KR20150069234A - 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 Download PDF

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Abstract

실시 예에 의하면, 첨가물이 투입되며 실리콘 용융액을 수용하는 도가니 및 도가니를 가열하여 첨가물과 다결정 폴리 실리콘을 실리콘 용융액으로 용융시키는 히터를 포함하며, 도펀트에 의해 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조를 위한 첨가물은, 실리콘 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 첨가층를 포함하고, 첨가층은 도펀트와 이종인 물질을 포함하고, 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 갖고, 도펀트의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 갖는다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법{Additives for manufacturing a single crystalline silicon ingot, and method for manufacturing the ingot using the additives}
실시 예는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이를 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 플로우팅존(FZ:Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의거하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.
만일, 도펀트에 의해 강하게 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 때, 도펀트의 고휘발 특성으로 인해 여러 가지 문제가 발생할 수 있다.
먼저, 실리콘 용융액 표면에서 도펀트의 휘발에 의한 기화열로 인해 Maragoni 장력(tension)이 약화되고 과냉각 영역이 잠식되어, 단결정 실리콘 잉곳이 다결정화되어 파괴되는 등 손실이 발생할 수 있다. 이를 치유하기 위한 기존의 방법 중 하나는, 아르곤(Ar)의 압력을 조정하여 도펀트의 휘발량을 감소시키고자 하였다. 그러나, 일반적으로 아르곤(Ar) 유속과 높은 압력으로 인해 실리콘 용융액의 표면 온도가 불균일해지는 문제점이 있다.
또한, 도펀트가 실리콘 용융액 내의 산소와 반응하여 매우 빠른 속도로 고휘발될 경우, 도펀트뿐만 아니라 산소도 휘발되므로, 반도체 소자의 제조 기판에 적합한 고산소농도를 갖는 단결정 실리콘 잉곳의 제조가 어려워진다.
실시 예는 도펀트의 휘발을 억제할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 의하면, 첨가물이 투입되며 실리콘 용융액을 수용하는 도가니 및 상기 도가니를 가열하여 상기 첨가물과 다결정 폴리 실리콘을 상기 실리콘 용융액으로 용융시키는 히터를 포함하며, 도펀트에 의해 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조를 위한 상기 첨가물은, 실리콘 웨이퍼; 및 상기 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 첨가층를 포함하고, 상기 첨가층은 상기 도펀트와 이종인 물질을 포함하고, 상기 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 갖고, 상기 도펀트의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 가질 수 있다.
상기 이종 물질은 바륨을 포함할 수 있다.
상기 첨가물의 적어도 일부는 분쇄된 분말 형태를 갖거나 파쇄된 쪼개진 형태를 가질 수 있다.
상기 첨가층은 상기 실리콘 웨이퍼 위에 실질적으로 동일한 두께로 증착될 수 있다.
상기 바륨의 농도는 7.1 x 1015 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤일 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 7. 도가니 및 히터를 포함하며 초크랄스키법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법은, 첨가물과 다결정 폴리 실리콘을 상기 도가니로 투입하는 단계; 상기 도가니를 가열하여 상기 첨가물과 상기 다결정 폴리 실리콘을 실리콘 용융액으로 용융시키는 단계; 상기 실리콘 용융액에 도펀트를 투입하는 단계; 및 상기 실리콘 용융액으로부터 상기 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 첨가물은 실리콘 웨이퍼; 및 상기 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 첨가층을 포함하고, 상기 첨가층은 상기 도펀트와 이종인 물질을 포함하고, 상기 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 갖고, 상기 도펀트의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 가질 수 있다. 여기서, 상기 이종 물질은 바륨을 포함할 수 있다. 상기 바륨의 농도는 7.1 x 1015 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤일 수 있다.
상기 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법은, 상기 첨가물의 적어도 일부를 파쇄하는 단계를 더 포함하고, 상기 파쇄된 첨가물 또는 파쇄되지 않은 상기 첨가물 중 적어도 하나의 소정량이 상기 도가니에 투입될 수 있다.
상기 도가니에 수용된 상기 실리콘 용융액을 보충하고자 할 때, 상기 첨가물을 상기 도가니에 투입할 수도 있다.
실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물 및 이 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법은 실리콘 용융액을 생성할 때 다결정 폴리 실리콘과 함께 첨가물을 도가니에 투입하여, 첨가물이 도펀트의 휘발을 억제하게 함으로써, 실리콘 용융액으로부터 산소가 휘발되는 량이 줄어들어 단결정 실리콘 잉곳이 높은 산소 농도로 성장될 수 있도록 하고, 첨가물이 투입될 경우 석영 유리 도가니의 내표면 또는 외표면을 효과적으로 실투시킴으로써 알칼리 금속 불순물의 실리콘 용융액 중으로의 용출을 억제하면서 도가니의 강도를 높일 수 있고, 이종 물질인 바륨(Ba)을 실리콘 웨이퍼에 증착시켜 도가니에 투입하므로 단결정 실리콘 잉곳이 탄소로 오염됨을 원천적으로 방지할 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 첨가물이 사용되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
이하, 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물(10)의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 첨가물(10)이 사용되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 첨가물(10)을 설명하기에 앞서, 도 1에 도시된 첨가물(10)을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 구성 및 동작을 다음과 같이 개략적으로 사용된다. 그러나, 도 1에 도시된 첨가물(10)은 도 2에 도시된 구성과 다른 구성을 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위해 사용될 수 있음은 물론이다.
도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 CZ 법에 의해 단결정 실리콘 잉곳(I)을 육성한다. 이를 위해, 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 도가니(110), 히터(heater)(120), 회전축(130), 종결정(142), 인상 와이어(144) 및 인상 구동부(150)를 포함한다.
먼저, 도가니(110)에 다결정 폴리 실리콘을 투입한다. 도가니(110)는 석영 도가니(112) 및 흑연 도가니(114)를 포함한다. 석영 도가니(110)는 도가니(110)의 안쪽에 배치되고, 흑연 도가니(114)는 석영 도가니(112)의 바깥 쪽에 배치된다.
이후, 도가니(110)의 측부에 배치된 히터(120)로 도가니(110)를 가열하여 다결정 폴리 실시콘을 실리콘 용융액(SM)으로 용융시킨다.
이후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액(SM)에 종(seed) 결정(142)을 침지시키고, 실리콘 용융액(SM) 계면에서 결정화가 일어나도록 하여, 종결정(142)을 화살표 방향으로 회전하면서 인상 와이어(144)에 의해 인상시킴으로서 단결정 실리콘 잉곳(I)이 육성된다. 이때, 인상 구동부(150)는 종결정(142)의 수직 및 회전 운동을 제어하는 역할을 한다. 종결정(142)이 인상되는 동안, 도가니(110)의 아래에 배치된 회전축(130)은 화살표 방향으로 도가니(110)를 회전시킨다.
이와 같이 육성되는 단결정 실리콘 잉곳(I)은 n형 또는 p형 도펀트에 의해 도핑될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 2와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였다.
도 3을 참조하면, 실리콘 용융액(SM)을 생성하기 위해, 도가니(110)에 다결정 폴리 실리콘(20)을 투입할 때, 실시 예에 의한 첨가물(10)이 함께 투입된 모습을 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 첨가물(10)과 다결정 폴리 실리콘(20)이 도가니(110)에 함께 투입된 상태에서 히터(120)로 도가니(110)를 가열하면, 이들(10, 20)이 용융되어 도 2에 도시된 실리콘 용융액(SM)으로 변할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 첨가물(10)은 실리콘 웨이퍼(12) 및 첨가층(14)을 포함한다. 첨가층(14)은 실리콘 웨이퍼(12) 위에 증착되어 배치된다. 첨가층(14)은 실리콘 웨이퍼(12) 위에 화학 기상 증착(CVD:Chemical Vapor Deposition)법 또는 물리적 기상 증착(PVD:Physical Vapor Deposition)법 같은 다양한 증착 방식으로 증착될 수 있다.
예를 들어, 마그네트론 스퍼터(Magnetron Sputter) 방식으로 BaSi2막이 첨가층(14)으로서 실리콘 기판(12) 상에 증착될 수 있다. 사방정계(orthorhombic) BiSi4 때문에 Si(100)에 비해 Si(111) 기판 상에 바륨(Ba)을 첨가층(14)으로서 증착시키는 것이 용이할 수 있다. Si(100) 기판의 경우 미스매치(mismatch) 때문에 증착된 바륨(Ba) 첨가층(14)이 박리될 수도 있기 때문이다.
첨가층(14)은 단결정 실리콘 잉곳(I)을 도핑할 도펀트와 이종인 물질(이하, '이종 물질'이라 함)일 수 있다.
실시 예에 의하면, 이종 물질은 다음과 같은 2가지의 조건을 충족하는 어떤 물질이든지 포함할 수 있다.
이종 물질을 위한 첫 번째 조건으로서, 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 가져야 한다. 왜냐하면, 이종 물질의 편석 계수가 실리콘의 편석 계보다 작지 않을 경우, 육성되는 단결정 실리콘 잉곳(I)으로 이종 물질이 혼입될 수 있기 때문이다. 따라서, 이종 물질의 단결정 실리콘 잉곳(I)으로의 혼입을 최소화 또는 방지시키기 위해 이종 물질의 편석 계수는 실리콘의 편석 계수보다 작은 것이 바람직하다.
이종 물질을 위한 두 번째 조건으로서, 이종 물질과 산소 간의 반응도(reactivity)(이하, '산소 반응도'이라 함)는 도펀트와 산소 간의 반응도보다 커야 한다. 왜냐하면, 이종 물질의 산소 반응도가 도펀트의 산소 반응도보다 작을 경우, 도펀트와 산소가 반응하여 실리콘 용융액(SM)으로부터 휘발되는 것을 막을 수 없기 때문이다. 따라서, 이종 물질의 산소 반응도가 도펀트의 산소 반응도보다 클 경우, 도펀트와 반응한 산소의 휘발이 방지되어, 더욱 많은 산소가 단결정 실리콘 잉곳(I)으로 혼입될 수 있어, 고산소농도를 함유하는 단결정 실리콘 잉곳(I)이 제조될 수 있다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼의 벌크 내에 존재하는 산소는 후속하는 반도체 소자의 제조 공정시 발생할 수 있는 금속 불순물을 제거하는 진성 게더링 사이트(intrinsic gettering site)로 작용한다. 따라서 반도체 소자의 고밀도화 및 고집적화에 대응하기 위해서 산소농도 및 비저항값을 적절한 값으로 제어하는 것이 매우 중요하다. 이러한 고품질 반도체 소자용 단결정 실리콘 잉곳은 New ASTM으로 13 ppma 이상의 고 산소 농도를 포함하는 것이 바람직하며, 0.02 Ω·㎝ 내지 0.001 0.02 Ω·㎝ 범위의 비저항값을 가져야 하는 것으로 알려져 있다.
이를 고려할 때, 전술한 실시 예에서와 같이 이종 물질을 이용하여 도펀트의 휘발을 억제할 경우, 고 산소 농도를 포함하는 전술한 고품질 반도체 소자용 단결정 실리콘 잉곳(I)이 육성될 수 있다.
예를 들면 전술한 2가지의 조건을 모두 만족하는 바륨(Ba)이 이종 물질에 포함될 수 있다. 그 이유를 살펴보면 다음과 같다.
수학식 1은 응고 편석을 나타내는 일반적인 수식이다.
Figure pat00001
여기서, C는 고체(즉, 단결정 실리콘 잉곳(I))에서의 용질의 농도를 나타내고, Co는 액체(즉, 실리콘 용융액(SM))에서의 용질의 량을 나타내고, k는 편석 계수(또는, 분배계수)(segregation coefficient)를 나타내고, g는 고화율(Fraction Frozen)을 나타낸다. 즉, 수학식 1은 고체와 액체의 용질의 농도 구배를 나타낸다.
바륨(Ba)의 편석 계수(k)는 10-8 보다 작으므로, 실리콘의 편석 계수보다 작다. 따라서, 실리콘 용융액(SM) 내부에 함유된 량에 비해 바륨(Ba)의 매우 극소량이 단결정 실리콘 잉곳(I)으로 유입됨을 알 수 있다. 예를 들어, 육성된 단결정 실리콘 잉곳(I)에서 테일(tail) 부분에서 바륨(Ba) 농도는 1.11 x E10 atoms/㎤ 수준이다. 따라서, 바륨(Ba)은 성장되는 단결정 실리콘 잉곳(I)으로 거의 혼입되지 않는다고 볼 수 있다. 이와 같이 바륨(Ba)은 전술한 첫 번째 조건을 만족함을 알 수 있다.
또한, 이종 물질인 바륨(Ba)과 산소간의 산소 반응도 및 예를 들어 도펀트인 인(P:phosphorus)과 산소 간의 산소 반응도는 다음 표 1과 같다.
구 분 형성 자유 에너지(kJ/㏖)
BaO2 -584
P2O5 -1343
표 1을 참조하면, 형성 자유 에너지(Free Energy of Formation)의 절대값이 BaO2가 P2O2보다 낮기 때문에, 바륨(Ba)과 산소(O) 간의 반응도는 인(P)과 산소(O) 간의 반응도보다 높다. 즉, 바륨(Ba)의 산소 반응도는 인(P)의 산소 반응도보다 높다. 그러므로, 바륨(Ba)은 전술한 두 번째 조건을 만족함을 알 수 있다.
또한, 이종 물질인 바륨의 농도가 7.1 x 1015 atoms/㎤보다 작을 경우 도가니(110)의 실투되는 결정화 촉진이 불충분할 수 있고 크리스토발라이트(Cristobalite) 등의 박리성 높은 이물질의 생성을 억제하는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있다. 또한, 바륨의 농도가 7.1 x 1017 atoms/㎤보다 크면, 결정화가 너무 많이 진행되어 결정층이 박리되기 쉽다. 따라서, 이종 물질인 바륨의 농도는 7.1 x 1015 atoms/㎤ 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤일 수 있다.
이하, 이종 물질이 바륨(Ba)을 포함하고, 단결정 실리콘 잉곳(I)을 도핑시킬 도펀트로서 인(P)(예를 들어, red phosphorus)이 실리콘 용융액(SM)에 포함되어 있을 경우, 전술한 2가지의 조건을 만족하는 바륨(Ba)의 역할에 대해 다음과 같이 설명한다.
도 4는 도 2에 도시된 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면으로서, 도 2와 동일한 부분은 동일한 참조부호를 사용하였다. 그리고, ★은 실리콘 원자를 나타내고, ■는 인(P) 원자를 나타내고, ▲는 바륨(Ba)의 원자를 나타내고, ○는 산소 원자를 나타낸다.
만일, 이종 물질로서 바륨(Ba)이 실리콘 용융액(SM)에 포함되어 있지 않다면, 산소(O)가 인(P)과 반응하여 PO, PO2, P2O5의 형태로 매우 빠른 속도로 휘발할 수 있다.
그러나, 도 4를 참조하면, 실리콘 용융액(SM)에 포함된 도펀트로서의 인(P) 원자(■)의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 갖는 이종 물질인 바륨(Ba)이 실리콘 용융액(SM)에 포함되어 있기 때문에, 실리콘 용융액(SM) 내에 형성된 BaSiO4는 도펀트인 인(P)의 휘발(210)을 억제한다.
따라서, 도펀트인 인(P)의 휘발이 억제되므로, 실리콘 용융액(SM)에 포함된 산소(O)의 량이 기존보다 많아져서, 단결정 실리콘 잉곳(I)에 많은 산소가 유입될 수 있다.
게다가, 도펀트인 인(P)과 산소(O)와 반응하여 휘발되는 량이 많을 경우 기화열로 인해 Maranoni 장력이 약화되고 과냉각 영역이 잠식되어 단결정 실리콘 잉곳이 다결정화되어 파괴될 수 있다. 그러나, 실시 예에 의하면, 도펀트의 휘발이 이종 물질인 바륨(Ba)에 의해 억제되어 과냉 영역이 확장(200)됨을 알 수 있다.
또한, 전술한 첨가물(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 분쇄되거나 파쇄되지 않고 원형 그대로 도가니(110)에 투입될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 첨가물(10)의 적어도 일부는 분쇄된 분말 형태를 갖거나, 파쇄된 쪼개진 형태를 가질 수도 있다. 이와 같이, 첨가물(10)이 분쇄되거나 파쇠될 경우, 정확하게 계량된 정량으로 첨가물(10)이 도가니(110)로 투입될 수 있다. 또한, 정확하게 계량하기 위해, 첨가층(14)은 실리콘 웨이퍼(12) 위에 실질적으로 동일한 두께로 증착되는 것이 바람직하다.
도 5는 도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일부를 나타내는 도면이다. 도 2와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였다.
도 3의 경우, 도가니(110)에 실리콘 용융액(SM)을 최초로 생성하기 위해 다결정 폴리 실리콘(20)과 첨가물(10)이 함께 투입되는 모습을 나타낸다. 그러나, 다른 실시 예에 의하면, 도가니(110)에 수용된 실리콘 용융액(SM)의 량을 보충하기 위해 도 5에 도시된 바와 다결정 폴리 실리콘(20)을 추가로 투입할 때, 첨가물(10)도 함께 도가니(110)에 투입될 수 있다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물(10)을 이용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 대해 첨부된 도면을 참고하여 다음과 같이 설명한다. 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법이 도 2에 도시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 6에 도시된 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법은 도 2에 도시된 구성과 다른 구성을 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서도 수행될 수 있음은 물론이다.
도 6은 실시 예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 첨가물(10)과 다결정 폴리 실리콘(20)을 도가니(110)에 투입한다(제320 단계).
또한, 첨가물(10)의 정확하게 계량된 정량이 도가니(110)로 투입될 수 있도록, 제320 단계를 수행하기 이전에, 첨가물(10)의 적어도 일부를 분쇄하거나 파쇄할 수도 있다(제310 단계). 이 경우, 파쇄/분쇄된 첨가물 또는 파쇄/분쇄되지 않은 첨가물(10) 중 적어도 하나의 소정량이 다결정 폴리 실리콘(20)과 함께 도가니(110)로 투입될 수 있다. 여기서, 도가니(10)에 투입되는 첨가물(10)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같으므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 첨가물(10)의 첨가층(14)은 이종 물질로서 바륨을 포함할 수 있고, 바륨의 농도는 7.1 x 1015 atoms/㎤ 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤일 수 있다.
제320 단계 후에, 도가니(110)를 가열하여 첨가물(10)과 다결정 폴리 실리콘(20)을 실리콘 용융액(SM)으로 용융시킨다(제330 단계).
제330 단계 후에, 실리콘 용융액(SM)에 도펀트를 투입한다(제340 단계).
제340 단계 후에, 실리콘 용융액(SM)으로부터 단결정 실리콘 잉곳(I)을 성장시킨다(제350 단계). 제350 단계에 대해서는 전술한 바와 같다. 즉, 도 2를 참조하면, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액(SM)에 종결정(142)을 침지시키고, 실리콘 용융액(SM) 계면에서 결정화가 일어나도록 하여, 종결정(142)을 화살표 방향으로 회전하면서 인상 와이어(144)에 의해 인상시킴으로서 단결정 실리콘 잉곳(I)이 육성된다.
한편, 제350 단계를 수행하는 동안, 도가니(110)에 수용된 실리콘 용융액(110)이 부족하여 보충하고자 할 때, 도 5에 도시된 바와 같이 첨가물(10)을 다결정 폴리 실리콘(20)과 함께 도가니(110)에 투입할 수도 있다.
결국, 전술한 바와 같이, 실시 예에 의하면 첨가물(10)에 의해 도펀트의 휘발량이 억제되므로 실리콘 용융액(SM)에 산소를 많이 잔류시켜 단결정 실리콘 잉곳(I)으로 많은 산소가 혼입되도록 할 수 있다.
또한, 바륨(Ba)이 BaCO3의 분말 형태로 도가니(110)로 투입되거나 BaCO3를 에탄올에 5 wt% 내지 25 wt%로 혼합하여 실리콘 웨이퍼(12)에 분사하여 코팅한 후 다결정 폴리 실리콘(20)과 함께 도가니(110) 내에 적층할 경우, 다음 화학식 1과 같이, 바륨(Ba)과 SiO3 형태로 바륨(Ba)이 산소와 반응하여 인(P)과 같은 도펀트의 휘발이 억제될 수 있다.
Figure pat00002
그러나, 화학식 1에 보여지듯이, 발생된 CO2에서 발생하는 탄소 성분(C)이 단결정 실리콘 잉곳(I)에 혼입되어 단결정 실리콘 잉곳(I) 내의 탄소 성분(C)을 증가시켜 악영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하기 위해, BaCO3 분말을 석영 도가니(112)에 균등하게 흩뿌린다고 하더라도, 계속 변화하는 공정 조건에서는 그 효과가 일정하지 않다.
따라서, 실시 예에 의하면, 바륨(Ba)을 포함하는 첨가층(14)을 실리콘 웨이퍼(12)에 증착시켜 도가니(110)에 투입하기 때문에, 탄소 성분(C)이 단결정 실리콘 잉곳(I)에 혼입되는 것을 차단함으로써, 단결정 실리콘 잉곳(I)이 탄소로 오염됨을 원천적으로 방지할 수 있다.
또한, BaCO3의 량과 동일한 량을 갖는 첨가층(14)을 실리콘 기판(12)에 증착시킬 수도 있다. 예를 들어, 실리콘 원료에 대한 바륨 화합물의 첨가량은, BaCO3의 첨가량(중량비)으로서 1 ppm 내지 100 ppm 즉, 바륨 농도로서 7.1 x 1015 atoms/㎤ 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤일 수 있다.
또한, 바륨(Ba)과 같이 도펀트와 이종인 물질이 첨가물로서 도가니(110)에 투입될 경우, 석영 도가니(112)의 내벽 표면에서 바륨(Ba)이 결정화의 핵으로서 작용하여 석영 도가니(112)의 내벽 전면에 균일하고 박리하기 어려운 결정화층이 생성된다. 따라서, 도가니(110)에서 크랙이 들어가 희게 보이는 실투층(Devitrification)의 형성이 억제되어 단결정 실리콘 잉곳(I)의 유전위화가 방지될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 첨가물 12: 실리콘 기판
14: 첨가층 20: 다결정 폴리 실리콘
110: 도가니 112: 석영 도가니
114: 흑연 도가니 120: 히터
130: 회전축 142: 종결정
144: 인상 와이어 150: 인상 구동부

Claims (11)

  1. 첨가물이 투입되며 실리콘 용융액을 수용하는 도가니 및 상기 도가니를 가열하여 상기 첨가물과 다결정 폴리 실리콘을 상기 실리콘 용융액으로 용융시키는 히터를 포함하며, 도펀트에 의해 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조를 위한 상기 첨가물에 있어서,
    실리콘 웨이퍼; 및
    상기 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 첨가층를 포함하고,
    상기 첨가층은 상기 도펀트와 이종인 물질을 포함하고,
    상기 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 갖고, 상기 도펀트의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이종 물질은 바륨을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 첨가물의 적어도 일부는 분쇄된 분말 형태를 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 첨가물의 적어도 일부는 파쇄된 쪼개진 형태를 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 첨가층은 상기 실리콘 웨이퍼 위에 실질적으로 동일한 두께로 증착된 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 바륨의 농도는 7.1 x 1015 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤인 단결정 실리콘 잉곳 제조용 첨가물.
  7. 도가니 및 히터를 포함하며 초크랄스키법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 있어서,
    첨가물과 다결정 폴리 실리콘을 상기 도가니로 투입하는 단계;
    상기 도가니를 가열하여 상기 첨가물과 상기 다결정 폴리 실리콘을 실리콘 용융액으로 용융시키는 단계;
    상기 실리콘 용융액에 도펀트를 투입하는 단계; 및
    상기 실리콘 용융액으로부터 상기 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 첨가물은
    실리콘 웨이퍼; 및
    상기 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 첨가층을 포함하고,
    상기 첨가층은 상기 도펀트와 이종인 물질을 포함하고,
    상기 이종 물질은 실리콘의 편석 계수보다 작은 편석 계수를 갖고, 상기 도펀트의 산소 반응도보다 큰 산소 반응도를 갖는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 첨가물의 적어도 일부를 파쇄하는 단계를 더 포함하고,
    상기 파쇄된 첨가물 또는 파쇄되지 않은 상기 첨가물 중 적어도 하나의 소정량이 상기 도가니에 투입되는 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 도가니에 수용된 상기 실리콘 용융액을 보충하고자 할 때, 상기 첨가물을 상기 도가니에 투입하는 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 이종 물질은 바륨을 포함하는 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 바륨의 농도는 7.1 x 1015 내지 7.1 x 1017 atoms/㎤인 첨가물을 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
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