KR20010070619A

KR20010070619A - 중성자 변환 도핑을 위한 저항 안정화 열처리 기술

Info

Publication number: KR20010070619A
Application number: KR1020010029338A
Authority: KR
Inventors: 류근걸; 이운섭
Original assignee: 류근걸
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2001-07-27

Abstract

본 발명은 에프지(FZ) 실리콘에 중성자를 조사하면 원자번호 30인 실리콘(Si)이 원자번호 31인 실리콘(Si)으로 변환되고, 이 불안정한 실리콘원자는 2.6시간의 반감기를 갖고 감쇄(Decay) 되면서 인(P)으로 변하게 되어 전도도를 갖는다. 이와 같은 방법을 중성자 변환 도핑법(NTD : Neutron Transmutation Doping) 이라 하는데, 이때 생성된 인(P)은 매우 균일한 도펀트(Dopant) 농도 분포를 갖게 되며 이를 위해서는 중성자 조사에 의해 생성된 점결함을 제거하는 열처리(Annealing)가 필요하다. 따라서 본 발명은 중성자 조사 후 에프지(FZ) 실리콘이 균일한 저항 분포를 갖기 위한 열처리 방법에 관한 것으로, 특히 하나로 원자로를 위한 중성자 조사 후 열처리 방법으로 중성자 조사에 의해 생성되는 점결함을 제거하여 실리콘 전체에 걸친 균일한 저항을 얻기 위해 필요한 열처리 온도와 시간을 규명한 것이다.

본 발명은 이를 위해 저항값이 1000 ∼ 2000 Ω㎝인 고저항 에프지(FZ) 웨이퍼(n-type, (100))를 준비하고, 도 2와 같은 특성을 갖는 전리수를 이용하여 전통적 반도체 세정(RCA 세정)을 대체하는 전리수세정(전해질 - NH₄Cl, pH 4.7 이하, ORP 1100 ㎷ 이상)을 하고, 이 웨이퍼를 하나로 원자로 에이취티에스(HTS) 조사공에서 8.3시간 및 33시간 중성자 조사한 후, 다시 전리수세정하고 질소(N₂) 분위기에서 800℃-30분간 열처리(Annealing)하여 균일한 저항 분포와 점결함의 제거 효과를얻을 수 있는 방법을 제시한다.

본 발명에서와 같이 중성자 조사에 의한 균일한 도펀트(Dopant) 농도 분포를 갖는 무결함 실리콘 제조를 위해서는 열처리 온도와 시간이 가장 중요하다 하겠다. 본 발명은 도 1과 같이 하나로 원자로를 이용한 중성자 변환 도핑을 위한 적절한 열처리 방법으로 효과적인 점결함 제거와 균일한 저항 분포를 얻을 수 있다.

Description

중성자 변환 도핑을 위한 저항 안정화 열처리 기술 {Annealing technology to stabilize resistivity for neutron transmutation doping}

본 발명은 중성자 변환 도핑법에 의한 균일한 저항 분포를 갖는 실리콘 제조를 위한 열처리 처리 방법에 관한 것이다.

보통 반도체 재료들에서의 전기적 캐리어들(electrons and holes)은 주기율표 상에서 인접 원자 그룹들의 원자들이 반도체 재료 내에서 불순물 중심으로 존재함으로써 생성된다. 예를 들어 4족 반도체 원소인 실리콘(Si)의 경우 3족(B 등)과 5족(P 등)이 도핑(doping)되어 전기적 캐리어(carrier)들을 만들어준다. 이런 캐리어(carrier)들은 핵입자(deuterons, protons, neutrons or alpha particles)를 반도체 재료에 조사함으로써 생산되는 핵변환 반응들에 의해 생성될 수 있다고 예상되어진다. 이 반응들은 거의 일정하게 원재료보다 하나 많은 원자번호의 새로운 재료를 생산한다. 실리콘 웨이퍼의 경우, 중성자를 조사함으로써 핵변환 반응을 통해 인을 생성시켜 n-type 실리콘을 제조할 수 있다. 그 핵변환 반응식은 다음과 같다.

열중성자가 원자번호 30인 실리콘원자에 조사되면 원자번호 31의 실리콘으로 전환된다. 이 불안정한 실리콘원자는 2.6시간의 반감기를 갖고 감쇠(decay)되면서 인(P)으로 변하게 되어 전자가 전도를 주도하는(n-type) 실리콘이 된다. 이 방법으로 제조된 실리콘의 가장 큰 장점은 전통적인 초크랄스키(CZ) 방법으로 생산되는 실리콘이 그 생산공정의 한계로 인한 저항분포도에 비하여 매우 균일한 저항 분포를 갖는다는 것이다.

그러나 중성자 조사에 의한 결정의 손상이 예상된다. 이의 점결함은 불활성 분위기에서 약 700℃ ∼ 900℃로 열처리하여 소멸시킬 수 있다고 알려져 있으나, 정확한 온도와 시간은 제시되어 있지 않을 뿐 만 아니라 각각의 원자로 특성에 따라 그 열처리 조건이 변화된다.

따라서, 본 발명의 목적은 하나로 원자로를 이용하여 균일한 저항 분포와 무결정결함을 갖는 중성자 변환 도핑된 실리콘 생산을 위해, 적절한 열처리 조건을 확립하는데 있다.

도 1은 중성자 조사된 실리콘의 열처리 시간에 따른 농도와 저항의 변화 그래프

도 2는 전리수의 특성 그래프 (전해질 - NH₄Cl, pH 4.7, ORP 1100 ㎷)

도 3는 중성자 조사된 실리콘의 열처리 전후 도펀트(Dopant) 농도의 변화 그래프.

도 4은 중성자 조사된 실리콘의 열처리 전후 저항의 변화 그래프.

도 5은 중성자 조사된 실리콘의 열처리 전후 적외선측정(FTIR) 결과 그래프

도 6는 중성자 조사된 실리콘의 열처리 후 깊은 준위 불순물 측정(DLTS) 결과 그래프

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 실리콘에 중성자를 조사한 후, 질소(N) 분위기에서 800 ±10℃ 및 30분 ±5분 이내의 조건으로 열처리하는 것을 특징으로 하는, 균일한 저항 분포를 갖는 실리콘 제조를 위한 열처리 방법을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명에 의한 열처리 조건은 800℃에서 30분간 열처리하는 것이다. 우선 고저항 에프(FZ) 실리콘을 하나로 원자로에서 원하는 저항을 얻기 위해 필요한 중성자 조사 시간만큼 조사한 후 전리수세정 공정을 거쳐 질소(N₂) 분위기에서 800℃ 30분 열처리 처리함으로써 균일한 저항 분포와 무결정결함 실리콘을 얻는 것이다.

또한, 본 발명은 실리콘에 중성자를 조사하기 전이나 후에 금속불순물을 제거하기 위해 NH₄Cl 전해질 사용 pH 4.7, 산화환원전위(ORP) 1100㎷ 의 특성을 가지는 전리수를 이용한 전리수 세정공정을 거치는 것을 특징으로 하는 열처리 방법을제공한다.

본 발명을 이용하여 중성자 변환 도핑된 실리콘을 열처리하면 균일한 저항 분포를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라, 점결함도 거의 없는 아주 우수한 실리콘을 얻을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 보다 상세한 이해를 위하여 본 발명의 실시예를 상술한다.

<실시예 1>

저항값이 1000 ∼ 2000 Ω㎝인 고저항 에프지(FZ) 웨이퍼(n-type, (100))를 준비하여 도 2의 특성을 갖는 전리수로 전리수세정(전리수 세정 - pH 4.7 이하, ORP 1100 이상)하고, 이 웨이퍼를 하나로 원자로 에이취티에스(HTS) 조사공에서 8.3시간 및 33시간 중성자 조사한 후, 다시 전리수세정하고 질소(N₂) 분위기에서 800℃ 30분 및 1시간 열처리하여 저항측정기(SRP : Spreading Resistance Probe)로 저항과 도펀트(Dopant) 농도의 변화를 관찰하였으며, 적외선 측정기(FT-IR)와 깊은 준위 불순물 측정기(DLTS : Deep Level Transient Spectroscopy)를 이용하여 점결함의 변화를 측정하였다.

도 3은 열처리 전과 30분 및 1시간 열처리 후 저항의 변화를, 도 4은 도펀트(Dopant) 농도 변화를 보여 주고 있다. 이 결과를 살펴보면 열처리 전에는 8.3시간 중성자 조사된 시편(이후 편의상 시편1로 통칭)에서는 7.7E3Ω㎝이고 33시간 중성자 조사된 시편(이후 편의상 시편2로 통칭)는 6.2E3Ω㎝정도로 매우 높은 저항을 보이고 있음을 알 수 있다. 이것은 중성자 조사 후 시편에 생성된 점결함이 그 원인일 것으로 생각되는데, 시편을 열처리함으로써 그 저항값이 시편1 3Ω㎝, 시편2 2.5Ω㎝ 정도로 급격히 낮아지는 것을 통해 점결함이 제거되었음을 확인할 수 있었다. 또한 도 4에서 보면 1시간 열처리한 시편의 저항이 30분 열처리한 시편보다 시편1, 시편2 모두에서 상승하고 있으며, 그 저항 분포도 매우 불균일한 형태를 보이고 있다.

이러한 저항과 도펀트(Dopant) 농도의 열처리 시간에 따른 변화를 도 1에서 쉽게 확인할 수 있다. 도 1을 보면 열처리 시간이 증가함에 따라 저항은 30분에서 최소를 보이고 1시간으로 열처리 시간이 증가하면서 조금씩 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 도펀트 농도의 경우는 그 반대 현상이 나타나고 있다. 따라서 중성자 조사 후 적절한 열처리 온도와 시간의 중요성을 보여주는 단적인 예라 하겠다. 이 결과를 근거로 하나로 원자로를 위한 중성자 조사 후 열처리 온도와 시간은 800℃에서 30분간이라는 결론을 얻을 수 있었다.

보다 정확하게 열처리에 의한 점결함의 제거 여부를 검증하기 위해 적외선 측정기와 깊은 준위 불순물 측정기의 결과를 도 5과 도 6에 나타냈다. 도 5을 보면 중성자가 조사되지 않은 시편에 비해 중성자가 조사된 시편이 매우 많은 점결함을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 열처리 후에 그 피크의 수와 강도가 현저히 감소하는 것으로 확인할 수 있다. 특히 1400 ∼ 1800 ㎝^-1에서 보여지던 많은 피크들이 열처리 후 크게 감소한 것이 확인되며, 1200㎝^-1, 1000㎝^-1, 970㎝^-1에서 보이던 피크는 거의 제거된 것으로 판단된다. 도 6은 깊은 준위에 존재하는 점결함을 측정한 결과이다. 이 결과를 통해 열처리 후 실리콘에는 단지 약 5.21E11/㎤ 정도의 점결함 농도를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 실리콘 웨이퍼의 최종 생산물에 존재하는 불순물 농도 수준으로 점결함 농도가 매우 낮아 점결함이 충분히 제거되었음을 확인할 수 있다.

본 발명과 같은 열처리 조건을 사용하면 하나로 원자로를 이용하여 중성자 변환 도핑된 실리콘을 생산할 때, 매우 균일한 저항 분포를 얻을 수 있을 것이고, 또한 점결함이 거의 없는 아주 우수한 실리콘을 얻을 수 있어 기판 재료로 사용 시 반도체 제조 불량률을 크게 줄일 수 있다.

Claims

실리콘에 중성자를 조사한 후, 질소(N) 분위기에서 800 ±10℃ 및 30분 ±5분 이내의 조건으로 열처리하는 것을 특징으로 하는, 균일한 저항 분포를 갖는 실리콘 제조를 위한 열처리 방법.
제 1 항에 있어서, 하나로 원자로를 이용한 중성자 변환 도핑된 실리콘 생산 시, 질소(N₂) 분위기에서 800℃ 30분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 실리콘에 중성자를 조사하기 전이나 후에 금속불순물을 제거하기 위해 NH₄Cl 전해질 사용 pH 4.7, 산화환원전위(ORP) 1100㎷ 의 특성을 가지는 전리수를 이용한 전리수 세정공정을 거치는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.