KR20130109673A - 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 쵸크랄스키법으로 제조된 실리콘 단결정에 있어서, Ga을 포함한 적어도 둘 이상의 도펀트를 포함하고, 비저항이 0.1 Ω·cm 내지 7 Ω·cm 인 실리콘 단결정 웨이퍼를 제공한다.

Description

실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조방법{Wafer includes silicon single crystal and method for manufacturing the same}
실시예는 실리콘 단결정 웨이퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키법으로 제조되고 반도체 소자나 태양 전지의 재료로 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자나 태양 전지의 재료로서 사용되는 실리콘은 천연적으로는 주로 산화물(규석)이나 규산염의 형태로 존재한다. 그리고, 석영(silica)이 주성분인 규석을 코크스와 함께 전기로에 넣어서 용융 후에 화학 처리를 하면 비금속(metalloid) 실리콘이라 불리는 순도 98% 정도의 분말 형태의 실리콘이 얻어진다.
분말 실리콘을 가스 형태의 실리콘으로 바꾸어 열처리하면 대략 순도 99%의 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)을 얻게 된다. 집적회로 제작에 사용되는 실리콘 웨이퍼는 단결정이어야 하므로, 물리적인 정제 방법을 사용하여 다결정 실리콘을 단결정 실리콘으로 변환시킨다.
쵸크랄스키 방법 등을 통해 성장시키는 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 결정 방향(crystal orientation)을 맞추어서 새로운 고순도의 결정층을 형성할 수 있는데, 쵸크랄스키 방법 등을 통해 성장된 단결정 실리콘 잉곳은 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 실리콘 웨이퍼가 생성된다.
실리콘 단결정은 특히 P-타입 기판에 사용될 경우 도펀트가 첨가될 수 있는데, 대표적인 물질이 붕소(Boron)이다. 쵸크랄스키법으로 제조되고 붕소가 도핑된 실리콘 단결정 기판을 태양전지로 사용하면, 후술하는 바와 같이 태양광 변환 효율이 사용시간에 따라 급감하는 광열화현상(Light-Induced Degration, LID)이 발생할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 실리콘 단결정에서의 붕소 도핑에 따른 문제점을 나타낸 도면이다.
도 1a에서 붕소가 도핑되기 이전에 실리콘 단결정의 기판 내부에서 실리콘이 안정적으로 결합되어 있으나, 도 1b에 도시된 바와 같이 실리콘과 붕소가 결합할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이 태양광에 상술한 실리콘 단결정의 기판이 노출되면, 실리콘(Si)과 반데르 발스 힘(Van der Waals Force)로 결합되어 있던 산소가 붕소와 반응하여 B-O Complex를 형성할 수 있다. 상술한 B-O Complex는 실리콘 단결정 기판의 라이프 타임(Lifetime)을 감소시키고, 셀(cell)의 효율을 저하시킬 수 있다.
상술한 광열화를 방지하기 위하여, 즉 B-O complex 형성을 감소시키기 위해 붕소 대신 산소와 결합하지 않는 갈륨을 도펀트로 사용하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 갈륨은 붕소에 비해 편석계수가 매우 작기 때문에 실리콘 단결정 잉갓 성장 방향에 따라 저항률 변화가 심하고, 융점이 매우 낮아 휘발이 잘 되며 취급이 매우 어렵다. 따라서, 실리콘 단결정 내에 도핑된 갈륨의 농도 제어가 어려우며 저항의 불균일이 커져 생산성 저하를 초래할 수 있다.
일본 공개특허 2002-104898에서는 상술한 저항 불균일 문제를 해결하기 위해 갈륨과 함께 인(P)을 같이 도핑하는 법을 제안하고 있으나, 여전히 갈륨의 취급이 어렵고, 저항 불균일 해소가 용이하지 않아서 생산성 저하 및 비용 증가를 초래하는 문제를 여전히 가지고 있다.
실시예는 태양전지 또는 반도체 소자의 기판으로 사용되는 실리콘 단결정 내에서 붕소의 도핑에 따른 라이프 타임의 저하를 방지하고 생산성을 높이고자 한다.
실시예는 쵸크랄스키법으로 제조된 실리콘 단결정에 있어서, Ga을 포함한 적어도 둘 이상의 도펀트를 포함하고, 비저항이 0.1 Ω·cm 내지 7 Ω·cm 인 실리콘 단결정 웨이퍼를 제공한다.
도펀트는 Ga을 포함하는 제1 도펀트와 불순물을 포함하는 제2 도펀트를 포함할 수 있다.
제1 도펀트는 실리콘과 결합하고, 상기 제2 도펀트는 산소와 결합할 수 있다.
제1 도펀트의 농도는 상기 제2 도펀트의 농도의 1/1,000 이하일 수 있다.
제1 도펀트의 농도는 2×1015 atoms/cm3 내지 3×1017 atoms/cm3 일 수 있다.
도펀트는 산화물 상태로 주입될 수 있다.
제2 도펀트는 Cu(구리), Zn(아연), Pb(납), In(인듐) 중 적어도 하나 또는 Al(알리미늄), Fe(철), Ca(칼슘) 중 적어도 하나의 혼합물일 수 있다.
실리콘 단결정의 노광 상태에서의 효율 저하가 1% 이하일 수 있다.
실리콘 단결정은 직경 8인치 이상의 태양 전지의 기판일 수 있다.
다른 실시예는 원료 실리콘에 갈륨과 불순물을 첨가하는 단계; 상기 원료 실리콘과 갈륨 및 불순물을 가열하여 용융하는 단계; 및 쵸크랄스키법으로 상기 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법를 제공한다.
실시예에 따른 단결정이 사용되는 기판, 특히 태양 전지의 대구경 기판은 제1 도펀트로서 갈륨과 제2 도펀트가 함께 사용되어, 빛에 의한 열화가 감소되고 높은 광변환 효율을 유지할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 실리콘 단결정에서의 붕소 도핑에 따른 문제점을 나타낸 도면이고,
도 2는 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조 장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 실시예에 따른 실리콘 단결정 내의 도펀트의 작용을 나타낸 도면이고,
도 4는 각각 붕소가 도핑된 경우, 광열화 억제를 위해 갈륨만 도핑된 경우, 및 갈륨과 다른 불순물이 도핑된 경우의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향에 따른 동일 위치의 비저항을 나타낸 도면이고,
도 5는 각각 붕소가 도핑된 경우와 광열화 억제를 위해 갈륨만 도핑된 경우 및 본 실시예에 의하여 갈륨과 다른 불순물이 도핑된 경우의, MCLT(Minority Carrier LifeTime, 소수 캐리어 수명시간)를 나타내는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 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 두 개의 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)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 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 2는 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조 장치를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳(14)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되기 위한 도가니(20, 22)와, 상기 도가니(20, 22)를 가열하기 위한 가열부(40)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(40)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(20)의 상방에 위치되는 상방 단열부(60)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(14)의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(18)과, 구동 수단에 의해 회전되어 도가니(22)를 회전시켜 상승시키는 회전축(30)을 포함하여 이루어진다.
챔버(10)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(10)의 중앙 영역에 상기 도가니(20, 22)가 위치된다. 도가니(20, 22)는 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 도가니는, 상기 실리콘 용융액과 직접 접촉되는 석영 도가니(20)와, 상기 석영 도가니(20)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(20)를 지지하는 흑연 도가니(22)로 이루어질 수 있다.
상술한 장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에, P형 도펀트(dopant)로서 갈륨(Ga)과 다른 불순물을 첨가할 수 있다. 이하에서, 갈륨을 제1 도펀트라 하고 갈륨 이외의 다른 불순물을 제2 도펀트라하는데, 제2 도펀트는 비철금속일 수 있는데 도 3에 도시된 Cu(구리) 외에 Zn(아연), Pb(납), In(인듐) 등일 수 있으며, Al(알리미늄), Fe(철), Ca(칼슘)이 포함된 혼합물일 수 있다.
본 발명에서는 붕소를 도펀트로 사용하였을 때의 실리콘 단결정 기판의 문제점을 개선하기 위하여, 갈륨을 도펀트로 사용하고 있으며 갈륨이 산소와 결합되어 존재하는 것을 방지하고, 취급의 용이성 증대와 저항 불균일을 억제하기 위하여 추가로 다른 도펀트를 도핑하고 있다.
상술한 도펀트를 도핑하기 위하여, 원료 실리콘과 도펀트인 제1 도펀트의 화합물과 제2 도펀트의 화합물을 도가니(20) 내에 넣고, 챔버(10) 내부를 진공으로 처리한 후 아르곤(Ar) 가스를 주입한다. 그리고, 도펀트(20)를 가열하여 원료 실리콘을 용융한다. 이때, 제1 도펀트와 제2 도펀트는 산화물의 형태로 도핑하는 것이, 고순도와 저비용으로 유리하다.
상술한 용융액으로부터 성장된 실리콘 잉곳으로부터 얻어진 기판은, 갈륨과 다른 불순물로 인하여 저항률의 변화가 감소되어 생산성이 향상되고, 제조된 소자의 라이프 타임의 감소가 줄어들 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 단결정 내에서, 제1 도펀트인 갈륨은 원자 반경이 1.81 옴스트롱으로 실리콘의 원자 반경 1.46 옴스트롱보다 매우 크기 때문에 격자 내에서 Ga-O Complex의 형성이 불가하여, 상술한 광열화 현상과 라이프 타임의 감소가 발생하지 않는다. 또한, 제2 도펀트가 추가적으로 주입되어, 실리콘 단결정 내에서 산소와 결합하는 빈도가 증가하므로, Ga-O Complex의 형성 가능성은 더욱 감소시킬 뿐만 아니라, 저항 변화율의 증가를 억제할 수 있다.
제1 도펀트의 농도는 2×1015 atoms/cm3 내지 3×1017 atoms/cm3 일 수 있다. 갈륨의 농도가 2×1015 atoms/cm3보다 작으면 기판의 내부 저항에 의한 전력 손실이 커지는 문제점이 있다. 또한, 갈륨의 농도가 3×1017 atoms/cm3보다 크면, 갈륨과 산소의 결합 빈도가 증가할 수 있으므로 기판의 라이프 타임이 감소할 수 있다.
특히 웨이퍼의 비저항이 7Ω·cm 보다 크면, 기판 특히 태양 전지의 내부저항(internal resistance)에 의해 전력이 소비되고, 태양전지의 변환효율이 저하될 수 있으므로 웨이퍼의 비저항을 7Ω·cm 이하로 하고자 한다.
상술한 효과는 기판이 태양광에 노출되는 빈도가 잦은 태양 전지용 기판의 경우 현저할 수 있으며, 도펀트가 많이 포함되는 8인치 이상의 대구경의 기판의 경우에서 특히 현저할 수 있다.
도 4는 각각 붕소가 도핑된 경우와 광열화 억제를 위해 갈륨만 도핑된 경우, 그리고 본 실시예에 의하여 갈륨과 다른 불순물이 도핑된 경우에 대해서 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향에 따른 동일 위치의 비저항을 나타내고 있다.
도 4에서 제1 도펀트인 갈륨은 일반적인 7N 순도의 제품을 사용하였으며, 제2 도펀트인 불순물은 상술한 구리, 아연, 납, 인듐, 알리미늄, 철 및 칼슘 중 적어도 하나를 사용하거나, 아연, 인듐, 알루미늄의 혼합물로 구성하였다. 도 4와 도 5에서 본 발명은 갈륨과 다른 도펀트를 함께 사용한 실시예이다.
제2 도펀트의 농도는 제1 도펀트의 농도의 1/1,000 이하로 할 수 있다. 제2 도펀트의 농도가 너무 높으면 금속 오염등의 문제를 발생하여 P-타입의 기판의 특성 저하는 물론, 태양전지 소자 제작 시, 변환 효율을 감소시키는 원인이 될 수 있다.
그리고, 도펀트 내에 갈륨 외에 제2 도펀트가 포함되면, 공정 중에 다른 불순물이 추가로 투입되는 것을 방지할 수 있다.
갈륨이 단독으로 사용될 경우 낮은 용융점으로 인하여 취급이 어려울 수 있는데, 갈륨 산화물은 용융점이 매우 높아서 취급 공정이 용이할 수 있다.
만일, 실리콘 단결정 기판의 비저항이 상술한 범위를 벗어나면, 웨이퍼를 파쇄하고 상기의 제1 도펀트와 제2 도펀트를 추가하여 공급할 수 있다. 제1 도펀트와 제2 도펀트의 추가 공급 후에 상술한 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치에서 용융과 잉곳 성장 및 슬라이싱 공정을 통하여 상술한 비저항을 갖는 실리콘 단결정 기판의 비저항을 얻을 수 있다.
상술한 실리콘 단결정의 성장 및 슬라이싱 공정 외의 다른 공정은 종래의 실리콘 웨이퍼의 생성 공정과 동일하다.
따라서, 상술한 실리콘 단결정이 사용되는 기판, 특히 태양 전지의 대구경 기판은 제1 도펀트로서 갈륨과 제2 도펀트가 함께 사용되어, 빛에 의한 열화가 감소되고 높은 광변환 효율을 유지할 수 있다.
도 4에 도시되었던 도펀트에 따른 에너지 변환 효율은, 종래의 붕소가 도핑된 실리콘 단결정은 빛에 의하여 2% 내지 2.76%의 효율 저하를 나타내고 있으나, 갈륨이 도핑된 실리콘 단결정은 1% 이하의 효율 저하를 나타내고 있으며, 갈륨과 다른 불순물이 도핑된 실리콘 단결정은 0.25%의 효율 저하를 나타내고 있다.
도 5는 각각 붕소가 도핑된 경우와 광열화 억제를 위해 갈륨만 도핑된 경우 및 본 실시예에 의하여 갈륨과 다른 불순물이 도핑된 경우의, MCLT를 나타내고 있다.
MCLT는 도핑된 물질의 특성에 따른 소수 캐리어의 수명시간으로 스위칭 소자를 제외한 발광소자 및 태양광 소자의 경우, 그 수명이 클수록 소자 특성이 뛰어남을 알 수 있다. 물질의 에너지 밴드갭에 영향을 받는 MCLT는 또한 물질 내의 불순물에 의해서도 영향을 받는다.
붕소를 도펀트로 사용한 경우의 비저항과 MCLT는 각각 2.37Ω.cm와 165μs이고, 갈륨을 도펀트로 사용한 경우의 비저항과 MCLT는 각각 2.7Ω.cm와 842μs이며, 갈륨과 다른 불순물을 함께 도펀트로 사용한 경우의 비저항과 MCLT는 각각 2.41Ω.cm와 243μs이다. 따라서, 갈륨이 단독으로 도핑되거나 다른 불순물과 함께 도핑되는 경우에도 상술한 LID 현상의 감소는 물론, 저항 불균일의 개선 및 태양전지 기판의 소자 특성의 저하 억제도 기대할 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 챔버 14: 단결정 잉곳
18: 시드척 20, 22: 도가니
30: 회전축 40: 가열부
60: 상방 단열부 100: 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치

Claims (14)

  1. 쵸크랄스키법으로 제조된 실리콘 단결정에 있어서,
    Ga을 포함한 적어도 둘 이상의 도펀트를 포함하고, 비저항이 0.1 Ω·cm 내지 7 Ω·cm 인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 도펀트는 Ga을 포함하는 제1 도펀트와, 제2 도펀트를 포함하는 실리콘 단결정 웨이퍼.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 도펀트는 실리콘과 결합하고, 상기 제2 도펀트는 산소와 결합하는 실리콘 단결정 웨이퍼.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도펀트의 농도는 상기 제1 도펀트의 농도의 1/1,000 이하인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 도펀트의 농도는 2×1015 atoms/cm3 내지 3×1017 atoms/cm3 인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 도펀트는 산화물 상태로 주입된 실리콘 단결정 웨이퍼.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도펀트는 Cu(구리), Zn(아연), Pb(납), In(인듐) 중 적어도 하나 또는 Al(알리미늄), Fe(철), Ca(칼슘) 중 적어도 하나의 혼합물인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  8. 제1 항에 있어서,
    노광 상태에서의 효율 저하가 1% 이하인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  9. 제1 항에 있어서,
    태양 전지의 기판으로 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 태양 전지의 기판은 8인치 이상인 실리콘 단결정 웨이퍼.
  11. 원료 실리콘에 갈륨과 불순물을 첨가하는 단계;
    상기 원료 실리콘과 갈륨 및 불순물을 가열하여 용융하는 단계; 및
    쵸크랄스키법으로 상기 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 갈륨은 산화물로 첨가되는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 불순물의 농도는 상기 갈륨의 농도의 1/1,000 이하인 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 도펀트는 Cu(구리), Zn(아연), Pb(납), In(인듐) 중 적어도 하나 또는 Al(알리미늄), Fe(철), Ca(칼슘) 중 적어도 하나의 혼합물인 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조방법.
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