KR101777004B1

KR101777004B1 - 단결정 잉곳의 비저항 산출방법

Info

Publication number: KR101777004B1
Application number: KR1020150106957A
Authority: KR
Inventors: 강종민; 송도원; 채계정
Original assignee: 에스케이실트론 주식회사
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-09-12
Also published as: KR20170014114A

Abstract

본 발명은 도펀트 투입량에 따라 비저항을 정확하게 산출할 수 있는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법에 관한 것이다.
본 발명은 실리콘 융액이 담긴 도가니에 소정의 편석계수를 가진 휘발성 도펀트를 소정량 투입하고, 실리콘 융액으로부터 초크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 잉곳의 바디가 성장되기 직전 초기 시점에 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출하는 제1단계; 상기 잉곳의 바디가 성장되는 중 특정 시점에 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 제2단계; 상기 제1,2단계에서 산출된 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산한 도펀트의 총 휘발량(E_Total)과 도펀트의 투입량(A) 및 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 특정 시점에 잉곳의 비저항을 산출하는 제3단계;를 더 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법을 제공한다.

Description

단결정 잉곳의 비저항 산출방법 {How to calculate the specific resistance of the single crystal ingot}

본 발명은 도펀트 투입량에 따라 비저항을 정확하게 산출할 수 있는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법으로 초크랄스키법이 가장 많이 사용되고 있다.

초크랄스키법에 의한 단결정 잉곳을 성장시키는 과정을 살펴보면, 도가니에 원료인 다결정 실리콘를 용융시킨 다음, 실리콘 융액에 종자 결정을 담근 상태에서 서서히 회전시키는 동시에 인상시키면, 종자결정으로부터 결정이 성장됨에 따라 단결정 잉곳이 성장된된다.

이때, 단겨정 잉곳은 초기에 직경이 아주 얇은 넥이 형성된 다음, 직경이 목표 직경까지 점차 커지는 숄더가 형성되고, 원하는 직경의 바디가 길이 방향으로 길게 형성된다.

이와 같이 제조된 단결정 잉곳의 바디를 얇게 잘라 복수개의 웨이퍼를 만들게 되는데, 웨이퍼의 전기적 특성을 조절하기 위하여 단결정 잉곳을 성장시키기 전에 비소, 붕소, 인 등과 같은 도펀트(dopant)가 미량 투입된다.

물론, 도펀트의 투입 양에 따라 실리콘 잉곳 내부의 도펀트 농도가 달라지며, 그에 따라 실리콘 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼마다 상이한 전기적 특성을 나타낼 수 있기 때문에 도펀트는 정확한 양만큼 실리콘 융액에 투입되어야 한다.

한편, 도펀트는 고유의 유효 편석계수(Segregation Coefficient)를 갖고 있으며, 편석계수는 단결정 잉곳이 성장되는 동안 실리콘 용액 내에 존재하는 도펀트의 양에 대한 고체 내에 존재하는 도펀트의 양을 비율로 나타낸 것이다.

종래에는 도펀트의 편석계수를 고려하여 단결정 잉곳의 비저항을 산출하고, 그 산출 결과에 따라 다음 공정에서 도펀트의 투입량을 결정하고 있다.

그런데, 휘발성 도펀트를 사용할 경우, 휘발성 도펀트는 실리콘 융액보다 끓는 점이 낮기 때문에 단결정 잉곳의 바디가 성장하기 전 많은 량의 도펀트가 휘발되고, 실제 단결정 잉곳의 바디에 잔류하는 도펀트의 량에 따라 저항율이 결정된다.

따라서, 휘발성 도펀트를 사용한 단결정 잉곳의 비저항을 정확하게 예측하기 어렵고, 이후에 단결정 잉곳 성장 공정에서 도펀트 투입량을 정확하게 결정하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 도펀트의 휘발량과 도펀트의 투입량 및 도펀트의 편석 계수를 고려하여 비저항을 정확하게 산출할 수 있는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 실리콘 융액이 담긴 도가니에 소정의 편석계수를 가진 휘발성 도펀트를 소정량 투입하고, 실리콘 융액으로부터 초크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 잉곳의 바디가 성장되기 직전 초기 시점에 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출하는 제1단계; 상기 잉곳의 바디가 성장되는 중 특정 시점에 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 제2단계; 상기 제1,2단계에서 산출된 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산한 도펀트의 총 휘발량(E_Total)과 도펀트의 투입량(A) 및 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 특정 시점에 잉곳의 비저항을 산출하는 제3단계;를 더 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법을 제공한다.

본 발명에 따른 단결정 잉곳의 비저항 산출방법은 잉곳의 바디가 성장되기 직전 초기 시점에 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 잉곳의 바디가 성장되는 중 특정 시점에 도펀트 휘발량(E)을 각각 산출한 다음, 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산한 도펀트의 총 휘발량(E_Total)과 도펀트의 투입량(A) 및 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 특정 시점에 잉곳의 비저항을 산출함으로써, 휘발성 도펀트를 사용하더라도 도펀트의 휘발량을 고려하여 단결정 잉곳의 비저항을 정확하게 예측할 수 있다.

따라서, 잉곳 성장 공정에서 요구되는 목표 비저항에 적합한 도펀트 투입량을 설정할 수 있고, 도펀트 투입량에 따라 단결정 잉곳의 비저항을 정확하게 제어할 수 있으며, 나아가 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 비저항 측정방법이 도시된 순서도.
도 3은 본 발명에 따라 산출된 도펀트 휘발량과 실제 측정한 실리콘 융액의 도펀트 농도를 비교한 결과가 도시된 그래프.
도 4는 본 발명에 따라 예상된 잉곳의 비저항과 실제 측정한 잉곳의 비저항을 비교한 결과가 도시된 그래프.
도 5는 종래와 본 발명의 실시예들에 따라 각각 예상된 잉곳의 비저항과 실제 측정한 잉곳의 비저항을 비교한 결과가 도시된 그래프.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 도면이다.

본 발명의 단결정 잉곳 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(110) 내측에 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키기 위하여 도가니(120)와 히터(130) 및 냉각부재(140)가 구비되며, 별도의 제어부(150)에 의해 그 작동이 제어된다.

상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하며, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착된다.

이때, 상기 챔버(110)의 상측에서 하측 방향으로 Ar 등과 같은 불활성 기체가 유동시키도록 구성되고, 상기 제어부(150)가 불활성 기체의 유량 및 유속을 제어할 수 있다.

또한, 상기 챔버(110) 상측에는 종자결정이 매달리는 시드 케이블(W) 및 상기 시드 케이블(W)이 감긴 드럼(D)이 구비되고, 상기 제어부(150)가 상기 드럼(D)의 작동을 조절하여 인상속도를 제어할 수 있다.

상기 도가니(120)는 고체 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 상기 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치된다. 이때, 상기 도가니(120)는 불순물의 유입을 차단하는 동시에 고온 하에서도 견딜 수 있도록 석영 도가니와 흑연 도가니가 겹쳐진 형태로 구성된다.

이때, 상기 도가니(120)의 하측에는 상기 도가니(120)를 회전시키는 도가니 구동부(121)가 구비되며, 상기 제어부(150)가 상기 도가니 구동부(121)의 작동을 조절하여 상기 도가니(120)의 회전속도를 제어할 수 있다.

상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열함에 따라 상기 도가니(120)에 담긴 폴리 형태의 원료를 실리콘 융액으로 액화시키며, 마찬가지로 상기 제어부(150)가 상기 히터(130)의 작동을 조절하여 상기 챔버(110) 내부의 온도를 제어할 수 있다.

상기 냉각부재(140)는 고온의 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG)을 바로 냉각시키기 위하여 구비되는데, 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG) 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 설치된다.

상기 제어부(150)는 상기에서 설명한 잉곳의 인상속도, 도가니(120)의 회전속도, 챔버(110) 내부의 온도 및 압력 등과 같은 잉곳(IG)의 성장 환경을 조절할 수 있으며, 그에 따라 잉곳(IG)의 품질이 좌우될 수 있다.

실시예에서, 잉곳(IG)의 비저항을 제어하기 위하여 도펀트 투입량(A)을 조절할 수 있으며, 도펀트 투입량(A)에 따라 휘발량을 고려하여 잉곳의 비저항을 정확하게 예측하는 방법을 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

이때, 도펀트는 여러 가지가 적용될 수 있지만, 실리콘 융액보다 끓는 점이 낮은 As, P, Sb 와 같이 휘발성이 높은 도펀트가 적용되는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 비저항 산출방법이 도시된 순서도이다.

본 발명의 단결정 잉곳의 비저항 산출방법은 도 2에 도시된 바와 같이 잉곳의 바디가 성장하기 직전 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출한다.(S1 참조)

보통, 잉곳 성장 공정은 넥 공정과 숄더링 공정과 바디 공정과 테일링 공정을 순차적으로 거치게 되는데, 잉곳의 바디를 얇게 잘라 웨이퍼를 만들게 되며, 잉곳의 바디에 포함된 도펀트의 량에 따라 웨이퍼의 품질이 결정된다.

그런데, 실리콘 융액에 소정량의 휘발성 도펀트를 투입하지만, 바디 공정이 진행되기 전 넥 공정과 숄더링 공정이 진행되는 중에 도펀트가 휘발하게 된다.

따라서, 단결정 잉곳의 비저항을 산출하기 위하여 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 고려하는 것이 필요하며, 이러한 도펀트의 초기 휘발량(Eo)은 잉곳의 바디가 성장되기 직전에 잉곳의 저항을 직접 측정한 저항으로부터 산출할 수 있다.

상세하게, 잉곳의 바디가 성장되기 직전 잉곳의 비저항(Ro)을 직접 측정하고, 측정된 비저항(Ro)으로부터 잉곳의 도펀트 농도(Xs)를 산출하면, 잉곳의 도펀트 농도(Xs)와 도펀트의 편석계수(k_eff)를 고려하여 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl)를 산출할 수 있다.

한편, 잉곳 성장 공정을 위하여 투입되는 도펀트 투입량(A)은 잉곳에 포함된 도펀트 양과 실리콘 융액에 포함된 도펀트 양 및 도펀트의 휘발량을 합산한 것으로 볼 수 있다.

따라서, 잉곳의 바디가 성장되기 직전에 상기에서 산출된 잉곳의 도펀트 농도(Xo)와 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl)를 도펀트 투입량(A)과 함께 고려하여 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출할 수 있다.

다음, 잉곳의 바디가 성장되는 중 도펀트의 휘발량(E)을 산출한다.(S2 참조)

잉곳의 바디가 성장되면, 도펀트의 휘발량(E)은 잉곳 성장 공정의 조건에 따라 영향을 받게 되며, 잉곳의 직경에 대한 도가니의 면적 비율(δ), 도가니 내부 면적에 대한 초기 실리콘 융액의 부피 비율(B), 잉곳이 성장되는 온도(T) 및 압력(Pt), 인상속도(P), 실리콘의 액상에 대한 고상의 밀도 비율(ξ), 도펀트의 종류에 따라 분자량(M) 및 편석계수(k_eff) 등에 의해 가변될 수 있다.

실시예에서, 잉곳의 바디가 성장되는 중 도펀트의 휘발량(E)은 상기와 같은 조건을 고려하여 하기의 [수학식 1]에 의해 산출할 수 있다.

이때, M은 도펀트의 분자량, R은 기체 상수, T는 잉곳의 성장온도, Pt는 잉곳의 성장 중 챔버 내부의 압력, P는 잉곳의 인상속도, δ는 잉곳 직경에 대한 도가니의 면적 비율, ξ은 실리콘의 액상에 대한 고상의 밀도 비율, Xl은 비저항이 측정되는 시점에 실리콘 융액 내부의 도펀트 농도, Xo는 초기에 실리콘 융액 내부의 도펀트 농도, B는 도가니 내부 면적에 대한 초기 실리콘 융액의 부피 비율, time은 도펀트 투입 후부터 비저항이 측정될 때까지 경과 시간, k_eff는 도펀트의 유효편석계수이다.

다음, 도펀트의 총 휘발량(E_Total)을 고려하여 잉곳의 비저항을 산출한다.(S3 참조)

물론, 도펀트의 총 휘발량(E_Total)은 상기에서 산출한 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산하여 산출할 수 있다.

이와 같이 산출된 도펀트의 총 휘발량(E_Total)을 도펀트의 투입량에서 빼면, 잉곳과 실리콘 융액에 포함된 도펀트 양을 산출할 수 있는데, 잉곳과 실리콘 융액에 포함된 도펀트 양과 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 잉곳의 도펀트 농도(Xo)와 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl)로 산출한 다음, 잉곳의 도펀트 농도(Xo)에 따라 비저항을 산출할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따라 산출된 도펀트 휘발량과 실제 측정한 실리콘 융액의 도펀트 농도를 비교한 결과가 도시된 그래프이다.

본 발명에 따라 잉곳의 바디가 성장되는 중 도펀트의 휘발량을 상기의 [수학식 1]에 의해 산출한 것이고, 실리콘 융액의 도펀트 농도는 실제 잉곳의 비저항을 측정하여 잉곳의 도펀트 농도로 환산한 다음, 잉곳의 도펀트 농도를 도펀트의 편석계수를 고려하여 실리콘 융액의 도펀트 농도로 산출한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 도펀트의 휘발량과 실리콘 융액의 도펀트 농도를 비교한 결과를 살펴보면, R² 값이 9 이상으로 신뢰도가 90% 이상으로 나타난 것을 볼 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 예상된 잉곳의 비저항과 실제 측정한 잉곳의 비저항을 비교한 결과가 도시된 그래프이다.

본 발명에 따라 단결정 잉곳의 비저항 산출방법에 따라 도펀트의 총 휘발량을 고려하여 예상된 잉곳의 비저항은 실체 측정한 잉곳의 비저항과 같이 잉곳의 길이 방향으로 유사한 값을 나타내며, 그 결과 본 발명에 따라 예상된 잉곳의 비저항이 정확한 것으로 볼 수 있다.

도 5는 종래와 본 발명의 실시예들에 따라 각각 예상된 잉곳의 비저항과 실제 측정한 잉곳의 비저항을 비교한 결과가 도시된 그래프이다.

비교예는 종래 기술에 따라 편석계수만 고려하여 잉곳의 비저항을 산출한 것인 반면, 실시예1~3은 본 발명에 따라 도펀트의 총 휘발량을 고려하여 잉곳의 비저항을 산출한 것이다.

이때, 목표 저항 0.000325Ωcm 을 기준으로 도펀트의 투입량은 1000g인 경우, 비교예와 실시예1~3에서 각각 예상 비저항과 실제 비저항의 오차를 비교한 결과이다.

도 5에 도시된 바와 같이 비교예에서 예상 비저항과 실제 비저항의 오차는 0.00025Ωcm으로 도펀트의 투입량 대비 비저항의 정확도가 떨어지는 반면, 실시예1~3에서 예상 비저항과 실제 비저항의 오차는 0.000066Ωcm, 0.000043Ωcm, 0.000074Ωcm으로 도펀트의 투입량 대비 비저항의 정확도가 향상된 것을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 비저항 산출방법을 적용하면, 도펀트의 투입량에 따라 도펀트의 휘발량을 고려하여 정확한 잉곳의 비저항을 예측할 수 있고, 그에 따라 목표 비저항에 따라 적합한 도펀트 투입량을 결정하여 잉곳의 비저항을 보다 정확하게 제어할 수 있다.

110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 냉각부재
150 : 제어부

Claims

실리콘 융액이 담긴 도가니에 소정의 편석계수를 가진 휘발성 도펀트를 소정량 투입하고, 실리콘 융액으로부터 초크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
상기 잉곳의 바디가 성장되기 직전 초기 시점에 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출하는 제1단계;
상기 잉곳의 바디가 성장되는 중 특정 시점에 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 제2단계;
상기 제1,2단계에서 산출된 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산한 도펀트의 총 휘발량(E_Total)과 도펀트의 투입량(A) 및 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 특정 시점에 잉곳의 비저항을 산출하는 제3단계;를 더 포함하고,
상기 제1단계는,
상기 잉곳의 바디가 성장되기 직전 비저항(Ro)을 측정하는 제1과정과,
상기 제1과정에서 측정된 비저항(Ro)으로부터 잉곳의 바디가 성장되기 직전에 잉곳의 도펀트 농도(Xs)를 산출하는 제2과정과,
상기 제2과정에서 산출된 잉곳의 도펀트 농도(Xs)와 도펀트의 편석계수(k_eff)를 고려하여 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl)를 산출하는 제3과정과,
상기 제2,3과정에서 산출된 잉곳의 도펀트 농도(Xo)와 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl) 및 도펀트 투입량(A)을 고려하여 도펀트의 초기 휘발량(Eo)을 산출하는 제4과정을 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 잉곳의 직경에 대한 도가니의 면적 비율(δ)과 상기 도가니 내부 면적에 대한 초기 실리콘 융액의 부피 비율(B)을 고려하여 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 잉곳이 성장되는 온도(T), 압력(Pt), 인상속도(P) 및 상기 실리콘의 액상에 대한 고상의 밀도 비율(ξ)을 고려하여 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 도펀트의 종류에 따라 분자량(M)과 편석계수(k_eff)를 고려하여 도펀트의 휘발량(E)을 산출하는 과정을 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 도펀트의 분자량을 M, 기체 상수를 R, 잉곳의 성장온도를 T, 잉곳의 성장 중 챔버 내부의 압력을 Pt, 잉곳의 인상속도를 P, 잉곳 직경에 대한 도가니의 면적 비율을 δ, 실리콘의 액상에 대한 고상의 밀도 비율을 ξ, 비저항이 측정되는 시점에 실리콘 융액 내부의 도펀트 농도를 Xl, 초기에 실리콘 융액 내부의 도펀트 농도를 Xo, 도가니 내부 면적에 대한 초기 실리콘 융액의 부피 비율을 B, 도펀트 투입 후부터 비저항이 측정될 때까지 경과 시간을 time, 도펀트의 유효편석계수를 k_eff로 나타낼 때,
상기 도펀트의 휘발량(E)을 하기식에 의해 산출하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 도펀트의 초기 휘발량(Eo)과 도펀트의 휘발량(E)을 합산하여 도펀트의 총 휘발량(E_Total)을 산출하는 제1과정과,
상기 제1과정에서 산출한 도펀트의 총 휘발량(E_Total)과 도펀트의 투입량(A) 및 도펀트의 편석 계수(k_eff)를 고려하여 특정 시점에 잉곳의 도펀트 농도(Xo)와 실리콘 융액의 도펀트 농도(Xl)을 산출하는 제2과정과,
상기 제2과정에서 산출된 잉곳의 도펀트 농도(Xo)에 따라 비저항을 산출하는 제3과정을 포함하는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 도펀트는 실리콘보다 끓는 점이 낮은 As, P, Sb 중 하나로 구성되는 단결정 잉곳의 비저항 산출방법.