KR101741101B1 - 실리콘 단결정 잉곳 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

실시예는 고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법에 있어서, 도펀트를 1.0E+18개/cm² 내지 1.0E+19개/cm² 의 농도고 도핑하고, 자기장을 5 밀리미터/분 내지 10 밀리미터/분의 속도로 이동하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법을 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳 및 그 제조방법{SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

실시예는 실리콘 단결정 잉곳 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도의 도펀트가 도핑된 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장 중 극초반기의 비저항의 균일화를 위한 것이다.

통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 방지하기 위해 그 외주부를 가공하는 그라인딩(Grinding) 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 상기 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 연마하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.

반도체 디바이스의 집적도가 꾸준히 증가함에 따라 반도체 디바이스 제조업체에서 요구하는 웨이퍼의 품질 수준이 향상되고 있다. 웨이퍼의 주요 품질 특성 인자 중 비저항(Resistivity) 특성은 CZ(쵸크랄스키)법을 이용한 단결정 성장 시 고액 계면을 통해 단결정 내에 유입되는 불순물의 농도에 의해 결정되는데, 웨이퍼의 반경방향으로 균일성을 유지하는 것이 중요하다. 단결정의 반경 방향에서 비저항 특성의 편차가 존재하면 웨이퍼에 형성하는 반도체 소자의 전기적 특성(예컨대, 누설전류)이 달라져 디바이스의 수율이 저하되기 때문이다.

웨이퍼의 비저항 특성에 대한 평가 척도로는 RRG(Radial Resistivity Gradient)를 사용한다. RRG는 웨이퍼의 중심부와 4지점의 엣지부에서 측정한 비저항 값을 이용하여 계산한다.

종래의 기술에서는 RRG(%)를 개선하기 위해 석영 도가니의 회전을 상승시키거나 혹은 자기장을 이용하여 대류 패턴을 제어하는 방법을 이용하거나, 전자 이동도(mobility) 향상을 위해 전자 이동도가 높은 물질, 예를 들어 저융점 도펀트를 단결정 성장시 도펀트(Dopant)로 투입하였다.

P-타입의 도펀트로 B(보론)이, N-타입의 도펀트로 As(비소), P(인), Sb(안티몬) 등이 사용될 수 있는데, 실리콘 용융액 내에서 생성되어 융액 표면으로 휘발되는 산소와 급속한 반응을 일으켜 중심부의 비저항과 바깥쪽의 비저항의 차이를 야기하게 된다.

도 1a는 도펀트 타입별 비저항 분포를 나타낸 도면이고, 도 1b는 결정 축 성장 방향으로의 비저항 분포를 나타낸 도면이다.

도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 성장 극초반에서 비저항 분포가 실리콘 단결정 잉곳의 직경 방향으로 고르지 않을 수 있다.

도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장 중 극초반에 나타나는 스펙 아웃을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳 중 바디의 성장 극초반에서 비저항이 스펙에서 벗어하는 스펙 아웃이 발생할 수 있다.

종래의 기술의 경우 석영 도가니의 회전을 증가시켜 단결정의 중심부와 외곽부분의 비저항 차이를 감소시켰으나, 역효과적인 측면으로 크리스토발라이트 생성이 촉진되어 득률에 이롭지 않았다.

종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법은, 고휘발성 도펀트가 도핑된 제품에 국한하여, 불활성 가스와 압력을 이용하여 단결정 중심부와 외곽 부분의 비저항 차이를 감소시켰으나, 감소되는 한계가 있어 득률에 이롭지 않았다.

실시예는 고농도 도펀트가 도핑된 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장 중 극초반기에서 면내 방향(radial)으로 비저항의 균일도를 향상시키고자 한다.

실시예는 고휘발성 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법에 있어서, 도펀트를 1.0E+18개/cm² 내지 1.0E+19개/cm² 의 농도로 도핑하고, 자기장을 5 밀리미터/분 내지 10 밀리미터/분의 속도로 이동하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법을 제공한다.

도펀트는 보론(Boron)일 수 있다.

최대 가우스 지점(Maximum Gauss Position)을 38.5 밀리미터 내지 98.5 밀리미터일 수 있다.

결정 계면의 높이를 -1 밀리미터 내지 3 밀리미터일 수 있다.

바디의 직경이 50 밀리미터보다 작은 극초반에 적용될 수 있다.

다른 실시예는 상술한 방법으로 제조되고, RRG(Resistivity Radial Gradient)가 3% 이하인 실리콘 단결정 잉곳을 제공한다.

실시예에 따른 제조방법으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 바디의 직경이 50 밀리이하인 구간에서 RRG를 3% 이하일 수 있다.

도 1a는 도펀트 타입별 비저항 분포를 나타낸 도면이고,
도 1b는 결정 축 성장 방향으로의 비저항 분포를 나타낸 도면이고,
도 2는 실리콘 단결정 잉곳의 바디 성장 중 극초반에 나타나는 스펙 아웃을 나타낸 도면이고,
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 나타낸 도면이고,
도 4a와 도 4b는 바디 성장 초반의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면을 나타낸 도면이고,
도 5a와 도 5b는 각각 바디 성장 중반 이후의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면을 나타낸 도면이고,
도 6은 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 최대 가우스 지점(Maximum Gauss Position)의 이동을 나타낸 도면이다.

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.

본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조 장치를 나타낸 도면이다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(150) 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) 및 종자결정(152)이 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.

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

챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.

실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 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(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대는 회전축(미도시) 상에 고정 설치되고, 이 회전축은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

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

실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)([0031] 152)을 실리콘 융액에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.

쵸크랄스키법을 상세히 설명하면 아래와 같다.

종자결정(152)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디 그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디 그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중 특히, P-타입의 도펀트인 B(보론)이, N-타입의 도펀트인 As(비소), P(인), Sb(안티몬) 등을 사용할 경우 단결정 성장 중 단결정 중심부와 외곽부의 비저항 차이를 비저항의 변화없이 효과적으로 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조방법을 제공하고자 한다.

도 4a와 도 4b는 바디 성장 초반의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면을 나타낸 도면이고, 도 5a와 도 5b는 각각 바디 성장 중반 이후의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면을 나타낸 도면이다.

바디(body) 길이가 100 밀리미터 이내의 극초반은 숄더(shoulder) 공정의 영향을 많이 받을 수 있다. 숄더 내지 바디의 성장 중 극초반 구간에서는 실리콘 단결정 잉곳의 계면이 컨벡스(Convex)하며, 이후에는 실리콘 단결정 잉곳의 계면이 컨케이브(Concave)할 수 있다. 여기서 '계면'은 실리콘 단결정 잉곳과 실리콘 용융액의 경계면을 뜻한다.

숄더의 성장은 실리콘 단결정 잉곳의 횡성장이 일어나는 구간으로 수평 구간 대비 수직 구간으로 열이 많이 방출되어, 에지(edge) 부분에 대비하여 중앙 부분이 결정화되는 속도가 빠르므로 계면이 컨벡스할 수 있다. 상술한 계면은 바디의 성장 초반까지 계속되다가, 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 성장이 진행되면 도 5b의 차폐물(b)에 의하여 중앙 부분에 대비하여 에지 부분이 결정화되는 속도가 빠르므로 계면이 컨벡스해질 수 있다.

상술한 바와 같이 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 열이력의 차이로 인하여 중앙 부분과 에지 부분의 성장 속도가 다르고, 이로 인하여 RRG가 커질 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 실시예에서는 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에, 특히 바디의 직경 50 밀리미터 이전의 성장시에 공정 제어를 통하여 RRG를 줄일 수 있으며, 도펀트 예를 들면 보론(Boron)을 1.0E+18개/cm² 내지 1.0E+19개/cm² 의 농도로 도핑하고, 자기장을 5 밀리미터/분 내지 10 밀리미터/분의 속도로 이동할 수 있다.

자기장의 이동 속도(moving speed)를 5 밀리미터/분 미만으로 설정하면 자기장이 원하는 지점에 도달하는 속도가 저하되어 RRG를 개선하기 어려울 수 있고, 자기장의 이동 속도가 10 밀리미터/분을 초과하면 실리콘 단결정 잉곳 성장 중 계면의 진동(vibration)이 커서 RRG가 커질 수 있다.

그리고, 최대 가우스 지점(Maximum Gauss Position)을 38.5 밀리미터 내지 98.5 밀리미터로 할 수 있다.

도 6은 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 최대 가우스 지점(Maximum Gauss Position)의 이동을 나타낸 도면이다. 도 6에서 최대 가우스 지점(MGP)는 도가니 내부의 영역인 'A'와 상부 챔버의 영역인 'B'의 경계면의 상하로 이동할 수 있는데, MGP는 상술한 경계면으로부터 'A' 방향으로 38.5 밀리미터 그리고, 'B' 방향으로 98.5 밀리미터의 범위 내에서 이동할 수 있다.

MGP가 상술한 경계면으로부터 'A' 방향으로 38.5 밀리미터보다 더 진행할 경우, 실리콘 용융액(Melt)의 링(ring) COP이 발생할 수 있고, RRG가 커질 수 있다.

MGP가 상술한 경계면으로부터 'B' 방향으로 98.5 밀리미터보다 더 진행할 경우, COP 빈도는 낮으나 실리콘 용융액의 온도 구배가 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

그리고, 결정 계면의 높이는 -1 밀리미터 내지 3 밀리미터의 범위 내에서 변동할 수 있는데, 결정 계면이라 함은 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 경계에 해당하는 수평면을 뜻한다.

상술한 공정으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 바디의 직경이 50 밀리이하인 구간에서 RRG를 3% 이하로 제어할 수 있다.

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.

100: 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치
110: 챔버 120: 도가니
130: 히터 150: 인상 수단
152: 종자결정

Claims (6)

1. 쵸크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법에 있어서,
   종자 결정으로부터 목부를 성장시키는 네킹 공정과, 숄더링 공정과 바디 그로잉 공정 및 테일링 공정을 포함하고,
   실리콘 융액 내에 도펀트를 1.0E+18개/cm² 내지 1.0E+19개/cm² 의 농도로 도핑하고, 상기 바디 그로잉 공정에서 바디의 직경이 50 밀리미터보다 작은 구간에서 자기장을 5 밀리미터/분 내지 10 밀리미터/분의 속도로 이동하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 도펀트는 보론(Boron)인 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
3. 제1 항에 있어서,
   최대 가우스 지점(Maximum Gauss Position)을 38.5 밀리미터 내지 98.5 밀리미터로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 실리콘 융액과 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 경계인 결정 계면의 높이를 -1 밀리미터 내지 3 밀리미터로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법.
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