KR20140019952A - 단결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 따른 단결정 성장방법은, 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 바디그로잉은, 인상속도를 점차 감소시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 이후 인상 속도를 상승 또는 유지시키는 제 2 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계 공정의 개시는 성장될 전체 잉곳의 길이의 20% 내지 30%가 되는 때인 것을 특징으로 한다. 이러한 실시예에 의해서, 고휘발성의 도펀트를 사용하여 잉곳을 성장시키는 경우라도, 제조된 단결정 내에 적절한 산소 농도를 유지시킬 수 있다.

Description

단결정 성장 방법{Method for growing single crystal}

실시예는 단결정 성장 방법에 대해서 개시한다.

단결정 잉곳(Single Crystal Ingot) 성장시 비저항을 맞추기 위해 투입하는 불순물은 원소(Element)에 따라 Si 멜트(Melt) 내에서의 유효 편석계수(Distribution Coefficient)가 각각 다르며 일반적으로 사용하는 보론(Boron), 인(Phosphorus), 아세닉(Arsenic), 안티몬(Antimony) 등은 편석계수(Distribution Coefficient)가 1 이하이기 때문에 실리콘 단결정 잉곳의 성장(고화율이 증대)됨에 따라 단결정 성장의 초반에서 후반으로 갈수록 실리콘 단결정의 비저항값이 급격히 떨어지는 경향을 나타나게 된다.

한편, 제품별로 제조된 웨이퍼를 사용하는 고객(사용처)의 요청(needs)에 따라, 잉곳 내에 산소를 포함시켜야 하는 상한(Upper limit)과 하한(Lower limit)이 있고, 이러한 다양한 고객의 니즈에 대응하기 위해서는, 고휘발성의 도펀트(예를 들면, 아세닉 등)를 포함시키면서 잉곳 후반부의 산소 농도가 니즈에 충족시킬 필요가 있다.

본 실시예는 제조된 웨이퍼를 사용하는 수요자의 요청에 의하여, 고휘발성의 도펀트를 이용하여 잉곳을 제조하여야 하는 경우, 상기 도펀트의 휘발에 의하여 산소도 함께 휘발되는 것을 억제하여, 잉곳의 산소 농도를 제어할 수 있는 단결정 성장 방법을 제안하고자 한다.

본 실시예에 따른 단결정 성장방법은, 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 바디그로잉은, 인상속도를 점차 감소시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 이후 인상 속도를 상승 또는 유지시키는 제 2 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계 공정의 개시는 성장될 전체 잉곳의 길이의 20% 내지 30%가 되는 때인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예의 단결정 성장방법은, 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 바디그로잉은, 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 이후 상기 압력을 일시적으로 증가시키는 제 2 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계는, 상기 압력을 일시적으로 증가시키는 단계와, 기설정된 소정 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함한다.

제안되는 바와 같은 실시예에 의해서, 고휘발성의 도펀트를 사용하여 잉곳을 성장시키는 공정에 있어서도, 산소가 함께 휘발되는 것을 억제시켜 제조된 잉곳의 하단부에도 적절한 산소 농도를 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 단결정의 성장 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 성장된 잉곳의 산소 분포를 설명하는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 단결정의 성장 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 성장된 잉곳의 산소 분포를 설명하는 도면이다.

이하, 실시예에 따른 단결정의 비저항 제어방법 및 그 방법에 의해 제조된 단결정을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단면도이다.

실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 실리콘 단결정이 성장되는 챔버(10) 안의 실리콘 융액(35)을 인상로(20)로 끌어올릴 수 있다.

실시예는 상기 인상로(20) 위에 실리콘 단결정을 성장시킬 때 종결정(seed)(31)을 회전시키기 위한 상부 회전부(22)에 연결된 케이블(24) 선단에 종결정 홀더(26)를 포함할 수 있다. 상기 인상로(20)에는 직경 감지 센서(28)를 구비할 수 있다.

실시예는 챔버(10) 내부에 실리콘 융액(35)이 담긴 석영 도가니(quartz crucible)(11)가 구비되고, 그 둘레에는 고온의 실리콘 융액(35)에 의해 형태가 변할 수 있는 석영 도가니(11)를 지지하기 위한 흑연 도가니(12)를 포함할 수 있다.

실시예는 도가니(12) 하부에 흑연 도가니(12)를 받치고 있는 흑연 도가니 지지축(15)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부 구동부(13) 및 하부 회전부(14)을 구비할 수 있으며, 그 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 열을 공급하기 위한 히터(16)가 설치될 수 있다.

실시예는 챔버(10) 내의 단열을 위해 히터(16)의 바깥쪽에는 상부 단열재(17a), 측면 단열재(17b) 및 하부 단열재(17b)를 포함할 수 있다.

또한, 고온에서 상온으로 될 때까지 챔버(10) 내의 구조물의 산화를 방지할 목적으로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려보내기 위해 인상로(20)에 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있는 불활성 기체 유입 조절장치(23)가 있고, 챔버(10) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절장치(25)가 하부 단열재(17c) 아래에 형성될 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 단결정의 성장 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 성장된 잉곳의 산소 분포를 설명하는 도면이다.

도 2에서 X축은 단결정 축방향의 길이이며, Y축은 인상속도를 가리키고, 도 3에서 X축은 단결정 축방향의 길이이며, Y축은 각 위치에서의 산소 농도를 가리킨다.

실시예는 석영 도가니(11)에 폴리 실리콘을 약 1000도 이상으로 가열하여 용융시킨 후 종결정(31)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 공정을 거친다.

그리고, 단결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 바디그로잉(body growing) 공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서치 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 제조된 단결정은, 인상 속도의 조절을 통하여, 제조된 단결정의 테일측이더라도 고객의 요구에 적합한 산소 농도가 포함되도록 할 수 있다. 특히, 본 실시예에서의 단결정 성장 방법은, 아세닉과 같은 고휘발성의 도펀트를 사용하는 경우에, 산소가 함께 휘발되는 것을 억제시킴으로써, 제조된 잉곳 하단부에도 적절한 산소 농도가 포함되도록 한다.

실시예는 성장된 잉곳의 하단부에 포함된 산소 농도를 고객의 요구에 충족시키기 위하여, 잉곳 하단부의 산소 농도를 상승시킬 수 있는 방법을 제안하며, 단결정 실리콘 성장시 고휘발성의 도펀트가 사용되는 경우에 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 실시예의 잉곳 성장 방법은, 바디그로잉의 제 1 단계로서, 인상 속도를 점차 감소시키는 단계와, 상기의 1단계 이후에 바디그로잉의 제 2 단계로서, 인상 속도를 상승 또는 유지시키는 단계를 포함한다.

특히, 상기 제 2 단계의 공정에 의하여, 성장된 잉곳의 하단부의 산소 농도가 결정될 수 있는데, 상기 제 2 단계 공정의 개시(S1)는 성장될 전체 잉곳의 길이의 20~30%가 성장되었을 때가 된다.

즉, 성장 완료된 잉곳의 전체 길이가 120cm일 경우에, 120cm의 20~30%가 되는 24cm 내지 36cm가 성장되었을 때에, 바디그로잉의 제 2 단계로서 인상 속도를 점차 상승시키거나 1단계의 인상 속도를 테일링 공정 전까지 지속적으로 유지시킨다.

바디그로잉 공정에 있어서, 종래의 인상 속도는 지속적으로 감소시켜서 제조하였으나(도 2의 P 참조), 본 실시예에 따르면, 성장된 잉곳의 길이를 고려하여 인상속도를 감소시키는 것을 억제하여 유지시키거나, 오히려 그 인상속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다. 참고로, 타겟 인상 속도의 그래프는 A로 도시되어 있고, 타겟 인상 속도에 따른 실제의 인상 속도는 B로 도시되어 있다.

이러한 방법으로 제조된 잉곳의 경우, 도 3과 같이, 잉곳의 바디 하단부(도 3의 도면부호 300)의 산소 농도가 기존 대비하여 상대적으로 높게 나타남을 알 수 있다. 도 3의 도면부호 N1과 N2는, 잉곳 바디의 하단부에 포함되는 산소 농도에 대한 고객 요구의 상한과 하한을 나타낸다.

휘발성이 적은 도펀트를 사용하여 잉곳을 성장시키는 경우에는, 멜트(melt) 대류 제어 또는 석영 도가니내 산소 석출량을 조정하여 단결정 내 산소 농도를 제어할 수 있겠으나, 고휘발성의 불순물이 첨가된 제품의 경우에는 용융 실리콘 내에 산소가 불순물의 휘발과 함께 잉곳 외부로 방출되기 때문에, 본 실시예에서 제안하는 바와 같은 방법이 필요하다. 도 3에 도시된 실험 데이터에도 나타나듯이, 잉곳 하단부의 산소 농도에 대한 고객의 하한 요청에 대해서도 대응할 수 있게 된다.

도 4는 다른 실시예에 따른 단결정의 성장 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 다른 실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 성장된 잉곳의 산소 분포를 설명하는 도면이다.

도 4에서 X축은 단결정 축방향의 길이이며, 좌측 Y축은 주입되는 불활성 가스(예를 들면, 아르곤) 유량을 가리키고, 우측 Y축은 챔버 내부 압력을 가리키고, 도 6에서 X축은 단결정 축방향의 길이이며, Y축은 각 위치에서의 산소 농도를 가리킨다.

실시예는 석영 도가니(11)에 폴리 실리콘을 약 1000도 이상으로 가열하여 용융시킨 후 종결정(31)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 공정을 거친다.

그리고, 단결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 바디그로잉(body growing) 공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서치 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

실시예에 따른 단결정 성장 방법에 의하여 제조된 단결정은, 챔버 내부의 압력 조절을 통하여 고휘발성의 도펀트와 함께 산소가 휘발되는 것을 억제할 수 있다.

도 4를 참조하면, 실시예의 잉곳 성장 방법은, 바디그로잉의 제 1 단계로서, 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 단계와, 상기의 1단계 이후에 바디그로잉의 제 2 단계로서, 챔버 내부의 압력을 순간적으로 급상승시키는 단계를 포함한다. 상기의 제 2 단계는, 챔버 내부의 압력을 순간적으로 급상승시키는 단계와, 급상승 후 소정 구간동안 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함한다.

특히, 상기 제 2 단계의 공정에 의하여, 성장된 잉곳의 하단부의 산소 농도가 결정될 수 있는데, 상기 제 2 단계 공정의 개시(S2)는 성장될 전체 잉곳의 길이의 80% 내지 95% 사이가 되는 시점이 될 수 있다.

예를 들면, 성장 완료된 잉곳의 전체 길이가 120cm일 경우에, 120cm의 80~95%가 되는 96cm 내지 114cm가 성장되었을 때에, 바디그로잉의 제 2 단계로서 챔버 내부 압력을 150Torr 내지 180Torr 범위로 상승시키며, 상승시킨 후에는 바디그로잉 공정 종료시까지 일정한 압력을 유지한다. 이때, 유지시키는 압력은 120Torr 내지 140Torr가 될 수 있다.

이러한 압력 조건의 가변에 따라, 제조된 잉곳의 산소 농도를 실험에 의하여 확인하여 보면, 도 5와 같이, 잉곳의 바디 하단부(도 5의 도면부호 500)의 산소 농도가 기존 대비하여 상대적으로 높게 나타남을 알 수 있다. 도 5의 도면부호 N1과 N2는, 잉곳 바디의 하단부에 포함되는 산소 농도에 대한 고객 요구의 상한과 하한을 나타낸다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의해서, 성장된 단결정에 있어서 하단부의 산소 농도가 기설정된 하한치보다 높아야 하는 경우에, 인상된 길이에 따라서 인상 속도를 증가시키거나, 챔버 내부 압력을 일시적으로 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있다.

Claims (6)

1. 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서,
   상기 바디그로잉은, 인상속도를 점차 감소시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 이후 인상 속도를 상승 또는 유지시키는 제 2 단계를 포함하고,
   상기 제 2 단계 공정의 개시는 성장될 전체 잉곳의 길이의 20% 내지 30%가 되는 때인 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 단계 공정의 개시는, 성장 중인 잉곳의 길이가 24cm 내지 36cm가 되는 때인 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
3. 네킹공정, 숄더링공정, 바디그로잉공정 및 테일링공정을 포함하는 단결정 성장방법에 있어서,
   상기 바디그로잉은, 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 이후 상기 압력을 일시적으로 증가시키는 제 2 단계를 포함하고,
   상기 제 2 단계는, 상기 압력을 일시적으로 증가시키는 단계와, 기설정된 소정 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 단결정 성장방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 단계 공정의 개시는, 성장될 잉곳의 전체 길이의 80% 내지 95% 사이가 되는 때인 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 단계 공정의 개시는, 성장 중인 잉곳의 길이가 96cm 내지 114cm가 되는 때인 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 단계 공정에서 일시적으로 상기 압력을 상승시키는 때에, 상기 챔버 내부의 압력을 150Torr 내지 180Torr 범위로 상승시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.

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