KR20190126163A - n형 실리콘 단결정의 제조 방법, n형 실리콘 단결정의 잉곳, 실리콘 웨이퍼 및, 에피택셜 실리콘 웨이퍼 - Google Patents

Abstract

적인을 주된 도펀트로서 포함하는 실리콘 융액(9)으로부터, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정(10)을 인상하여 성장시키는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법은, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.3배 이하인 석영 도가니(3A)를 이용하여, 전기 저항률이 0.5mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 실리콘 단결정(10)의 인상을 행한다.

Description

n형 실리콘 단결정의 제조 방법, n형 실리콘 단결정의 잉곳, 실리콘 웨이퍼 및, 에피택셜 실리콘 웨이퍼

본 발명은, n형 실리콘 단결정의 제조 방법, n형 실리콘 단결정의 잉곳(ingot), 실리콘 웨이퍼 및, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화기 등의 휴대 기기가 널리 보급되어 있다. 이러한 휴대 기기에서는, 장시간 휴대하여 사용 가능한 것이 강하게 요구되고 있어, 휴대 기기에 내장되는 배터리의 대용량화나, 휴대 기기 자체의 소비 전력을 저감시키는 대처가 이루어지고 있다.

휴대 기기 자체의 소비 전력을 저감시키기 위해서는, 휴대 기기의 내부에 탑재되는 반도체 디바이스의 소비 전력을 저감시키는 것이 필요하다.

예를 들면, 휴대 기기의 전력용 디바이스로서 사용되는 저(低)내압 파워 MOSFET(Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)는, 통전 상태가 되었을 때에 그의 내부에 어느 일정한 전기 저항을 갖기 때문에, 저내압 파워 MOSFET에 흐르는 전류에 따라서 그 자체가 전력을 소비한다.

따라서, 저내압 파워 MOSFET가 통전 상태가 되었을 때의 내부 저항을 작게 할 수 있으면, 휴대 기기의 소비 전력을 저감시키는 것이 가능해진다. 그러한 배경으로부터, 저내압 파워 MOSFET가 통전 상태가 되었을 때의 저항을 작게 하기 위해, 저전기 저항률(이하, 저(低)저항률이라고 칭함)의 n형 실리콘 단결정이 강하게 요구되고 있다.

그런데, 종래, 초크랄스키법(Czochralski process)에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 특허문헌 1에는, 실리콘 단결정의 직경(직동 지름(straight-body diameter))에 대하여, 석영 도가니의 내경을 3배 이상으로 하는 것이 바람직하고, 이에 따라, 대구경의 실리콘 단결정의 인상 시에 있어서도, 안정된 실리콘 단결정의 인상을 행할 수 있다는 기술이 개시되어 있다.

또한, 실리콘 웨이퍼의 저저항률화를 도모할 수 있는 도펀트(dopant)로서, 적인(red phosphorus), 비소를 들 수 있지만, 적인을 도펀트로 하여 저저항률화를 도모하는 기술로서, 특허문헌 2가 제안되어 있다.

또한, 비소를 도펀트로 하여 저저항률화를 도모하는 기술로서, 특허문헌 3이 제안되어 있다.

일본공개특허공보 2009-292684호 일본특허공보 제5890587호 일본공개특허공보 2011-44505호

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술을, 저저항률의 n형 실리콘 단결정의 인상에 이용하고자 하면, 휘발성 도펀트인 적인, 비소 등의 n형 도펀트가 인상 중에 증발해 버려 소망하는 저저항률 범위가 되는 실리콘 단결정의 수율 저하를 일으키거나, n형 도펀트의 첨가량 증가에 수반하여, 실리콘 단결정의 유전위화(有轉位化)가 발생한다는 과제가 있다.

또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 적인을 도펀트로 하여 저저항률의 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있지만, 실시예에 개시되는 실리콘 웨이퍼의 지름은, 직경 200㎜에 불과하다.

또한, 상기 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 비소를 도펀트로 하여 저저항률의 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있지만, 실시예에 개시되는 실리콘 웨이퍼의 지름은, 직경 150㎜에 불과하다.

본 발명의 목적은, 실리콘 단결정의 수율 저하를 억제할 수 있고, 또한 유전위화의 발생을 억제할 수 있는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법 및, n형 실리콘 단결정의 잉곳, 직경 200㎜ 이상의 실리콘 웨이퍼 및, 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 n형 실리콘 단결정의 제조 방법은, 적인을 주된 도펀트로서 포함하는 실리콘 융액으로부터, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하여 성장시키는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.3배 이하인 석영 도가니를 이용하여, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 0.5mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 직동 지름이란, 인상된 실리콘 단결정 중, 직경이 거의 일정하게 제어되어, 실리콘 웨이퍼가 잘라내어지는 부분의 직경을 말한다.

이 발명에 의하면, 실리콘 단결정의 직동 지름에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.3배 이하인 석영 도가니를 이용함으로써, 석영 도가니 내의 융액 자유 표면의 면적을 적게 할 수 있기 때문에, 융액 내의 도펀트로서의 적인의 증발을 억제할 수 있어, 실리콘 단결정의 저저항률 부분의 수율을 저하시키는 일이 없다.

또한, 적인의 증발을 억제함으로써, 인상 당초부터 적인을 다량으로 첨가하지 않아도 되기 때문에, 실리콘 단결정의 유전위화의 발생을 억제할 수 있다.

즉, 이 발명에 의해, 실리콘 단결정의 인상 당초에 있어서의 고농도의 적인에 의한 유전위화를 방지하면서, 융액 내의 적인의 증발을 억제함으로써, 인상의 진행에 수반하여 융액 내의 적인 농도를 고농도화시켜, 저저항률의 단결정을 얻을 수 있다.

본 발명에서는, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름은, 201㎜ 이상, 230㎜ 이하이고, 상기 석영 도가니의 내경이, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름의 2.1배 이상, 2.3배 이하로 하는 것이 바람직하다.

실리콘 단결정의 직동 지름이 201㎜ 이상, 230㎜ 이하인 경우에는, 적인의 증발을 억제하기 때문에, 석영 도가니의 내경을 이 범위로 하면, 전술한 작용 및 효과를 향수(obtain)할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이, 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하인 것이 바람직하다.

이러한 저항률의 범위의 경우라도, 석영 도가니 지름을 실리콘 단결정의 직동 지름의 2.1배 이상, 2.3배 이하로 함으로써, 무전위로 실리콘 단결정을 인상할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름은, 301㎜ 이상, 330㎜ 이하이고, 상기 석영 도가니의 내경이, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하로 하는 것이 바람직하다.

실리콘 단결정의 직동 지름이 301㎜ 이상, 330㎜ 이하인 경우에는, 적인의 증발을 억제하기 때문에, 석영 도가니의 내경을 이 범위로 하면, 전술한 작용 및 효과를 향수할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이, 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것이 바람직하다.

이러한 저항률의 범위의 경우라도, 석영 도가니 지름을 실리콘 단결정의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하로 함으로써, 무전위로 실리콘 단결정을 인상할 수 있다.

본 발명의 n형 실리콘 단결정의 제조 방법은, 비소를 주된 도펀트로서 포함하는 실리콘 융액으로부터, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하여 성장시키는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.0배 이하인 석영 도가니를 이용하여, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 한다.

이 발명에 의해서도, 전술한 작용 및 효과와 동일한 작용 및 효과를 향수할 수 있다.

즉, 이 발명에 의해, 실리콘 단결정의 인상 당초에 있어서의 고농도의 비소에 의한 유전위화를 방지하면서, 융액 내의 비소의 증발을 억제함으로써, 인상의 진행에 수반하여 융액 내의 비소 농도를 고농도화시켜, 저저항률의 단결정을 얻을 수 있다.

본 발명에서는, 상기 실리콘 단결정의 인상 장치의 로(furnace) 내 압력을 40㎪ 이상, 80㎪ 이하로 하여 상기 실리콘 단결정을 인상하는 것이 바람직하다.

이 발명에 의하면, 인상 장치의 로 내 압력을 40㎪ 이상으로 함으로써, 적인이나 비소의 증발을 억제할 수 있다. 한편, 로 내 압력을 80㎪ 이하로 함으로써, 실리콘 융액 중의 도펀트가 편석에 의해 농축되어, 유전위화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 석영 도가니 내의 실리콘 융액에, 자장 강도 0.2T 이상, 0.4T 이하를 인가하여 인상하는 것이 바람직하다.

이 발명에 의하면, 자장 강도 0.2T 이상, 0.4T 이하의 자장을 인가함으로써, 인상 중의 실리콘 단결정의 면 내 흔들림을 방지할 수 있기 때문에, 유전위화를 발생시키지 않고, 확실히 실리콘 단결정의 인상을 행할 수 있다.

본 발명의 n형 실리콘 단결정의 잉곳은, 적인을 도펀트로서 포함하고, 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 n형 실리콘 단결정의 잉곳이다.

본 발명의 실리콘 웨이퍼는, 전술한 n형 실리콘 단결정의 잉곳으로부터 잘라내어지고, 전기 저항률이 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼이다.

본 발명의 에피택셜 실리콘 웨이퍼는, 전술한 실리콘 웨이퍼의 표면에 에피택셜막을 형성한 것을 특징으로 한다.

이들 발명에 의하면, 적인을 도펀트로 하여, 종래에는 없는, 직경 300㎜라는 대경이고, 또한 저저항률의 실리콘 단결정의 잉곳, 저저항률 실리콘 웨이퍼 및, 저저항률 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

본 발명의 n형 실리콘 단결정의 잉곳은, 비소를 도펀트로서 포함하고, 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 n형 실리콘 단결정의 잉곳이다.

본 발명의 실리콘 웨이퍼는, 전술한 n형 실리콘 단결정의 잉곳으로부터 잘라내어지고, 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼이다.

본 발명의 에피택셜 실리콘 웨이퍼는, 전술한 실리콘 웨이퍼의 표면에 에피택셜 성장막을 형성한 것을 특징으로 한다.

이들 발명에 의하면, 비소를 도펀트로 하여, 종래에는 없는, 직경 300㎜라는 대경이고, 또한 저저항률의 실리콘 단결정의 잉곳, 저저항률 실리콘 웨이퍼 및, 저저항률 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 실리콘 단결정의 인상 장치의 구조의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시예에 있어서의 적인을 도펀트로 한 경우의 실리콘 단결정(직동 지름 201∼230㎜)의 직동 길이와, 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예에 있어서의 적인을 도펀트로 한 경우의 실리콘 단결정(직동 지름 201∼230㎜)의 직동 길이와, 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에 있어서의 적인을 도펀트로 한 경우의 실리콘 단결정(직동 지름 301∼330㎜)의 직동 길이와, 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에 있어서의 비소를 도펀트로 한 경우의 실리콘 단결정(직동 지름 301∼330㎜)의 직동 길이와, 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

[1] 실리콘 단결정의 인상 장치(1)의 구조

도 1에는, 본 발명의 실시 형태에 따른 실리콘 단결정의 제조 방법을 적용할 수 있는 실리콘 단결정의 인상 장치(1)의 구조의 일 예를 나타내는 개략도가 나타나 있다. 인상 장치(1)는, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정(10)을 인상하는 장치이며, 외곽을 구성하는 챔버(2)와, 챔버(2)의 중심부에 배치되는 도가니(3)를 구비한다.

도가니(3)는, 내측의 석영 도가니(3A)와, 외측의 흑연 도가니(3B)로 구성되는 이중 구조이며, 회전 및 승강이 가능한 지지축(4)의 상단부에 고정되어 있다.

도가니(3)의 내측의 석영 도가니(3A)의 내경은, 실리콘 단결정(10)의 인상 시의 직동 지름에 대하여, 1.7배 이상, 2.3배 이하로 된다.

구체적으로는, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름이 201㎜ 이상, 230㎜ 이하인 경우, 석영 도가니(3A)의 내경은, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 2.1배 이상, 2.3배 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름이 301㎜ 이상, 330㎜ 이하인 경우, 석영 도가니(3A)의 내경은, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하로 하는 것이 바람직하다.

도가니(3)의 내경을 이것보다도 크게 하면, 열 차폐판(12)이나, 챔버(2)의 개구경이 커지기 때문에, 도펀트 증착물이 로체(furnace body)에 부착되고, 실리콘 단결정(10)에 이물이 부착되어, 유전위화가 발생하기 쉬워진다.

도가니(3)의 내경을 이러한 범위로 함으로써, 실리콘 단결정(10)과 석영 도가니(3A)의 사이의 간극을 적게 할 수 있기 때문에, 적인, 비소 등의 도펀트의 증발을 억제하고, 도펀트의 편석 현상에 의한 직동부 개시부에 있어서의 유전위화의 발생을 방지할 수 있다.

도가니(3)의 외측에는, 도가니(3)를 둘러싸는 저항 가열식의 히터(5)가 설치되고, 그의 외측에는, 챔버(2)의 내면을 따라 단열재(6)가 형성되어 있다. 또한, 히터(5)는, 단체(single body)의 것뿐만 아니라, 상하로 분할되어, 각각이 독립적으로 온도 설정이 가능하게 되어 있어도 좋다.

도가니(3)의 상방에는, 지지축(4)과 동축상에서 역방향 또는 동일 방향으로 소정의 속도로 회전하는 와이어 등의 인상축(7)이 형성되어 있다. 이 인상축(7)의 하단에는 종 결정(seed crystal;8)이 부착되어 있다.

또한, 챔버(2) 내에는, 실리콘 융액(9)의 상방에서 육성 중의 실리콘 단결정(10)을 둘러싸는 원통형의 수냉체(water cooled body)가 형성되어 있어도 좋다.

수냉체는, 예를 들면, 구리 등의 열전도성이 양호한 금속으로 이루어지고, 내부에 유통되는 냉각수에 의해 강제적으로 냉각된다. 수냉체는, 육성 중의 실리콘 단결정(10)의 냉각을 촉진하고, 단결정 중심부 및 단결정 외주부의 인상축 방향의 온도 구배를 제어하는 역할을 담당한다.

챔버(2) 내에는, 통 형상의 열 차폐판(12)이 배치되어 있다.

열 차폐판(12)은, 육성 중의 실리콘 단결정(10)에 대하여, 도가니(3) 내의 실리콘 융액(9)이나 히터(5)나 도가니(3)의 측벽으로부터의 고온의 복사열을 차단함과 함께, 결정 성장 계면인 고액 계면의 근방에 대해서는, 외부로의 열의 확산을 억제하고, 단결정 중심부 및 단결정 외주부의 인상축 방향의 온도 구배를 제어하는 역할을 담당한다.

챔버(2)의 상부에는, Ar 가스 등의 불활성 가스를 챔버(2) 내에 도입하는 가스 도입구(13)가 형성되어 있다. 챔버(2)의 하부에는, 도시하지 않는 진공 펌프의 구동에 의해 챔버(2) 내의 기체를 흡인하여 배출하는 배기구(14)가 형성되어 있다.

가스 도입구(13)로부터 챔버(2) 내에 도입된 불활성 가스는, 육성 중의 실리콘 단결정(10)과 열 차폐판(12)의 사이를 하강하여, 열 차폐판(12)의 하단과 실리콘 융액(9)의 액면의 간극(액면(Gap))을 거친 후, 열 차폐판(12)의 외측, 또한 도가니(3)의 외측을 향하여 흐르고, 그 후에 도가니(3)의 외측을 하강하여, 배기구(14)로부터 배출된다.

이러한 육성 장치를 이용한 실리콘 단결정(10)의 육성 시, 챔버(2) 내를 감압하의 불활성 가스 분위기로 유지한 상태에서, 도가니(3)에 충전한 다결정 실리콘 등의 고형 원료를 히터(5)의 가열에 의해 용융시켜, 실리콘 융액(9)을 형성한다. 도가니(3) 내에 실리콘 융액(9)이 형성되면, 인상축(7)을 하강시켜 종 결정(8)을 실리콘 융액(9)에 침지하고, 도가니(3) 및 인상축(7)을 소정의 방향으로 회전시키면서, 인상축(7)을 서서히 인상하고, 이에 따라 종 결정(8)에 연속해 있는 실리콘 단결정(10)을 육성한다.

[2] 실리콘 단결정의 제조 방법

전술한 인상 장치(1)를 이용하여 본 실시 형태의 n형 실리콘 단결정인 실리콘 단결정(10)을 제조하는 경우, 실리콘 융액(9) 중에, 적인 또는 비소를 주된 도펀트로 하여, 인상 당초에 첨가하거나, 또는 인상 중에 적절히 첨가함으로써, 제조할 수 있다. 적인 또는 비소를 주된 도펀트로 하는 경우, n형 도펀트 중 50질량％ 이상을 적인 또는 비소로 하지만, 추가로 다른 도펀트를 첨가해도 좋다.

직동 지름 201㎜ 이상, 230㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 인상에 있어서, 적인을 도펀트로 한 경우에는, 실리콘 단결정(10)의 직동부 개시 위치에서, 저항률을 0.8mΩ㎝ 이상, 1.05mΩ㎝ 이하로 제어하고, 그 후, 실리콘 단결정(10)을 인상하여 성장시킴에 따라, 순차적으로 실리콘 단결정(10)의 저항률을 내려 나가, 최종적으로 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)을 얻는다.

직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 인상에 있어서, 적인을 도펀트로 한 경우에는, 실리콘 단결정(10)의 직동부 개시 위치에서, 저항률을 1.2mΩ㎝ 이상, 1.7mΩ㎝ 이하로 제어하고, 그 후, 실리콘 단결정(10)을 인상하여 성장시킴에 따라, 순차적으로 실리콘 단결정(10)의 저항률을 내려 나가, 최종적으로 잉곳의 일부가 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하가 되는 실리콘 단결정(10)을 얻는다.

직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 인상에 있어서, 비소를 도펀트로 한 경우에는, 실리콘 단결정(10)의 직동부 개시 위치에서, 저항률을 2.5mΩ㎝ 이상, 3.1mΩ㎝ 이하로 제어하고, 그 후, 실리콘 단결정(10)을 인상하여 성장시킴에 따라, 순차적으로 실리콘 단결정(10)의 저항률을 내려 나가, 최종적으로 잉곳의 일부가 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하가 되는 실리콘 단결정(10)을 얻는다.

본 실시 형태의 실리콘 단결정(10)의 잉곳은, 일반적인 인상 조건으로 인상할 수 있다. 그때, 도가니(3) 내의 실리콘 융액(9)에 있어서의 적인이나 비소와 같은 도펀트 농도를 증가시키는 수단으로서는, 인상 중에 도펀트의 첨가량을 변화시키거나, 인상에 수반하는 편석 현상에 의한 도펀트 농도의 상승을 이용하거나, 챔버(2) 내에 도입되는 불활성 가스의 도입량을 변화시켜 도펀트의 증발을 억제하고, 챔버(2) 내의 압력을 변화시키는 것을 들 수 있다.

구체적으로는, 실리콘 단결정(10)의 직동부 인상의 전반에 있어서는, 도펀트의 증발을 억제하고, 도가니(3) 내의 실리콘 융액(9)에 있어서의 도펀트 농도를 올리고 싶은 경우, Ar 유량을 50L/min∼150L/min, 로 내 압력을 40㎪∼80㎪로 한다.

한편, 실리콘 단결정(10)의 직동부 인상의 후반에 있어서는, 도펀트의 증발을 촉진하고, 실리콘 단결정(10)의 육성의 진행에 수반하는 편석에 의한 도펀트 농도의 농화와 상쇄시켜, 도가니(3) 내의 실리콘 융액(9)에 있어서의 도펀트 농도를 유지하고 싶은 경우, Ar 유량을 50L/min∼200L/min, 로 내 압력을 20㎪∼80㎪(바람직하게는 30㎪ 이상, 40㎪ 이하)로 한다.

또한, 실리콘 단결정(10)의 인상 시에 있어서는, 자장 강도 0.2T 이상, 0.4T 이하의 자장을 인가하는 것도 바람직하다. 자장을 인가함으로써, 인상 중의 실리콘 단결정(10)의 멜트 대류(melt flow)를 억제하고, 멜트 내의 온도 불균일이나 난류 현상을 저감할 수 있기 때문에, 유전위화를 발생시키지 않고, 확실히 실리콘 단결정(10)의 인상을 행할 수 있다.

실리콘 단결정(10)의 인상 시에 있어서, 히터(5)가 독립적으로 온도 설정이 가능한 상부 히터 및 하부 히터를 사용하는 경우, 상부 히터에 의한 가열량과 하부 히터에 의한 가열량의 비를 1 이상, 4 이하로 하는 것이 바람직하다.

1 미만, 즉 하부 히터의 가열량이 상부 히터의 가열량보다도 작으면, 도가니(3)의 바닥으로부터, 고액 계면에 아래를 향하는 대류가 강해지지 않아, 도펀트가 첨가된 실리콘 융액(9)의 표면으로부터 결정에 액온이 불안정한 대류를 약하게 할 수 없기 때문에, 온도의 불안정화의 유전위화의 발생을 억제할 수 없다.

한편, 가열량의 비가, 4를 초과하면, 도가니의 하부의 열 부하가 커져, 도가니(3)의 변형이나 석영의 박리가 발생할 가능성이 있다.

실리콘 단결정(10)의 숄더부를 형성하는 경우에는, 높이가 큰 리멜트 영역(re-melt region)(예를 들면, 200㎛ 이상)을 발생시키지 않도록, 실리콘 단결정(10)을 인상하는 것이 바람직하다. 리멜트 영역이란, 실리콘 융액(9)으로부터 인상되어 고화한 실리콘 단결정(10)이, 인상 시에 재차 용융되어 액화한 영역을 말한다.

구체적으로는, 숄더부 형성의 맨 처음은, 16rpm 이상, 30rpm 이하의 회전수로 도가니(3)를 회전시키면서 인상하고, 그 후, 숄더부의 직경이 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 절반 이상이 되면, 도가니(3)의 회전수를 서서히 내려 나가, 4rpm 이상, 12rpm 이하로 한다.

숄더부 형성의 맨 처음에 30rpm을 초과하는 회전수로 인상하면, 인상 장치(1)의 가동이 안정되지 않아, 숄더부가 변형될 가능성이 높아진다.

다음으로, 숄더부의 직경이 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 절반 이상이 된 경우에, 도가니(3)의 회전수를 4rpm 미만으로 하면, 도펀트가 첨가된 실리콘 융액(9)이 안정되지 않아, 유전위화가 발생할 가능성이 높아진다.

한편, 도가니(3)의 회전수가, 12rpm을 초과하면, 실리콘 단결정(10)의 면 내의 산소 밀도나 저항률의 편차가 커져, 결정 품질이 안정되지 않는다.

실리콘 단결정(10)의 직동부를 형성하는 경우에는, 높이가 큰 리멜트 영역(예를 들면, 200㎛ 이상)을 발생시키지 않도록, 인상하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 직동부 형성의 맨 처음은, 9rpm 이상, 30rpm 이하의 회전수로 도가니(3)를 회전시키면서 인상하고, 50㎜ 이상, 200㎜ 이하, 실리콘 단결정(10)의 직동부를 인상하면, 도가니(3)의 회전수를 0.1rpm 이상, 7rpm 이하로 한다.

직동부 형성의 맨 처음에 30rpm을 초과하는 회전수로 인상하면 인상 장치(1)의 가동이 안정되지 않는데다가, 직동부가 변형될 가능성이 높아진다.

다음으로, 직동부 개시 위치로부터 50㎜ 이상, 200㎜ 이하의 범위에서, 도가니(3)의 회전수가 0.1rpm 미만이면, 도펀트가 첨가된 실리콘 융액(9)이 안정되지 않아, 유전위화의 발생의 원인이 될 가능성이 높다.

한편, 도가니(3)의 회전수가 7rpm을 초과하면, 실리콘 단결정(10)의 면 내의 산소 농도나 전기 저항률의 편차가 커져, 결정 품질이 안정되지 않는다.

이러한 인상 장치(1)로 인상된 직동 지름 201㎜ 이상, 230㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 일부는, 적인을 도펀트로 한 경우, 실리콘 단결정(10)의 테일(tail)에 가까운 부분에서, 저항률이 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하인 실리콘 단결정(10)의 잉곳이 얻어진다.

실리콘 단결정(10)의 잉곳의 외주 연삭을 행하여 직동 지름 200㎜로 한 후, 당해 부분을 와이어 소(wire saw) 등으로 실리콘 웨이퍼로 잘라내고, 잘라내어진 실리콘 웨이퍼에, 래핑 공정(lapping), 연마 공정을 실시함으로써, 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하의 직경 200㎜의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

또한, 실리콘 웨이퍼의 가공 후, 실리콘 웨이퍼의 표면에, 에피택셜막을 형성하여, 직경 200㎜의 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제조하여, 고객에게 출하한다.

또한, 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부는, 적인을 도펀트로 한 경우, 실리콘 단결정의 테일에 가까운 부분에서, 저항률 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳이 얻어진다.

실리콘 단결정(10)의 잉곳의 외주 연삭을 행하여 직동 지름 300㎜로 한 후, 당해 부분을 와이어 소 등으로 실리콘 웨이퍼로 잘라내고, 잘라내어진 실리콘 웨이퍼에, 래핑 공정, 연마 공정을 실시함으로써, 저항률 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하의 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

또한, 실리콘 웨이퍼의 가공 후, 실리콘 웨이퍼의 표면에, 에피택셜 성장막을 형성하여, 직경 300㎜의 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제조하여, 고객에게 출하한다.

한편, 비소를 도펀트로 한 경우, 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 테일에 가까운 부분에서, 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 실리콘 단결정(10)의 잉곳이 얻어진다.

실리콘 단결정(10)의 잉곳의 외주 연삭을 행하여 직동 지름 300㎜로 한 후, 당해 부분을 와이어 소 등으로 실리콘 웨이퍼로 잘라내고, 잘라내어진 실리콘 웨이퍼에, 래핑 공정, 연마 공정을 실시한 후, 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

또한, 실리콘 웨이퍼의 가공 후, 실리콘 웨이퍼의 표면에, 에피택셜막을 형성하여, 직경 300㎜의 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제조하여, 고객에게 출하한다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 나타내는 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서 다른 구성을 허용하는 것이다.

[1] 직동 지름 201㎜ 이상, 230㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 경우

결정 지름 201㎜ 이상, 230㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)을 인상할 때에 있어서, 실리콘 단결정(10)의 직동부 개시 위치(숄더 끝 위치)에 있어서의 저항률을, 0.8mΩ㎝ 이상, 1.05mΩ㎝ 이하로 제어했다. 도가니(3)의 내경과 결정 지름의 비율(＝도가니(3)의 내경/결정 지름)을, 실시예에 있어서는 2.1∼2.3, 비교예 및 참고예에 있어서는 2.6∼3.0으로 하고, 차지량(charge amount)을 80㎏∼180㎏으로 했다. 또한, 인상 속도는, 0.3㎜/min∼1.0㎜/min으로 하고, 결정 회전수를 9∼17rpm으로 하고, 도가니(3)의 회전수는, 0.2rpm∼22rpm으로 했다.

또한, 실리콘 단결정(10)의 직동부 전반에서는, 아르곤 가스 유량을 50L/min∼150L/min으로 하고, 로 내압을 40㎪∼80㎪로 했다. 실리콘 단결정(10)의 직동부 후반에서는, 아르곤 가스 유량을 50L/min∼200L/min으로 하고, 로 내압을 20㎪∼80㎪로 했다.

[1-1] 저항률 0.6mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하의 경우

실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대하여, 석영 도가니(3A)의 내경을 변경하고, 복수의 수준에 대해서, 적인 도펀트 첨가, Ar 유량, 로 내압, 열 차폐판(12)의 액면 높이, 실리콘 단결정(10)의 인상 속도 및, 이들의 조합에 의해, 저항률 제어를 행하면서, 적인을 도핑한 실리콘 단결정(10)의 인상을 행했다. 결과를 표 1 및 도 2에 나타낸다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 직동 길이 0％ 위치란, 실리콘 단결정(10)의 직동부 개시 위치를 의미하고, 직동 길이 100％ 위치란, 실리콘 단결정(10)의 테일 개시 위치를 의미한다. 또한, 직동 합격 길이란, 저항률이 합격(소망하는 저항 범위 내) 또한 무전위인 직동 영역의 길이를, 직동 전체 길이로 나눈 값이며, 무전위화 성공률이란, 인상 try수 중, 무전위로 인상할 수 있었던 try수의 비율을 말한다.

비교예 1 및 비교예 2와, 실시예 1 내지 실시예 3을 비교하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 쪽이, 분명하게 무전위화 성공률이 높아져 있고, 결정 수율도 커져 있어, 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부가 저항률 0.6mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하로 되어 있는 부분을 보다 많이 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 적인을 도펀트로 하여, 목표로 하는 저항률 0.6mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳을 제조하는 경우, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대하여, 석영 도가니(3A)의 내경은, 2.1배 이상, 2.3배 이하로 하는 것이 바람직한 것이 확인되었다.

[1-2] 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하의 경우

직동 지름 201㎜ 이상, 230㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부가, 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하가 되는 경우에 있어서, 석영 도가니(3A)의 내경의 영향을 확인했다.

구체적으로는, Ar 유량·로 내압·인상 속도의 제어에 의한 저항률 제어는, 제어 방향이 증발 억제와 증발 촉진의 2방향이 있고, 실리콘 단결정(10)의 결정 톱(top)측으로부터, 소망 저항률 이하가 되는 곳까지는, 증발을 억제한다. 다음으로, 소망 저항률 범위에 들어간 곳에서, 편석의 효과를 상쇄하기 위해, 증발 촉진측으로 프로파일을 바꾸어 간다. 0.6mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하의 목표값에 대하여, 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하의 범위에 있어서는, 증발 억제 구간이 결정 위치의 보다 후반측까지(≤0.6mΩ㎝가 되는 곳까지) 길게 차지한다.

결과를 표 2 및 도 3에 나타낸다.

참고예 1 및 참고예 2에서는 결정 합격 길이가 0％로, 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부를, 목표의 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하로 할 수 없었다. 이에 대하여, 실시예 4 내지 실시예 6에서는, 목표로 하는 저항률 범위의 부분의 결정 합격 길이를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 적인을 도펀트로 하여, 목표로 하는 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳을 제조하는 경우도, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대하여, 석영 도가니(3A)의 내경은, 2.1배 이상, 2.3배 이하로 하는 것이 바람직한 것이 확인되었다.

특히, 실시예 7에서는, 실리콘 단결정(10)의 인상의 진행에 따라 크게 저항률이 저하하는 것이 나타나 있다. 이 저항률이 큰 저하에 의해, 직동부 개시 위치에서의 저항률을 1.05mΩ㎝로 하고 직동 길이 20％까지의 결정 부분의 저항률을 비교적 높게 하여 유전위화를 억제하고, 그 후, 저항률을 크게 저하시켜, 목표의 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하 혹은 0.7mΩ㎝ 이하가 되는 단결정을 수율 좋게 얻을 수 있다. 또한, 직동부 개시 위치에서의 저항률을 1.05mΩ㎝ 초과로 하면, 목표의 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하가 되는 직동부의 길이가 근소해져, 수율이 낮아진다.

또한, 실시예 8에 나타내는 바와 같이, 직동부 개시 위치에서의 저항률을 0.8mΩ㎝로 함으로써, 유전위화를 억제하면서, 목표의 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.6mΩ㎝ 이하가 되는 직동부가 차지하는 비율을 직동부 전체의 35％, 저항률 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하가 되는 직동부가 차지하는 비율을, 직동부 전체의 70％로 매우 높게 할 수 있다. 또한, 직동부 개시 위치의 저항률을 0.8mΩ㎝보다도 낮은 0.75mΩ㎝로 한 경우, 직동 길이 20％까지 유전위화가 빈발하여 단결정을 육성할 수 없었다.

[2] 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 경우

결정 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)을 인상했다.

실시예 및 비교예에 있어서, 도가니(3)의 내경과 결정 지름의 비율(＝도가니(3)의 내경/결정 지름)을, 실시예에 있어서는 1.7∼2.0으로 하고, 비교예에 있어서는 2.5∼2.6으로 하고, 차지량을 80㎏∼250㎏으로 하고, 인상 속도를 0.3㎜/min∼1.0㎜/min으로 하고, 결정 회전수를 5rpm∼17rpm으로 하고, 도가니(3)의 회전수를 0.2rpm∼22rpm으로 했다.

또한, 실리콘 단결정(10)의 직동부 전반에서는, 아르곤 가스 유량을 50L/min∼150L/min으로 하고, 로 내압을 40㎪∼80㎪로 했다. 실리콘 단결정(10)의 직동부 후반에서는, 아르곤 가스 유량을 50L/min∼200L/min으로 하고, 로 내압을 20㎪∼80㎪로 했다.

[2-1] 적인을 도펀트로 한 경우(0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하)

적인을 도펀트로 한 경우, 결정 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정(10)을 인상할 때에 있어서, 실리콘 단결정(10)의 직동 개시 위치(숄더 끝 위치)에 있어서의 저항률을, 1.2mΩ㎝ 이상, 1.7mΩ㎝ 이하로 제어했다.

실리콘 단결정(10)의 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 경우에 대해서, 전술과 동일하게 실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대한 석영 도가니(3A)의 내경을 변경하고, 복수의 수준에 대해서, 적인 도펀트 첨가에 의한 저항률 제어를 행하면서, 적인을 도핑한 실리콘 단결정(10)의 인상을 행했다. 결과를 표 3 및 도 4에 나타낸다.

비교예 3 및 비교예 4에서는, 무전위로 단결정을 인상할 수 없었다(유전위 상태에서 저항률을 측정한 결과를 도 4에 파선으로 나타내지만, 저항률에 대해서도 1.0mΩ㎝ 이하로 할 수 없었다).

한편, 실시예 9 내지 실시예 12에 의하면, 무전위화 성공률을 20％ 이상 실현할 수 있고, 결정 합격 길이도 7％에서 50％까지 있기 때문에, 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부의 저항률이, 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것을 확보할 수 있었다. 따라서, 적인을 도펀트로 하여 목표로 하는 저항률 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳을 제조하는 경우, 적어도 석영 도가니(3A)의 내경을, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하로 하면 좋은 것이 확인되었다.

[2-2] 비소를 도펀트로 한 경우(1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하)

실리콘 단결정(10)의 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 경우에 대해서, 전술과 동일하게 실리콘 단결정(10)의 직동 지름에 대한 석영 도가니(3A)의 내경을 변경하고, 복수의 수준에 대해서, 비소 도펀트 첨가에 의한 저항률 제어를 행하면서, 비소를 도핑한 실리콘 단결정(10)의 인상을 행했다.

이때, 실리콘 단결정(10)의 직동 개시 위치(숄더 끝 위치)에 있어서의 저항률을, 2.5mΩ㎝ 이상, 3.1mΩ㎝ 이하로 제어했다. 결과를 표 4 및 도 5에 나타낸다.

비교예 5 및 비교예 6에서는, 무전위로 단결정을 인상할 수 없었다(유전위 상태에서 저항률을 측정한 결과를 도 5에 파선으로 나타내지만, 저항률에 대해서도 2.0mΩ㎝ 이하로 할 수 없었다).

실시예 13 내지 실시예 16에 의하면, 무전위화 성공률을 10％ 이상 실현할 수 있고, 결정 합격 길이도 13％에서 61％이기 때문에, 실리콘 단결정(10)의 잉곳의 일부의 저항률이, 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 것을 확보할 수 있었다. 따라서, 비소를 도펀트로 하여, 목표로 하는 저항률 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하의 실리콘 단결정(10)의 잉곳을 제조하는 경우, 적어도 석영 도가니(3A)의 내경을, 실리콘 단결정(10)의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하로 하면 좋은 것이 확인되었다.

1 : 인상 장치
2 : 챔버
3 : 도가니
3A : 석영 도가니
3B : 흑연 도가니
4 : 지지축
5 : 히터
6 : 단열재
7 : 인상축
8 : 종 결정
9 : 실리콘 융액
10 : 실리콘 단결정
12 : 열 차폐판
13 : 가스 도입구
14 : 배기구

Claims (14)

1. 적인(red phosphorus)을 주된 도펀트로서 포함하는 실리콘 융액으로부터, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하여 성장시키는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법으로서,
   상기 실리콘 단결정의 직동 지름(straight-body diameter)에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.3배 이하인 석영 도가니를 이용하여, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 0.5mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 단결정의 직동 지름은, 201㎜ 이상, 230㎜ 이하이고,
   상기 석영 도가니의 내경이, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름의 2.1배 이상, 2.3배 이하인 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이, 0.5mΩ㎝ 이상, 0.7mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 단결정의 직동 지름은, 301㎜ 이상, 330㎜ 이하이고,
   상기 석영 도가니의 내경이, 상기 실리콘 단결정의 직동 지름의 1.7배 이상, 2.0배 이하인 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이, 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
6. 비소를 주된 도펀트로서 포함하는 실리콘 융액으로부터, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하여 성장시키는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법으로서,
   상기 실리콘 단결정의 직동 지름에 대하여, 내경이 1.7배 이상, 2.0배 이하인 석영 도가니를 이용하여, 상기 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 실리콘 단결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실리콘 단결정의 인상 장치의 로(furnace) 내 압력을 40㎪ 이상, 80㎪ 이하로 하여 상기 실리콘 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 석영 도가니 내의 실리콘 융액에, 자장 강도 0.2T 이상, 0.4T 이하의 자장을 인가하여 인상하는 것을 특징으로 하는 n형 실리콘 단결정의 제조 방법.
9. 적인을 주된 도펀트로서 포함하고, 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이, 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 n형 실리콘 단결정의 잉곳.
10. 제9항에 기재된 n형 실리콘 단결정의 잉곳으로부터 잘라내어지고, 전기 저항률이 0.8mΩ㎝ 이상, 1.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼.
11. 제10항에 기재된 실리콘 웨이퍼의 표면에, 에피택셜막을 형성한 것을 특징으로 하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼.
12. 비소를 주된 도펀트로서 포함하고, 실리콘 단결정의 일부의 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직동 지름 301㎜ 이상, 330㎜ 이하의 n형 실리콘 단결정의 잉곳.
13. 제12항에 기재된 n형 실리콘 단결정의 잉곳으로부터 잘라내어지고, 전기 저항률이 1.7mΩ㎝ 이상, 2.0mΩ㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 직경 300㎜의 실리콘 웨이퍼.
14. 제13항에 기재된 실리콘 웨이퍼의 표면에, 에피택셜막을 형성한 것을 특징으로 하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼.

Images