수 있다. 즉, 이와 같이, 도펀트 물질의 편석 계수의 차이에 따라 비저항은 달라질 수 있다.
여기서, RRG는 수평 단면(32)상의 에지(edge)(E1, E2) 또는 에지(E1, E2)에 근접한 부분의 비저항과 중심(C:Center)에서의 비저항 간의 차이에 해당할 수 있다. 여기서, 에지(E2)는 에지(E1)로부터 소정 폭(W) 예를 들어, 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 정도 이격될 수 있다.
도 3은 수평 단면(32) 상의 위치별 비저항을 나타내는 그래프로서, 횡축은 수평 단면(32) 상의 위치를 나타내고 종축은 비저항을 나타낸다. 여기서, 위치가 '0'인 지점은 수평 단면(32)의 중심(C)을 나타내고, +100 및 -100인 지점은 에지(E1 또는 E2)를 나타낼 수 있다.
도 3을 참조하면 기존의 실리콘 단결정 잉곳의 RRG보다 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 RRG가 더 작음을 알 수 있다. 도 3은 기존과 실시 예의 RRG만을 비교하기 위한 그래프에 불과하며 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 모든 특징을 나타내지는 않는다. 즉, 기존의 실리콘 단결정 잉곳의 비저항(2)이 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 비저항(5)보다 작은 것으로 도시되어 있지만, 후술되는 바와 같이, 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 비저항은 기존보다 감소될 수 있다.
이하, 도 1에 도시된 실리콘 단결정 잉곳(10)을 제조하는 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 5는 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도를 나타낸다.
도 4에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기에 앞서, 도 5에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 개략적인 구성 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 예시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는 도가니(110), 히터(heater)(120), 도가니 지지 샤프트(shaft)(130), 인상부(140), 열 차폐 부재(150) 및 수냉관(180)을 포함한다. 도시되어 있지는 않지만 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는 도가니(110)에 자기장을 부여하는 자기장 인가부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 도 4에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법은 도 5에 도시된 장치의 구조에 국한되지 않는다.
도 5를 참조하면, 도가니(110)는 실리콘 단결정 잉곳(10)을 성장시키기 위한 용융 실리콘(SM)을 담는다. 도가니(110) 내에 실리콘의 고순도 다결정 원료를 장입하고 이를 융점 온도 이상으로 히터(120)에 의해 가열하여, 실리콘 용융액(SM)으로 변화시킨다. 이를 위해 히터(120)는 도가니(110)의 주위에 배치되어, 도가니(110)에 열을 가한다.
도가니(110)는 석영 도가니(112)와 흑연 또는 카본(carbon) 도가니(114)를 포함할 수 있다. 석영 도가니(112)는 원료 실리콘이 융해된 실리콘 용융액(SM)을 담는다. 흑연 또는 카본 도가니(114)는 석영 도가니(112)를 그의 내부에 수용하고, 석영 도가니(112)가 파손되는 경우 실리콘 용융액(SM)의 누출을 방지하는 역할을 한다. 즉, 석영 도가니(112)는 고온의 실리콘 용융액(SM)에 의해 형태가 변할 수 있기 때문에, 이를 지지하기 위해 흑연 또는 카본 도가니(114)가 외부에 배치될 수 있다.
지지축 구동부(미도시)는 도가니 지지 샤프트(130)를 화살표와 같은 방향으로 회전시킴과 동시에 상/하로 수직 운동시킬 수 있다. 즉, 도가니 지지 샤프트(130)가 상/하로 구동됨에 따라 도가니(110)는 상/하 수직 운동할 수 있다.
인상부(140)는 인상 와이어(142)를 풀어 실리콘 용융액(SM)의 표면의 대략 중심부에 종결정(144) 선단을 접촉 또는 침지시킨다. 이때, 시드 척(seed chuck)(미도시)을 이용하여 실리콘 종결정(144)을 유지시킬 수 있다. 또한, 인상부(140)는 인상 와이어(142)에 의해 실리콘 단결정 잉곳(10)을 화살표 방향으로 회전시키면서 인상하여 육성한다. 이때, 실리콘 단결정 잉곳(10)을 인상하는 속도(V)와 온도구배(GH, GV)를 조절하여 원주 형상의 실리콘 단결정 잉곳(10)을 완성할 수 있다. 여기서, GH는 실리콘 단결정 잉곳(10)의 수평 단면(32)에서 반경 방향으로의 수평 온도 구배를 나타내고, GV는 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장되는 길이 방향으로의 수직 온도 구배를 나타낸다.
한편, 열 차폐 부재(150)는 히터(120)와 실리콘 용융액(SM)으로부터의 복사열이 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 전달되는 것을 차단한다. 즉, 열 차폐 부재(150)는 열이 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 전달되는 경로를 차단하여, 복사열에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 가열을 방지할 수 있다. 이와 같이, 열 차폐 부재(150)는 실리콘 단결정 잉곳(10)의 냉각 열 이력에 큰 영향을 미친다. 게다가, 열 차폐 부재(150)는 실리콘 용융액(SM)의 온도 변동을 억제하는 역할도 수행한다.
열 차폐 부재(150)는 전술한 역할을 수행하기 위해 실리콘 단결정 잉곳(10)과 도가니(110) 사이에서 잉곳(10)을 에워싸도록 배치될 수 있다.
수냉관(180)은 실리콘 단결정 잉곳(10)의 성장 경로 상에 배치되어, 실리콘 단결정 잉곳(10)을 냉각수에 의해 식히는 역할을 한다. 이를 위해, 수냉관(180)은 배관(184)을 포함할 수 있으며, 배관(184)은 실리콘 단결정 잉곳(10)의 외곽을 감싸도록 상하면이 개방된 원통 형상으로 배치될 수 있다. 배관(184)에는 냉각수가 유동하는 유동 공간(182)이 형성되어 있다. 냉각수는 수냉관(180)의 유입구(미도시)를 통해 유입된 후 유동 공간(182)을 통해 수냉관(180)을 순환한 후, 배출구(미도시)를 통해 배출된다. 수냉관(180)의 유입구와 배출구는 냉각수 순환 장치(미도시)에 연결되어 계속적으로 냉각수가 반복적으로 유입 및 배출되어, 냉각수가 순환되는 사이클이 반복될 수 있다. 배관(184)은 스테일레스 스틸 등과 같은 불투명한 금속 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
이하, 도 5에 도시된 장치에서 수행되는 도 4에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에 대해 살펴본다. 도 4에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법은 도 5에 도시된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에서 수행되는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 4를 참조하면, 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에 의하면, 먼저, 인상부(140)는 도가니(110)에 담긴 실리콘 용융액(SM)에 종결정(144)을 접촉시킨다(제52 단계).
제52 단계 후에, 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하여 실리콘 용융액(SM)의 고액 계면(160)을 통해 실리콘 단결정 잉곳(10)을 성장시킬 때, RRG 및 비저항 중 적어도 하나를 감소시키도록 고액 계면(160)의 형상을 조정할 수 있다(제54 단계). 여기서, 고액 계면(160)이란 실리콘 단결정 잉곳(10)과 실리콘 용융액(SM) 사이의 경계(interface)를 의미한다.
실시 예에 의하면, RRG 및 비저항 중 적어도 하나를 감소시키기 위해, 고액 계면(160)의 형상은 다음과 같이 다양하게 조정될 수 있다. 이때, 고액 계면(160)의 형상을 조정하기 위해, 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하는 인상 속도가 결정되고 및/또는 열 차폐 부재(150)의 형상이 결정될 수 있다.
먼저, 제54 단계에서, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 길이별 고액 계면(160)의 형상들의 간격을 넓게 조정할 수 있다. 이를 위해, 인상부(140)는 종결정(144)을 인상하는 속도를 증가시킬 수 있다. 이에 대해서는 도면들 특히, 도 20 내지 도 23을 참조하여 보다 상세히 후술된다.
또한, 비저항을 감소시키기 위해, 고액 계면(160)의 형상을 볼록하게 형성시킬 수 있다. 여기서, 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장되는 초기에 고액 계면(160)의 형상을 볼록하게 형성할 수 있다. 여기서, 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장되는 초기란, 도 1에 도시된 실리콘 단결정 잉곳(10)의 전체 길이(L1) 또는 바디(30)의 예를 들어 10 % 내지 30 %가 성장될 때(L2, L3)까지의 기간일 수 있다. 이와 같이, 초기에 비저항을 낮출 경우 분배 계수는 일정한 값을 갖게 된다.
도 6은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)에서 바디(30)의 길이별 비저항을 나타내는 그래프이다. 여기서, 비저항은 바디(30)의 수평 단면(32)의 중심(C)에서 측정된 값이다.
2개의 샘플(60, 62)에 대해 측정한 바디(30)의 길이별 비저항은 예를 들어 도 6에 예시된 바와 같다. 도 6을 참조하면, 바디(30)의 성장 초기에 비저항을 얼마로 감소시키는가에 따라 바디(30)의 전체의 비저항이 결정됨을 알 수 있다. 즉, 바디(30)의 성장 초기에 비저항을 많이 감소시킬 경우 바디(30)가 계속 성장해가는 동안 비저항이 작은 값으로 유지됨을 알 수 있다. 또한, 초기뿐만 아니라 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장되는 동안 내내, 비저항을 감소시킬 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 바디(30)가 전체 길이의 10 % 내지 30 %까지 성장하는 성장 초기에서, 첫 번째 샘플(60)의 경우 제1 비저항(ρ11)으로부터 제2 비저항(ρ12)으로 0.45 만큼 비저항을 감소시키고, 두 번째 샘플(62)의 경우 제1 비저항(ρ21)으로부터 제2 비저항(ρ22)으로 0.4만큼 비저항을 감소시킨다.
또한, 고액 계면(160)을 볼록하게 형성하기 위해, 인상부(140)는 종결정(144)을 인상하는 인상 속도를 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 인상 속도가 증가될 경우 실리콘 용융액(SM) 표면의 온도가 감소되므로, 산소와 도펀트가 실리콘 용융액(SM)으로부터 휘발되는 량이 감소하여, 감소된 휘발량만큼 산소와 도펀트가 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 더 많이 혼입되므로 비저항이 낮아질 수 있다. 인상 속도가 증가하면, 실리콘 용융액(SM)에 포함된 도펀트가 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되어 확산될 수 있도록 고액 계면(160)의 온도가 조성된다. 예를 들어, 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하는 인상 속도는 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min일 수 있다.
기존의 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법 및 장치에 의하면, 조성적 과냉을 회피하기 위해, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 속도(또는, 종결정의 인상 속도)를 줄여 실리콘 용융액으로부터 산소와 도펀트가 휘발되는 속도를 인위적으로 가속시켜 분배 계수의 감소를 도모하였고 비저항의 분배 계수를 일정한 기울기로 제어하였다. 여기서, 조성적 과냉이란, 용액에 포함된 용질별 고체화되는 온도가 서로 다름을 의미한다.
반면에, 본 실시 예에서는 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하는 인상 속도를 증가시켜 비저항을 3.0 mΩㆍ㎝ 이하로 충분히 낮춘 상태에서 분배 계수를 제어한다.
한편, 실시 예에 의하면, 비저항을 감소시키기 위해 적합한 도펀트를 선택할 수 있다. 이에 대해 간략히 살펴보면 다음과 같다.
일반적으로 실리콘 용융액(SM)에 도펀트를 투입할 경우, 실리콘 단결정 잉곳(10)에서 도펀트는 다음과 같은 3가지의 과정으로 확산될 수 있다.
먼저, V 영역과 I 영역을 번갈아가며 도펀트가 확산될 수 있다. 이후, 산소인 베이컨시(vacancy)와 도펀트가 페어(pair)로 확산될 수 있다. 이후, 여러 개의 페어가 모여 일정한 크기로 될 때 실리콘 단결정 잉곳(10)이 안정화되어 확산이 멈출 수 있다. 여기서, V 영역과 I 영역에 대해 도 7을 참조하여 다음과 같이 개략적으로 살펴본다.
도 7은 실리콘 단결정 잉곳(10)의 성장시 V/G에 따른 실시 예에 의한 결정 결함 영역의 분포를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, V는 실리콘 단결정 잉곳(10)의 인상 속도를 나타내고, G는 GH와 GV를 나타낸다.
보론코프(Voronkov) 이론에 따르면, 소정 임계치 이상의 V/G로 실리콘 단결정 잉곳(10)을 고속으로 인상하면, 공공(void) 기인의 결함이 존재하는 베이컨시가 풍부(rich)한 영역(이하, 'V 영역' 이라 함)으로 실리콘 단결정 잉곳이 성장된다. 즉, V 영역은 실리콘 원자의 부족으로 베이컨시가 과잉되는 영역이다.
또한, 소정 임계치보다 작은 V/G로 실리콘 단결정 잉곳(10)을 인상하면, 산화 유기 적층 결함(OSF:Oxidation Induced Stacking Fault)이 존재하는 O 밴드(band) 영역으로 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장된다.
O 밴드에 속하며, 미세한 크기의 베이컨시 결함 예를 들면 DSOD(Direct Surface Oxide Defect)를 갖는 작은 보이드(small void) 영역이 있을 수 있다.
또한, V/G를 더욱 낮추어 실리콘 단결정 잉곳(10)을 저속으로 인상하면, 격자 간 실리콘이 집합한 전위 루프에 기인한 인터스티셜(interstitial) 영역(이하, 'I 영역'이라 함)으로 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장된다. 즉, I 영역은 실리콘 원자의 과잉으로 격자 간 실리콘의 응집체가 많은 영역이다.
V 영역과 I 영역 사이에는 베이컨시가 우세한 베이컨시 우세 무결함(VDP) 영역과 인터스티셜이 우세한 무결함(IDP) 영역이 존재한다. VDP 영역과 IDP 영역은 실리콘 원자의 부족이나 과잉이 없는 영역이라는 점에서 동일하지만, VDP 영역은 산소 석출핵을 포함하는 반면, IDP 영역은 산소 석출핵을 포함하지 않는 점에서 서로 다르다.
도 8은 바디(30)의 길이에 따른 히터(120)의 파워를 나타내는 그래프로서, 기존의 히터 파워와 본 실시 예에 의한 다양한 샘플(#1, #2, #3)의 히터 파워를 각각 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 실시 예에 의해 인상 속도를 높일 경우 히터의 파워는 기존보다 대략 2kw 정도 감소되며, 바디(30)의 100 ㎜ 구간에서 비저항이 크게 낮아짐을 알 수 있다.
히터 파워가 감소한다는 것은 실리콘 용융액(SM)의 중심과 가장 자리의 온도 편차가 적다는 것을 의미한다. 이로 인해, 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 단결정 잉곳(10)의 위에서 화살표 방향(5)으로 잉곳(10)을 바라볼 때 온도 분포가 일정한 간격으로 균일하기 때문에, 온도의 중심축이나 분포의 일그러짐 등의 현상이 없어 실리콘 단결정 잉곳(10)이 이상 성장될 확률이 감소할 수 있다. 게다가, 히터 파워가 감소할 경우, 실리콘 용융액(SM) 표면의 점도가 커져서 도펀트와 산소의 휘발성을 감소시킬 수 있다. 이러한 온도의 균일성을 바탕으로 실리콘 단결정 잉곳(10)을 성장시키면, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 중심부와 가장 자리의 온도 편차가 감소하기 때문에, 결정 결함이 만들어지는 시점의 차이가 없어 즉, 거의 동시에 형성되기 때문에 도 7에 도시된 V 영역과 작은 보이드 영역 사이의 경계가 굴곡(64)지지 않고 플랫(flat)(66)하게 형성될 수 있다.
도 9는 각 원자의 온도별 확산 계수(D)를 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고 종축은 확산 계수(D)를 나타낸다.
도 10은 각 원자의 온도별 고용도(Solid solubility)를 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고 종축은 고용도를 나타낸다. 여기서, 고용도란, 도펀트가 실리콘 용융액(SM)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 정도를 나타낸다.
실리콘 단결정 잉곳(10)에 혼입시킬 도펀트는 원소의 최대 고용도와 확산 계수를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 최대 고용도 및/또는 확산 계수(또는, 확산 상수)가 높을수록 실리콘 단결정 잉곳에 혼입되는 원소의 절대량이 증가한다. 도 9에 도시된 바와 같이 확산 계수는 온도에 지수적으로 의존하며, 도펀트와 베이컨시의 페어는 치환형으로 확산된다. 여기서, 치환형 확산이란, 실리콘 단결정 잉곳(10)에 있는 베이컨시가 페어로 치환됨을 의미한다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 베이컨시에 산소와 도펀트 페어가 들어가는 것을 의미한다. 도 10에 도시된 바와 같이 최대 고용도 역시 온도에 지수적으로 의존하므로 높은 온도에서 실리콘 단결정 잉곳(10)에 혼입되는 도펀트의 량은 증가하여 비저항이 낮아질 수 있다.
전술한 사실들을 고려할 때, 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 도펀트는 3족 또는 5족의 원소 예를 들어 B, Al, Ga, In, P, As 또는 Sb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도펀트가 P 또는 As를 포함할 경우, 도펀트는 I 영역에서 많이 확산되고 인상 속도가 낮을 때 확산이 잘 일어난다. 또는, 도펀트가 Sb를 포함할 경우, 도펀트는 V 영역에서 많이 확산된다. 도펀트는 주로 베이컨시와 페어를 이루어 확산된다.
도 11a 및 도 11b는 인상 속도(V)별 베이컨시(VAC)의 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 인상 속도(V)가 느릴 경우 잉곳(10)의 바디(30)에는 안정된 베이컨시(72)가 존재하며, 고액 계면(160)에서는 강한 열 응력으로 베이컨시가 사라지며 동시에 확산이 가속되어 격자 간 실리콘(Si)의 개수가 많아진다.
반면에, 수평 단면(32)에서 비저항을 낮추기 위해, 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하는 인상 속도(V)를 높이면, 도 11b에 예시된 바와 같이 페어가 될 수 있는 고액 계면(160)에서 베이컨시의 농도가 높아진다. 즉, 인상 속도(V)를 증가시키면 센터(C)의 베이컨시 농도는 높일 수 있다. 그러나, 수평 온도 구배(GH)가 확보되지 않을 경우 RRG가 악화될 수 있다. 이에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 12 (a) 내지 (c)는 인상 속도(V)별 수평 단면(32)의 중심(center), 중간(middle)(r/2)(여기서, r은 수평 단면(32)의 반지름) 및 에지(edge) 각각에서 축 거리(axial distance)별 온도를 나타내는 그래프이다.
도 12 (a) 내지 (c) 각각에서, 참조부호 82, 84, 86 및 88은 인상 속도(V)가 각각 0.3 ㎜/min, 0.6 ㎜/min, 1.0 ㎜/min 및 1.2 ㎜/min인 경우를 나타내고, 참조부호 90은 인상 속도가 0.3 ㎜/min인 경우의 이상적인 값을 나타낸다. 또한, 축거리가 '0'인 지점은 고액 계면(160)에 해당하고, 실리콘 용융액(SM)의 내부에서 축거리는 음수이고, 잉곳(10)에서 축거리는 양수이다.
인상 속도가 증가하면, 도 12 (a)에 도시된 중심(center)으로부터 도 12 (c)에 도시된 에지(edge)로 갈수록 온도는 수렴한다. 이때, 도 12 (a)에 도시된 수평 단면(32)의 중심(center)에서 온도의 상승 폭은 도 12 (b)에 도시된 중간(r/2)이나 도 12 (c)에 도시된 에지(edge)에서의 온도의 상승 폭보다 큼을 알 수 있다. 예를 들어, 도 12 (a)를 참조하면, 인상 속도가 0.3 ㎜/min로부터 1.2 ㎜/min로 증가할 때, 온도 상승폭(92)은 50 ℃로서 매우 큼을 알 수 있다. 이와 같이, 인상 속도의 증가에 따른 중심(center)에서 온도 상승 효과로 인해 도펀트 예를 들어 As의 확산이 에지(edge)보다 중심(center)에서 활발해져 RRG는 악화될 수 있다.
이와 같이 RRG의 악화는 고액 계면(160)의 온도가 급격히 하강하여, 반경 방향으로의 확산을 위한 확산 온도 영역이 확보되지 않기 때문이다. 따라서, 제54 단계에서 고액 계면(160)에 접해 성장되는 실리콘 단결정 잉곳(10)의 하부에서 도펀트가 반경 방향으로 확산되는 확산 온도 영역을 확보할 필요성이 있다.
확산 온도 영역을 확보하기 위해, 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 수평 온도 구배(GH)에 유리한 형태를 갖는 열 차폐 부재(150)를 포함할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 열 차폐 부재(150)는 실리콘 단결정 잉곳(10)을 향해 돌출되며, 상부(y1)와 하부(y2)에서 서로 다른 온도차를 갖는 내주면(152)을 포함할 수 있다.
상부(y1)와 하부(y2)의 온도차(ΔT)는 성장되는 바디(30)의 구간별로 차이가 있지만 1350 ℃보다 높은 온도 영역에서는 도펀트가 실리콘 단결정 잉곳(10)에 안정되게 혼입되지 않고, 도펀트가 실리콘 용융액(SM)과 실리콘 단결정 잉곳(10)의 하부면을 왕래하는 불안정한 상태가 될 수 있다. 또한, 온도차(ΔT)가 900 ℃ 보다 작은 온도 영역에서는 베이컨시가 실리콘 단결정 잉곳(10)에 존재한다고 하더라도, 도펀트를 이동시킬 수 있는 구동력(driving force)이 미약하기 때문에 도펀트가 확산될 확률이 매우 낮다. 따라서, 온도차(ΔT)는 예를 들어 900 ℃ 내지 1350 ℃ 바람직하게 900 ℃ 내지 1250 ℃일 수 있다.
또한, 열 차폐 부재(150)에서 내주면(152)의 높이 차(Δy) 및 저면(154)의 폭(Δx)은 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013105894779-pat00001
예를 들어, 높이 차(Δy)는 40 ㎜ 내지 60 ㎜이고, 폭(Δx)은 100 ㎜ 내지 200 ㎜일 수 있다.
전술한 바와 같은 형상으로 열 차폐 부재(150)가 설계될 경우 RRG의 악영향을 감소시키면서 비저항을 감소시킬 수 있다.
도 13은 실시 예에 의한 열 차폐 부재(150)와 기존의 열 차폐 부재(170)를 비교 설명하기 위한 도면이다.
만일, 도 13에 예시된 바와 같이 열 차폐 부재(170)가 기존과 같이 설계될 경우, 핫 존(hot zone)과 쿨 존(cool zone)의 경계가 되는 부분(172)을 기준으로 수직 방향의 급격한 온도 변화로 인해, 수평 단면(32)의 표면에 슬릿(slit)이 야기될 수 있어, 수평 온도 구배(GH)가 좋지 않을 수 있다. 응결 등온선(solidification isotherm)(173)을 보면 고온의 실리콘 용융액(SM)의 대류가 일어남을 알 수 있고, SM의 표면은 고온이 된다.
그러나, 도 13에 도시된 실시 예에서와 같이 열 차폐 부재(150)를 설계할 경우 수평 온도 구배(GH)가 개선되므로, 인상 속도를 증가시키면 잉곳(10)의 길이별 고액 계면(160) 간의 간격이 중심(C)과 가장 자리(E2)에서 차이가 감소하여 반경 방향으로의 도펀트 확산이 향상되어, RRG가 감소될 수 있다. 과냉각 운동 영역(174)을 보면 저온의 SM 대류가 일어나고 SM의 표면은 저온이 된다.
도 13에 예시된 바와 같은 형상으로 열 차폐 부재(170)가 형성될 경우, 인상 속도는 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min일 수 있다. 이 경우, 히터 파워 감소는 미약하고 수평 단면(32)에서 중심(C)의 비저항의 감소도 미약할 수 있다. 왜냐하면, 이러한 인상 속도에서 도가니(110)의 중앙과 가장 자리 사이에 온도 기울기의 균형이 깨질 수 있기 때문이다. 그러나, 열 차폐 부재(150)가 도 5 또는 도 13에 도시된 바와 같은 형상으로 형성될 경우, 인상부(140)가 종결정(144)을 인상하는 인상 속도는 1.2 ㎜/min 내지 2 ㎜/min일 수 있다. 이 경우 경우 히터 파워는 4 ㎾까지 낮아질 수 있고 중심(C)의 비저항은 0.5 mΩㆍ㎝ 내지 0.8 mΩㆍ㎝까지 감소할 수 있어 더 효과적이다.
또한, 열 차폐 부재(150)의 형상과 수냉관(180)의 위치가 잉곳(10) 성장 초기의 비저항에 미치는 영향에 대해 다음과 같이 살펴본다.
도 14a 내지 도 14c는 수직 온도 구배(GV)의 크고 작음에 따른 고액 계면(160)의 형상 변화를 나타내는 도면이고, 도 15a 및 도 15b는 수평 단면(32)의 위치별 실리콘 단결정 잉곳(20)의 수직 온도 구배(GV)를 나타낸다.
도 14a 및 도 15a는 수직 온도 구배(GV)가 작은 경우를 나타내고, 도 14b 및 도 15b는 수직 온도 구배(GV)가 큰 경우를 나타낸다.
도 15a 및 도 15b에서, Center, Middle 및 Edge는 수평 단면(32)의 중심(Center)과 중간(middle)과 가장 자리(Edge)를 각각 나타내며, 참조부호 212, 214, 216 및 218은 인상 속도가 0.3 ㎜/min, 0.6 ㎜/min, 1.0 ㎜/min 및 1.2㎜/min인 경우를 각각 나타낸다.
도 14a를 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳(10)을 제1 길이(L31)만큼 성장했을 때 고액 계면(160)의 형상은 화살표 방향(200) 갈수록 볼록해진다. 이 경우, 수직 온도 구배(GV)는 큰 잠열(latent heat)에 의해 작아진다. 수직 온도 구배(GV)가 작을 경우, 도 15a를 참조하면 중앙(Center)과 가장 자리(Edge) 간의 온도 편차는 크다.
그러나, 도 14b를 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳(10)을 제1 길이(L31)보다 긴 제2 길이(L32)만큼 더 성장했을 때 고액 계면(160)의 형상은 화살표 방향(202)으로 갈수록 평편해진다. 이 경우, 수직 온도 구배(GV)는 큰 열 전도에 의해 커진다. 수직 온도 구배(GV)가 클 경우 도 15b를 참조하면 중앙(Center)과 가장 자리(Edge) 간의 온도 편차는 작다.
전술한 바와 같이 수직 온도 구배(GV)가 클 경우, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 바디(30)가 형성되는 초기에 비저항을 감소시키는데 방해를 받는다. 따라서, 바디(30)가 형성되는 초기에 비저항을 감소시키기 위해, 수직 온도 구배(GV)는 작아야 하며, 이를 위해 열 차폐 부재(150)의 저면(154)으로부터 실리콘 용융액(SM) 표면까지의 도 5에 도시된 이격 거리(H)가 짧아 열 축적이 많아야 한다. 예를 들어, 이격 거리(H)는 10 ㎜ 내지 30 ㎜일 수 있다. 도 13에 도시된 열 차폐 부재(170)가 이용될 경우보다 실시 예에서와 같은 형상의 열 차폐 부재(150)가 이용될 경우 열 축척은 더 많아진다.
또한, 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장됨에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 손실되는 열이 많이 발생된다. 특히, 수냉관(180)이 실리콘 용융액(SM)의 표면에 가까울수록 수직 온도 구배(GV)가 높다. 그러므로, 바디(30)를 형성하는 초기에 수직 온도 구배(GV)를 감소시키기 위해, 실시 예에 의하면, 수냉관(180)을 실리콘 용융액(SM)의 표면으로부터 적어도 소정 거리(D)만큼 이격시켜 배치할 수 있다. 여기서, 도 5를 참조하면, 소정 거리(D)는 예를 들어 성장된 실리콘 단결정 잉곳(10)의 길이(l1)의 30% 정도(l2)일 수 있다. 그 이유는, 분배 계수는 일정 수준이 정해지면 일정한 기울기를 갖기 때문이다.
도 16은 바디(30)의 길이와 실제 인상 속도에 따른 비저항을 나타내는 그래프이다. 여기서, 참조부호 222는 비저항 목표치를 나타내고, 참조부호 224 및 226는 동일한 공정 조건에서 서로 다른 샘플에 대해 측정한 비저항을 나타낸다.
실시 예에 의하면, 도 16에 도시된 바와 같이 바디(30)를 형성하는 초기에 인상 속도를 증가시키면 비저항이 크게 감소함을 알 수 있다. 그러나, 바디(30)를 형성하는 중반으로 가면 인상 속도가 증가할수록 고액 계면(160)이 높아져서 분배 계수가 높아지는 것을 알 수 있다.
실시 예에 의하면, 고액 계면(160)의 형상을 조정하여 실리콘 단결정 잉곳(10)의 수평 단면(32)에서의 비저항 및 RRG의 감소를 도모하였다.
도 17 (a) 및 (b)는 확산 속도가 크고 수평 단면(32)의 직경이 작을 경우, 바디(30)의 성장된 길이별 반경 방향의 비저항 추이 및 고액 계면(160)의 형상이 변해가는 모습을 각각 나타낸다.
도 18 (a) 및 (b)는 확산 속도가 작고 수평 단면(32)의 직경이 클 경우, 바디(30)의 성장된 길이별 반경 방향의 비저항 추이 및 고액 계면(160)의 형상이 변해가는 모습을 나타낸다.
확산 속도가 작고 수평 단면(32)의 직경이 클 경우, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 길이별 고액 계면(160)의 형상은 도 18 (b)에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 그러나, 이와 동일한 조건에서 확산 속도가 크고 수평 단면(32)의 직경이 작을 경우, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 길이별 고액 계면(160)의 형상은 도 17 (b)에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다.
도 18 (a) 및 (b)를 참조하면, 수평 단면(32)의 직경이 크고 확산 속도가 작을 경우, 고액 계면(160)에서 볼록한 부분들(230, 232, 234)이 발생한다.
고액 계면(160) 형상에 따른 RRG는 원래 볼록할수록 커지며, 완만하거나 오목할수록 좋아진다. 그러나 이 경우 실리콘 단결정 잉곳(10)의 중심부의 비저항은 감소되지 않는다. 그 이유는 확산될 수 있는 온도 확보가 작아지기 때문이다. 예를 들어, 인상 속도가 낮아지는 효과와 같다. 따라서, 실시 예는 도 17 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 볼록한 고액 계면(160)을 유지하면서도 RRG가 개선되도록 하기 위해 즉, 인상 속도가 실리콘 용융액(SM) 표면 온도를 저하시켜 휘발량을 감소시켜 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 산소량을 증대시키고 장치 내 오염을 감소시키도록, 전술한 바와 같은 구조를 갖는 열 차폐 부재(150)를 이용하여 고액 계면(160)의 온도 차이를 감소시키고 성장 속도를 높여 실리콘 단결정 잉곳(10)의 중심부의 비저항을 더 낮게 하면서도 RRG를 개선시킨다.
이하, 인상 속도를 증가시킬 때, 고액 계면(160)의 형상 변경을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 19 내지 도 22는 인상 속도별 고액 계면(160)의 형상 변경을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 19 (a), 도 20 (a), 도 21 (a) 및 도 22 (a)에서 횡축은 축 거리를 나타내고, 종축은 온도를 각각 나타낸다. 도 19 (b), 도 20 (b), 도 21 (b) 및 도 22 (b)에서 종축은 실리콘 용융액(SM) 표면으로부터의 거리(이하, '수직 거리') 및 온도를 나타내고, 횡축은 성장 축으로부터 거리(이하, '수평 거리')를 나타낸다. 도 19 (b), 도 20 (b), 도 21 (b) 및 도 22 (b)은 각각 인상 속도가 1.2 ㎜/min, 1.0 ㎜/min, 0.6 ㎜/min 및 0.3 ㎜/min인 경우를 나타낸다.
도 19 (b), 도 20 (b), 도 21 (b) 및 도 22 (b)를 참조하면, 인상 속도가 빨라질수록 고액 계면(160)의 형상들의 간격은 점차 넓어진다. 이로 인해, 동일 온도 영역의 범위가 넓어져서, 한계 고용도가 증가하게 된다. 특히, P 또는 As 같은 도펀트가 베이컨시 페어 확산하는 경우 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 도펀트 량은 증가하여 비저항이 감소할 수 있다. 그러나, 실리콘 단결정 잉곳(10)의 중심에서 에지로 갈수록 이러한 동등한 온도 대역이 감소하므로, RRG는 악화된다. 이를 개선하기 위해, 실시 예에 의하면, 900 ℃ 내지 1350 ℃의 확산 온도 영역에서 실리콘 단결정 잉곳(10)이 냉각되도록 열 차폐 부재(150)가 설계되어 수평 온도 구배(GH)를 개선시켰다.
이하, 실리콘 단결정 잉곳(10)에서 고액 계면(160)의 중심(C)의 높이와 에지의 높이 차(Δh)에 따른 비저항 및 인상 속도를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 23a 내지 도 23c는 다양한 높이 차(Δh)를 나타내는 도면이다.
도 13에 예시된 열 차폐 부재(170)를 사용하는 기존의 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳은 도 23a에 도시된 바와 같이 -1의 높이 차(Δh)를 갖는다. 즉, 중심보다 가장 자리가 더 높다.
반면에, 도 13에 예시된 열 차폐 부재(150)를 사용하는 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳(10)은 도 23b 또는 도 23c에 도시된 바와 같이, 0 또는 +1의 높이 차(Δh)를 갖는다.
도 24a 및 도 24b는 높이 차에 따른 비저항 및 인상 속도 변화를 각각 나타내는 그래프로서, 도 24a 및 도 24b에서 횡축은 높이 차(Δh)를 나타내고, 도 24a에서 종축은 비저항을 나타내고, 도 24b에서 종축은 인상 속도를 나타낸다.
고액 계면(160)의 형상에 따라 중심에서의 비저항과 에지에서의 비저항 간의 편차는 도 24a에 도시된 바와 같이 기존(○)보다 본 실시 예(■)에 의할 경우 더 감소한다.
또한, 도 24b에 도시된 바와 같이 인상 속도가 기존(○)보다 본 실시 예(■)에 의할 경우 더 빨라 고액 계면(160)의 높이는 상승되면서 중심에서의 비저항이 더 낮아져서 RRG가 악화되는 경향을 나타낸다. 그러나, 실시 예에 의하면, 고액 계면(160)의 높이가 상승하더라도, 열 차폐 부재(150)를 예를 들어 도 5에 예시된 바와 같이 설계하여 전술한 확산 온도 영역을 확보하기 때문에, RRG를 개선시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 비저항을 감소시키기 위해 인상 속도를 증가하면, 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 산소의 농도도 제어될 수 있다. 이에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 25는 높이 차(Δh)에 따른 산소 농도를 나타내는 그래프로서, 횡축은 높이 차(Δh)를 나타내고 종축은 산소 농도를 각각 나타낸다.
도 25를 참조하면, 기존(○)의 경우 챔버 내부의 압력과, 도가니(110)의 회전 속도와, 종결정(144)의 인상 속도와, 자기장, 불활성 기체 등에 의해 실리콘 단결정 잉곳에 혼입되는 산소의 농도를 제어한다. 그러나, 챔버 내부의 압력이 어느 정도의 수준에 도달할 경우, 실리콘 용융액(SM) 표면의 온도가 증가하므로, 실리콘 단결정 성장이 어려울 수 있다.
반면에, 실시 예(■)에 의하면, 고액 계면(160)의 형상에 따라 실리콘 단결정 잉곳(10)에 혼입되는 산소 농도를 변화시킬 수 있다. 즉, 인상 속도를 제어하여 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되는 산소량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 인상 속도를 높여 실리콘 용융액(SM) 표면의 온도를 감소시킴으로써 도펀트와 결합하여 휘발되는 산소의 량을 감소시켜 잉곳(10)에 혼입되는 산소의 절대량을 증가시킨다.
도 26은 실시 예에 의한 실리콘 단결정 잉곳(10)의 수평 단면을 촬영한 사진을 나타낸다.
한편, 단순히 인상 속도만을 증가시켜 실리콘 단결정 잉곳을 고속으로 성장시킬 경우 플라워(flower)나 독렉(dogleg) 같은 이상 성장이 발생되어 공정 안정성이 낮아지고 생산성이 하락하며 온도 편차에 의한 표면 슬립이 발생할 수 있다.
그러나, 실시 예에 의하면, 인상 속도를 증가시키면서 열 차폐 부재(150)를 도 5에 도시된 바와 같이 설계하는 등 확산 온도 영역을 확보하기 때문에, 이상 성장이 발생되지 않아 공정 안정성이 높고 생산성이 증대하며 표면 슬립이 도 26에 예시된 바와 같이 제거될 수 있다.
전술한 실시 예에서와 같이, 수평 단면(32)의 가장 자리(E1, E2)와 중심부(C)에서의 비저항이 감소될 수 있기 때문에, 기존과 동일한 량의 저융점 도펀트가 실리콘 용융액에 투입되고 투입된 도펀트가 실리콘 단결정 잉곳(10)으로 혼입되어 실리콘 단결정 잉곳(10)의 비저항은 효과적으로 감소될 수 있어, 휘발 속도가 낮은 조건으로 제조 장치의 챔버 내부에 오염이 줄어들어 파티클 손실(particle loss)를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 실리콘 단결정 잉곳(10)이 성장되는 동안 인상 속도를 증가시켜, 도가니(110)에 담긴 실리콘 용융액(SM)의 표면 온도를 감소시킨다. 따라서, 실리콘 용융액(SM)으로부터 휘발되는 도펀트 산화물이 불활성 기체에 의해 제거되는 속도가 빠르더라도, 마니스커스(meniscus)의 움직임을 최소화할 수 있어, 위전위화(또는, 다결정화)가 일어나지 않는다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 실리콘 단결정 잉곳 20: 넥
22: 쇼율더 30: 바디
32: 수평 단면 40: 테일
100: 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 110: 도가니
120: 히터 130: 도기니 지지 샤프트
140: 인상부 142: 인상 와이어
144: 종결정 150, 170: 열 차폐 부재
152: 내주면 154: 저면
160: 고액 계면 180: 수냉관
182: 유동 공간 184: 배관

Claims (23)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법에 있어서,
    도가니에 담긴 실리콘 용융액에 종결정을 접촉시키는 단계; 및
    상기 종결정을 인상하여 고액 계면을 통해 상기 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 수평 단면상에서의 반경 방향으로의 비저항 편차 및 상기 수평 단면상에서의 비저항 중 적어도 하나를 감소시키도록 상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는
    상기 종결정을 인상하는 인상 속도를 증가시켜, 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 초기에 상기 고액 계면의 형상을 볼록하게 형성하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는
    상기 실리콘 단결정 잉곳의 길이별 상기 고액 계면의 형상들의 간격을 조정하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4 항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 초기는
    상기 실리콘 단결정 잉곳의 전체 길이의 10% 내지 30%가 성장될 때까지의 기간인 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  9. 제4 항에 있어서, 상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는
    상기 고액 계면의 형상을 플랫하게 형성시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제4 항에 있어서, 상기 인상 속도는 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min인 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  12. 제4 항에 있어서, 상기 고액 계면의 형상을 조정하는 단계는
    상기 고액 계면에 접해 성장되는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 하부에서 도펀트가 상기 반경 방향으로 확산되는 확산 온도 영역을 확보하는 단계를 더 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 인상 속도는 1.2 ㎜/min 내지 2 ㎜/min인 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 확산 온도 영역을 확보하는 단계는
    상기 실리콘 단결정 잉곳을 900 ℃ 내지 1250 ℃에서 냉각시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  15. 제4 항에 있어서, 상기 비저항 편차 및 상기 비저항 중 적어도 하나를 감소시키는 단계는
    상기 실리콘 단결정 잉곳으로 혼입되는 산소의 량을 조정하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
  16. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서,
    실리콘 용융액을 담는 도가니;
    상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에서 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 배치되어, 상기 실리콘 용융액으로부터의 복사열을 차단하는 열 차폐 부재; 및
    상기 도가니에 담긴 상기 실리콘 용융액에 접촉된 종결정을 인상하는 인상부를 포함하고,
    상기 인상부에서 상기 종결정을 인상하는 인상 속도 및 상기 열 차폐 부재의 형상 중 적어도 하나는 수평 단면상에서의 반경 방향으로의 비저항 편차 및 상기 수평 단면상에서의 비저항 중 적어도 하나를 감소시키도록 결정되고,
    상기 인상부는 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 초기에 상기 인상 속도를 증가시켜 고액 계면의 형상을 볼록하게 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  17. 삭제
  18. 제16 항에 있어서, 상기 인상부는
    상기 인상 속도를 1.0 ㎜/min 내지 1.3 ㎜/min로 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  19. 제16 항에 있어서, 상기 열 차폐 부재는
    상기 실리콘 단결정 잉곳을 향해 돌출되며, 상부와 하부에서 서로 다른 온도차를 갖는 내주면을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 인상부는
    상기 인상 속도를 1.2 ㎜/min 내지 2 ㎜/min로 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 온도차는 900 ℃ 내지 1350 ℃인 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  22. 제16 항에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장되는 경로 상에 배치되어, 냉각수의 유동 공간을 갖는 수냉관을 더 포함하고,
    상기 수냉관은 상기 실리콘 용융액의 표면으로부터 적어도 소정 거리만큼 이격된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  23. 제16 항에 있어서, 상기 열 차폐 부재와 상기 실리콘 용융액의 표면은 10 ㎜ 내지 30 ㎜ 만큼 이격된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
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