KR20120037575A - 단결정 잉곳 제조방법 - Google Patents

단결정 잉곳 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 단결정 잉곳의 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법은 종자결정을 융액에 디핑하는 단계;상기 디핑 후 숄더링 공정을 진행하는 단계; 상기 숄더링 공정후 바디공정을 진행하는 단계; 및 상기 숄더링 공정 후 테일링 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 고휘발성 원소가 도핑되는 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 단결정의 바디공정 후반부의 최저 비저항을 12 mΩ이상으로 제어할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 제조방법{Method for Manufacturing Single Crystal Ingot}
실시예는 단결정 잉곳 제조방법에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조해야하고, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
초크랄스키(czochralski, CZ) 법에 따르면, 다결정 실리콘을 용융한 용융액에 시드를 침지하는 단계, 네킹 공정 단계, 숄더링 단계, 바디 성장단계 및 테일링 공정을 거칠 수 있다.
일반적으로, 반도체소자용 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 적절한 비저항 값을 갖기 위하여, 실리콘 단결정의 성장 공정에서 P-type 또는 N-type의 도펀트(dopant)가 첨가된다.
또한, P-type 또는 N-type의 도펀트는 다시 융점이 실리콘의 융점보다 높은 고융점 도펀트와 융점이 실리콘의 융점보다 낮은 저융점 도펀트로 구분되는데, 도펀트의 종류에 따라서 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 방식이 다르다.
대표적인 P-type 고융점 도펀트로는 붕소(B)를 들 수 있는데, 그 융점이 약 2180℃ 로 실리콘의 융점인 1412℃보다 높으므로 실리콘 단결정 성장 준비 단계인 다결정 실리콘을 석영도가니에 적재하는 단계에서 석영도가니 바닥에 다결정 실리콘과 함께 투입하여 용융시킴으로써 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 것이 가능하다.
한편, 실리콘에 비해 낮은 융점을 갖는 저융점 도펀트로는 안티모니(Sb, m.p.631 ), 적인(Red Phosphorus, m.p. 593 ), 게르마늄(Ge, m.p. 937 ), 비소(As, m.p. 817 ) 등을 들 수 있는데, 이러한 저융점 도펀트들은 낮은 융점으로 인하여 단결정 성장 공정 중 최초 다결정 실리콘의 용융 단계에서 다결정 실리콘이 완전히 융해되기 전에 용융, 기화된다.
이렇게 기화된 저융점 도펀트는 실리콘 성장로 내의 오염을 유발하는 실리콘 융액으로부터 증발된 실리콘 산화물을 제거하기 위하여 흘려주는 Ar 등과 같은 비활성 기체와 함께 성장로의 외부로 배출, 제거됨으로써 목적하는 비저항값을 갖는 저융점 도펀트가 고농도로 첨가된 실리콘 단결정을 생산할 수 없게 된다.
따라서, 종래에는 저융점 도펀트의 고농도 주입을 위하여 다결정 실리콘을 완전히 녹인 후에 분말상의 저융점 도펀트를 용융실리콘 표면에 뿌려서 도핑을 실시하여 왔다. 그러나, 이때 실리콘 융액의 온도가 매우 높아서 도펀트가 완전히 실리콘 융액 내로 녹아 들어가지 못하고 그 중 약 30%는 기화되어 불활성 기체와 함께 단결정 성장장치 외부로 배출, 제거된다.
따라서 이 경우에도 저융점 도펀트의 주입농도에 대한 제어가 불완전하며, 저융점 도펀트의 낭비가 발생하였다. 그리고, 저융점 도펀트의 대부분은 유독성의 물질로 성장로의 외부로 배출되었을 때에는 환경오염의 원인이 되는 문제점이 있었다.
특히, 저융점 도펀트 내의 불순물로 인해 산화물이 발생하는데, 이러한 산화물은 실리콘 융액의 표면에 부유하여 파티클 히트(particle hit)의 원인으로 작용하며 실리콘 단결정 성장을 불가능하게 하여 실리콘 단결정 생산성 저하의 치명적인 원인이 된다.
한편, 종래기술에 의하면 단결정 성장장치의 챔버 내의 오염도를 측정하는 방법에 한계가 있었다.
한편, 종래기술에 의하면 고휘발성의 저융점 도펀트를 도핑하는 단결정 잉곳의 경우 잉곳(Ingot)의 결정 로스(Loss)는 전체 생산량 대비 약 8%를 차지하고 있으며, 다른 일반 제품의 로스 비율인 약 3.8% 대비 로스(Loss) 비율이 높다.
그런데, 이러한 고휘발성의 저융점 도펀트가 도핑되는 단결정 잉곳의 경우 테일링(Tailing) 직전에 발생하는 스트럭쳐 로스(Structure Loss)이며, 이에 대한 원인 분석 중 비저항이 높은 제품의 로스(loss) 발생이 많다.
또한, 종래기술에 의하면 이러한 결정 로스의 원인으로 잉곳(Ingot) 초반 공정 불안정이 원인으로 분석되고 있다. 예를 들어, 종자결정(Seed)를 융액에 담그는 디핑(Dipping) 공정 및 이후 숄더링(Shoulding) 공정에서의 충격(Attempt)이 많아 이에 대한 개선이 필요하다.
실시예는 단결정 잉곳의 결정 로스(loss)를 감소할 수 있는 단결정 잉곳의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법은 종자결정을 융액에 디핑하는 단계;상기 디핑 후 숄더링 공정을 진행하는 단계; 상기 숄더링 공정후 바디공정을 진행하는 단계; 및 상기 숄더링 공정 후 테일링 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 고휘발성 원소가 도핑되는 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 단결정의 바디공정 후반부의 최저 비저항을 12 mΩ이상으로 제어할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에 의하면, 바디공정 후반부에 멜트(Melt)내의 도펀트(Dopant) 량을 최소화하여 바디(Body) 후반의 비저항을 높여 스트럭쳐 로스(Structure Loss)를 줄일 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 소정의 이온이 도핑된 종자결정(Seed)을 이용하여 단결정 성장공정을 진행함으로써 디핑(Dipping) 및 숄더링(Shoulding) 공정시 열충격(Thermal Shock)를 최소화하여 바디공정 초반의 공정을 안정화시켜 스트럭쳐 로스(Structure Loss)를 줄일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치 예시도.
도 2는 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에서 바디공정에 따른 비저항 예시도.
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에서 바디공정에 따른 압력 변화 예시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치 예시도이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(112), 히터(120), 인상수단(128) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 단결정 잉곳성장장치는 챔버(110) 내부에 핫존(hot zone) 구조물로서, 실리콘 융액(SM)이 담겨지는 석영 도가니(112) 및 석영 도가니의 외연 하부 일부를 감싸 지지하는 흑연 도가니(114)가 장착되고, 흑연 도가니의 하부에 하중을 지지하기 위한 지지구조체(116)가 놓여지고, 지지 구조체는 미도시된 회전 구동장치에 축합되어 회전 및 승강하는 페데스탈(pedestal)(118)에 결합될 수 있다.
상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 흑연 도가니(114)의 외연에는 단결정 잉곳(IG)성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원인 히터(120)가 에워싸고 있고, 히터의 외연으로 히터의 열이 챔버(110) 측면으로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위해 열차폐링(132)과 측면 단열재(134)로 구성되는 측면 단열시스템(radiation shield)(130)가 에워싸고 있다.
상기 히터(120)의 하부로 히터의 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하는 차폐판(142)과 하부 단열재(144)로 구성된 하부 단열시스템(140)이 장착될 수 있다.
상기 측면 단열시스템(130)의 상부에는 히터의 열이 챔버 상부로 방출되지 않도록 열을 차폐하는 히터 커버(152)와 상부 단열재(154)로 구성된 상부 단열시스템(150)이 장착될 수 있다.
그리고, 상부 단열시스템(150)에는 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(112)사이에 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되어 실리콘 융액(SM)에서 방출되는 열을 차단하고, 또한 성장된 실리콘 잉곳의 냉각을 위해 실리콘 융액에서 방출되어 실리콘 잉곳으로 전달되는 열을 차단하는 냉각 구동력을 제공하는 열 쉴드(122)가 장착될 수 있다.
상기 챔버(110)의 상부에는 실리콘 융액(SM)에 인상수단(128), 예를들어 케이블로 연결된 종자 결정(Seed: S)을 디핑시키고, 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 잉곳을 성장시키는 인상 구동(pullup)장치가 설치되고, 챔버의 내부에 아르곤(Ar)또는 네온(Ne) 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(미도시)이 형성될 수 있다.
그리고, 챔버(110)의 하부에는 가스 공급관에서 공급된 불활성 가스를 진공으로 펌핑하여 배기시키도록 도시되지 않은 진공 배기관계에 연결 형성된 진공 배기관(미도시)이 형성될 수 있다.
여기서, 진공 배기관의 진공 펌핑력에 가스 공급관에서 챔버의 내부로 공급되는 불활성 가스는 하향 유동흐름(down flow)을 가지게 된다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
이 방법에 따르면, 다결정 실리콘을 용융한 용융액에 시드를 침지(deeping)한 후, 종결정을 빠른 인상속도로 성장하여 네킹 공정을 진행한다. 그리고, 단결정을 시드와 직경방향으로 서서히 성장시키며 소정크기의 직경을 가지면 숄더링 단계를 진행한다. 숄더링 단계 이후에 바디 성장을 진행하며 소정길이 만큼 바디공정 진행후에 바디의 직경을 감소시키고 융액으로부터 분리하는 테일링 공정을 거쳐 단결정 잉곳을 성장 완료 한다.
이후, 상기 결정 성장된 단결정 잉곳의 바디부분을 일정크기로 절단하는 크라핑 공정을 진행한 후, 이 봉 형상의 잔류하는 부분이 소정 직경을 갖도록 외부 표면을 가공(grinding) 한다.
실시예는 단결정 잉곳의 결정 로스(loss)를 감소할 수 있는 단결정 잉곳의 제조방법을 제공하고자 한다.
도 2는 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에서 바디공정에 따른 비저항 예시도이다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법은 종자결정(S)을 융액(SM)에 디핑하는 단계와, 상기 디핑 후 숄더링 공정을 진행하는 단계와, 상기 숄더링 공정후 바디공정을 진행하는 단계 및 상기 숄더링 공정 후 테일링 공정을 진행하는 단계를 포함하는 고휘발성 원소가 도핑되는 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 단결정의 바디공정 후반부의 최저 비저항을 종래기술 보다 높일 수 있다.
예를 들어, 종래(P1)에는 바디 공정 후반부의 최저 비저항이 약 11 mΩ 정도였는데, 실시예(Q1)에 의하면 상기 단결정의 바디공정 후반부의 최저 비저항을 약 12 mΩ이상으로 제어할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에 의하면, 바디공정 후반부에 멜트(Melt)내의 도펀트(Dopant) 량을 최소화하여 바디(Body) 후반의 비저항을 높여 스트럭쳐 로스(Structure Loss)를 줄일 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에서 바디공정에 따른 압력 변화 예시도이다.
실시예는 상기 바디공정 후반부에 상기 바디의 비저항을 높이는 것은 상기 바디공정 후반부에 압력(pressure) 제어를 통해 달성할 수 있다.
예를 들어, 상기 바디공정 후반부에 압력(pressure) 제어는, 상기 바디공정 후반부의 압력을 종전(P2) 약 35 torr를 유지하던 것을 실시예(Q2)는 약 20 torr 내지 약 30 torr로 낮게 제어할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 바디공정 후반부는 바디길이의 중반 이상을 넘는 영역을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, n형(n-type) 도펀트 양이 증가하면 전기전도도가 증가하여 비저항은 감소하게 된다. 한편, 압력이 낮게 되면 도펀트의 휘발량이 증가하게 된다.
실시예에 의하면 바디공정 후반부에 압력을 낮추면 융액 내의 도퍼트의 휘발량이 증가하게 되고, 융액 내에 잔존하는 도펀트의 양이 감소하게 되고, 이에 따라 성장되는 잉곳 내의 도펀트 양이 감소하며 도펀트 양이 감소하면 전기전도도가 낮게 되고 결국 비저항이 증가하게 된다.
이에 실시예는 상기 바디공정 후반부에 상기 바디의 비저항을 높이는 것은 상기 바디공정 후반부에 압력(pressure) 감소를 통해 달성할 수 있다.
실시예에 의하면 고휘발성 도펀트가 도핑되는 저융점 단결정 잉곳의 비저항 개선을 통해 결정 로스(Loss)를 개선할 수 있다.
예를 들어, 바디(Body) 공정 후반부의 잉곳(Ingot) 내 도펀트(Dopant) 농도 최소화할 수 있다. 예를 들어, 고휘발성 도펀트 제품의 바디 공정 후반부의 압력제어(Pressure Control)를 통한 비저항(Resistivity)을 상승시키면 잉곳 바디(Ingot Body) 후반의 결정폐기가 개선되었다.
예를 들어, 도펀트(Dopant)량이 많이 들어가는 고농도(Heavily Doped) 제품경우 잉곳(Ingot)의 바디에서 테일(Tail)로 갈수록 융액(Melt) 내 도펀트(Dopant)가 많이 농축되면서 바디 후반의 결정 로스가 발생된다. 이에 따라 실시예는 바디 후반의 융액 내 도펀트(Dopant)량이 줄어들도록 제어하는 경우 잉곳(Ingot)의 스트력처 로스(Structure Loss)의 발생빈도가 감소할 수 있다.
예를 들어, 종래 약 8% 이상의 결정폐기 비율이 실시예 적용시 약 2.9% 정도의 결정 폐기 비율로 개선될 수 있었다.
실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조방법에 의하면, 바디공정 후반부에 멜트(Melt)내의 도펀트(Dopant) 량을 최소화하여 바디(Body) 후반의 비저항을 높여 스트럭쳐 로스(Structure Loss)를 줄일 수 있다.
또한, 실시예는 상기 종자결정(S)을 융액에 디핑하는 단계에서, 소정의 이온이 도핑된 종자결정을 이용하여 디핑을 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 종자결정(S)을 융액(SM)에 디핑하는 단계는, 상기 종자결정(S)이 이온의 도핑에 의해 약 13 mΩ 내지 약 15 mΩ의 비저항을 가진 상태에서 디핑이 진행될 수 있다.
종래의 경우 도펀트(Dopant)가 없는 종자결정을 사용하고 있으며, 종자결정(Seed)을 융액(Melt) 내 디핑시 열충격(Thermal Shock)으로 인해 네킹 및 숄더링공정이 불안정하다.
이에 실시예는 고농도 도핑되는 잉곳(Heavily doped Ingot)에 대한 별도의 종자결정(Seed)을 제작할 수 있다.
예를 들어, 고휘발성의 도펀트, 예를 들어 안티몬(Antimony)이 도핑되는 제품의 그로잉(Growing)에는 안티몬 도핑된 잉곳(Antimony doped Ingot)을 이용한 종자결정(Seed)을 제작할 수 있다.
예를 들어, 타겟 비저항(Target Res)값과 유사한 비저항값을 가진 종자결정을 사용할 경우 디핑 및 숄더링(Dipping and Shouldering) 공정에서 열정 충격이 완되어 공정의 안정화를 가져올 수 있다.
예를 들어, 종래기술의 종자결정은 비저항이 약 100 Ωcm 이상이며, 도펀트는 없는(Dopant Free) 상태였다.
반면, 실시예는 고휘발성의 도펀트, 예를 들어 안티몬 블락(Antimony Block)을 이용한 종자결정(Seed)을 제작할 수 있다.
예를 들어, 상기 종자결정(S)이 이온의 도핑에 의해 약 13 mΩ 내지 약 15 mΩ의 비저항을 가진 상태에서 디핑이 진행될 수 있다.
이에 따라 디핑공정시 열충격(Thermal Shock) 최소화를 통한 바디(Body) 초반 공정을 안정화할 수 있다.
실시예에 의하면 소정의 이온이 도핑된 종자결정(Seed)을 이용하여 단결정 성장공정을 진행함으로써 디핑(Dipping) 및 숄더링(Shoulding) 공정시 열충격(Thermal Shock)를 최소화하여 바디공정 초반의 공정을 안정화시켜 스트럭쳐 로스(Structure Loss)를 줄일 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 종자결정을 융액에 디핑하는 단계;
    상기 디핑 후 숄더링 공정을 진행하는 단계;
    상기 숄더링 공정후 바디공정을 진행하는 단계; 및
    상기 숄더링 공정 후 테일링 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 고휘발성 원소가 도핑되는 단결정의 제조방법에 있어서,
    상기 단결정의 바디공정 후반부의 최저 비저항을 12 mΩ이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 바디공정 후반부에 상기 바디의 비저항을 높이는 것은 상기 바디공정 후반부에 압력(pressure) 제어를 통해 달성하는 단결정 잉곳의 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바디공정 후반부에 압력(pressure) 제어는,
    상기 바디공정 후반부의 압력을 20 torr 내지 30 torr로 제어하는 단결정 잉곳의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 종자결정을 융액에 디핑하는 단계는,
    소정의 이온이 도핑된 종자결정을 이용하여 디핑을 진행하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳의 제조방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 종자결정을 융액에 디핑하는 단계는,
    상기 종자결정이 이온의 도핑에 의해 13 mΩ 내지 15 mΩ의 비저항을 가진 상태에서 디핑이 진행되는 단결정 잉곳의 제조방법.
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