KR20210044190A - 단결정 실리콘 잉곳 생산 동안 샘플 로드 성장 및 저항률 측정 - Google Patents

Abstract

개선된 저항률 제어로 단결정 실리콘 잉곳들을 형성하는 방법들. 그 방법들은 샘플 로드의 성장 및 저항률 측정을 수반한다. 샘플 로드는 제품 잉곳의 직경보다 적은 직경을 가질 수 있다. 샘플 로드의 저항률은 저항률 프로브를 샘플 로드 상에 형성되는 평면 세그먼트와 접촉시킴으로써 직접 측정될 수 있다. 샘플 로드는 저항률을 측정하기 전에 열적 도너 소멸 사이클에서 어닐링될 수 있다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 생산 동안 샘플 로드 성장 및 저항률 측정

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 6월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/020,698호를 우선권 주장하며, 그 전체 개시내용은 그 전부가 참조로 본 명세서에 포함된다.

개시의 분야

본 개시의 분야는 개선된 저항률 제어로 단결정 실리콘 잉곳들을 형성하는 방법들, 특히 샘플 로드의 성장 및 저항률 측정을 수반하는 방법들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 샘플 로드는 제품 잉곳의 직경 미만의 직경을 갖는다.

반도체 전자 컴포넌트들의 제작을 위한 대부분의 공정들에 대한 출발 물질인 단결정 실리콘은 단일 시드 크리스탈이 용융된 실리콘에 침지된 다음 느린 추출에 의해 성장되는 이른바 초크랄스키(Czochralski)(CZ) 공정에 의해 흔히 준비된다. 용융된 실리콘은 석영 도가니에 담겨 있는 시간 동안 주로 산소와 같은 다양한 불순물들로 오염된다. 일부 애플리케이션들, 이를테면 고급 무선 통신 애플리케이션들, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate bipolar transistors)(IGBT) 및 저 전력, 저 누설 디바이스들이, 1500 ohm-cm(Ω-cm) 이상과 같은 비교적 높은 저항률을 갖는 웨이퍼들을 요구한다.

고순도 폴리실리콘이 높은 저항률 잉곳 생산에 사용된다. 고순도 폴리실리콘은 비도핑된 재료의 고유 저항률 범위에서의 넓은 확산을 유발하는 불순물 프로파일에서의 확산과 그것의 유형에 의해 특징화된다. 이러한 고 저항률 재료 또는 초고 저항률 재료에서의 시드 단부 저항률의 타겟팅은 출발 물질(폴리실리콘 재료에 표면 붕소와 인을 포함함)에서의 붕소 및 인의 가변성으로 인해 그리고 도가니의 불순물들, 및/또는 열적 도너 소멸(kill) 사이클 후 저항률을 변경시키는 산소 레벨들로 인해 어렵다. 게다가, 이러한 고 저항률 애플리케이션들은 저항률 측정에서 증가된 에러에 민감할 수 있다.

폴리실리콘 출발 물질의 불순물 농도 및/또는 저항률이 비교적 빠르게 샘플링되는 것을 허용하는 그리고/또는 저항률이 저항률 측정을 위해 소비되는 비교적 적은 양의 실리콘으로 비교적 빠르게 측정되는 것을 허용하는 그리고/또는 더 나은 저항률 제어를 허용하는 그리고/또는 외인성 도핑 공정들을 단순화시키는 고 저항률 실리콘 잉곳들을 준비하는 방법들이 필요하다.

이 섹션은 아래에서 설명 및/또는 청구되는 본 개시의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위한 배경 정보를 독자에게 제공함에 있어서 도움이 될 것이라 생각된다. 따라서, 이들 서술들은 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 선행 기술의 인정이라는 관점에서 읽혀지지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.

본 개시의 하나의 양태는 도가니 내에 보유되는 실리콘 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법을 위한 것이다. 다결정 실리콘이 도가니에 첨가된다. 다결정 실리콘은 실리콘 용융물이 도가니에 형성되도록 하기 위해 가열된다. 샘플 로드가 용융물로부터 인상(pull)된다. 샘플 로드는 직경을 갖는다. 샘플 로드는 열 도너들을 절멸시키기(annihilate) 위해 어닐링된다. 샘플 로드의 저항률이 열 도너들의 절멸 후 측정된다. 제품 잉곳이 용융물로부터 인상된다. 제품 잉곳은 직경을 갖는다. 샘플 로드의 직경은 제품 잉곳의 직경 미만이다.

본 개시의 다른 양태는 도가니 내에 보유되는 다결정 실리콘 용융물의 저항률을 결정하는 방법을 위한 것이다. 샘플 로드가 용융물로부터 인상된다. 샘플 로드는 열적 도너 소멸 사이클에서 어닐링된다. 전류가 샘플 로드에 인가된다. 샘플 로드는 샘플 로드의 저항률을 측정하기 위해 샘플 로드에 전류를 인가하는 동안 저항률 프로브와 접촉된다. 본 개시의 위에서 언급된 양태들에 관하여 논의된 특징들의 다양한 리파인먼트들이 존재한다. 추가의 특징들은 본 개시의 위에서 언급된 양태들에도 또한 통합될 수 있다. 이들 리파인먼트들 및 추가의 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 예시된 실시예들 중 임의의 것에 관하여 아래에서 논의되는 다양한 특징들은 본 개시의 위에서 설명된 양태들 중 임의의 것에, 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함될 수 있다.

도 1은 단결정 실리콘 잉곳을 형성하기 위한 풀링 장치(pulling apparatus)의 개략적인 측면도이며;
도 2는 실리콘 용융물로부터 성장되는 샘플 로드이며;
도 3은 평면 세그먼트가 표면 상에 형성된 샘플 로드이며;
도 4는 샘플 로드의 저항률을 측정하기 위한 측정 장치이며;
도 5는 샘플 로드의 저항률을 측정하는데 사용되는 I-V 곡선이며; 그리고
도 6은 시드 단부로부터의 다양한 포지션들에서의 샘플 로드의 저항률의 산점도이다.
대응하는 참조 부호들이 도면들의 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.

본 개시의 준비들은 용융물의 저항률을 결정하기 위해 샘플 로드가 성장되는 초크랄스키 방법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법들을 위한 것이다. 샘플 로드는 제품 잉곳 미만의 직경을 갖는다.

본 개시의 실시예들에 따라 그리고 도 1을 참조하여, 제품 잉곳은 잉곳 풀러(ingot puller)(23)의 도가니(22) 내에 보유되는 실리콘 용융물(44)로부터 잉곳이 인출되는 이른바 초크랄스키 공정에 의해 성장된다. 잉곳 풀러(23)는 결정 성장 챔버(16)와 결정 성장 챔버보다 보다 작은 횡단 치수를 갖는 인상 챔버(pull chamber)(20)를 정의하는 하우징(26)을 포함한다. 성장 챔버(16)는 성장 챔버(16)에서 좁은 인상 챔버(20)로 전환하는 대략 돔 형상 상부 벽(45)을 갖는다. 잉곳 풀러(23)는 결정 성장 동안 하우징(26)에 공정 가스를 도입하고 하우징으로부터 공정 가스를 제거하는데 사용될 수 있는 입구 포트(7) 및 출구 포트(12)를 포함한다.

잉곳 풀러(23) 내의 도가니(22)는 실리콘 잉곳이 인출되는 실리콘 용융물(44)을 포함한다. 실리콘 용융물(44)은 도가니(22)에 충전된 다결정 실리콘을 용융시킴으로써 획득된다. 도가니(22)는 잉곳 풀러(23)의 중심 길이방향 축(X)을 중심으로 도가니(22)의 회전을 위해 턴테이블(31) 상에 장착된다.

가열 시스템(39)(예컨대, 전기 저항 히터)이 용융물(44)을 생성하도록 실리콘 충전물을 용융시키기 위해 도가니(22)를 둘러싼다. 히터(39)는 미국 특허 제8,317,919호에 도시된 바와 같이 도가니 아래로 또한 연장될 수 있다. 히터(39)는 용융물(44)의 온도가 풀링 공정 내내 정확히 제어되도록 제어 시스템(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 히터(39)를 둘러싸는 절연물(도시되지 않음)은 하우징(26)을 통해 손실되는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 잉곳 풀러(23)는 고체-용융물 계면에서 축방향 온도 경사도를 증가시키기 위해 잉곳을 도가니(22)의 열로부터 차단하기 위한 용융물 표면 위의 열 차폐 조립체(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다.

풀링 메커니즘(도시되지 않음)이 메커니즘에서부터 아래로 연장되는 인상 와이어(24)에 부착된다. 그 메커니즘은 인상 와이어(24)를 상승 및 하강시킬 수 있다. 잉곳 풀러(23)는 풀러의 유형에 의존하여, 와이어가 아니라, 인상 샤프트를 가질 수 있다. 인상 와이어(24)는 실리콘 잉곳을 성장시키는데 사용되는 시드 크리스탈(6)을 보유하는 시드 크리스탈 척(32)을 포함하는 풀링 조립체(58)에서 종단된다. 잉곳을 성장시킴에 있어서, 풀링 메커니즘은 시드 크리스탈(6)이 실리콘 용융물(44)의 표면과 접촉할 때까지 그 시드 크리스탈을 낮춘다. 일단 시드 크리스탈(6)이 용융되기 시작하면, 풀링 메커니즘은 단결정 잉곳을 성장시키기 위해 성장 챔버(16) 및 인상 챔버(20)를 통해 시드 크리스탈을 위로 천천히 상승시킨다. 풀링 메커니즘이 시드 크리스탈(6)을 회전시키는 속력과 풀링 메커니즘이 시드 크리스탈을 상승시키는 속력(즉, 인상 레이트(v))은 제어 시스템에 의해 제어된다.

공정 가스가 입구 포트(7)를 통해 하우징(26) 안으로 도입되고 출구 포트(12)로부터 인출된다. 공정 가스는 하우징(26) 내에 분위기를 생성하고 용융물과 분위기는 용융물-가스 계면을 형성한다. 출구 포트(12)는 잉곳 풀러의 배기 계통(도시되지 않음)과 유체 연통된다.

이와 관련하여, 도 1에 도시되고 본 개시에서 설명되는 잉곳 풀러(23)는 예시적이고 다른 크리스탈 풀러 구성들 및 배열체들이 달리 언급되지 않는 한 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는데 사용될 수 있다.

본 개시의 실시예들에 따라, 다결정 실리콘이 도가니(22)에 첨가되고 가열 시스템(39)이 다결정 실리콘을 용융시키도록 작동된 후, 샘플 잉곳 또는 로드가 용융물로부터 인상된다. 예시적인 샘플 로드(5)가 도 2에 도시된다. 로드(5)는 로드가 타겟 직경에 도달하기 위해 시드로부터 바깥쪽으로 전이(transition)되고 테이퍼지는(taper) 크라운 부분(crown portion)(21)을 포함한다. 로드(5)는 인상 레이트를 증가시킴으로써 성장되는 크리스탈의 일정한 직경 부분(25) 또는 실린더형 메인 바디 또는 단순히 "바디"를 포함한다. 샘플 로드(5)의 메인 바디(25)는 비교적 일정한 직경을 갖는다. 로드(5)는 메인 바디(25) 뒤의 로드가 직경이 테이퍼지는 꼬리 또는 단부 콘(29)을 포함한다. 직경이 충분히 작아질 때, 로드는 용융물로부터 분리된다. 로드(5)는 잉곳의 크라운(21) 및 말단(terminal end)(33)을 통해 연장되는 중심 길이방향 축(A)을 갖는다.

샘플 로드(5)의 성장 조건들은 일반적으로 본 기술분야의 통상의 기술자들이 이용 가능한 적합한 성장 조건들 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다. 샘플 로드(5)는 잠금된 시드 리프트(locked seed lift)(즉, +/- 약 5 mm와 같은 가변 직경을 가진 고정된 인상 속력(fixed pull speed)) 또는 액티브 시드 리프트(타겟 직경을 유지하기 위해 가변되는 인상 속력)로 성장될 수 있다.

샘플 로드(5)는 샘플 로드 후에 성장되는 제품 잉곳 미만의 직경을 갖는다. 예를 들어, 샘플 로드의 직경은 제품 잉곳의 직경의 0.75 배 미만, 제품 잉곳의 직경의 0.50 배 미만, 약 0.25 배 미만 또는 0.1 배 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 로드의 직경은 약 150 mm 미만 또는 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 또는 약 20 mm 미만(예컨대, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm)이다. 일반적으로, 로드(5)의 직경은 여러 축 로케이션들을 따라 (예컨대, 로드가 크라운 및/또는 테이퍼진 단부를 가지면 로드의 일정한 직경 부분 내에서) 로드를 측정하고 측정된 직경들을 평균화(예컨대, 길이에 걸쳐 2, 4, 6, 10 개 이상의 직경들을 측정하고 평균화)함으로써 측정된다. 일부 실시예들에서, 로드의 샘플의 최대 직경은 약 150 mm 미만 또는 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 또는 약 20 mm 미만(예컨대, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm)이다.

일부 실시예들에서, 로드(5)는 크리스탈 풀러에서 성장된 제품 잉곳의 목 부분의 직경에 일반적으로 해당하는 직경을 갖는다. 예를 들어, 로드는 50 mm 미만, 25 mm 미만, 또는 20 mm 미만의 직경을 가질 수 있다.

샘플 로드(5)는 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 로드(예컨대, 크로핑 후임)는 약 300 mm 미만, 약 200 mm 미만 또는 약 100 mm 미만(예컨대, 약 25 mm 내지 약 300 mm)의 길이를 갖는다.

샘플 로드(5)가 성장된 후, 샘플 로드(5)의 저항률은 측정된다. 로드(5)는 잉곳 풀러(23)로부터 제거되고 저항률이 측정되는 것을 허용하도록 가공된다. 잉곳의 크라운 및 꼬리는, 이를테면 와이어 톱의 사용에 의해 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 로드(5)의 크로핑된 단부들은 단부들을 평평하게 하도록 연삭된다. 로드 단부들은 에칭될 수 있다(예컨대, 혼합 산 에칭될 수 있다). 로드(5)는 자신의 제1 및 제2 단부들(15, 17)에서의 옴 접촉들과 같은 옴 접촉들을 포함하도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 로드(5)의 절단 단부들(15, 17)은 콜로이드질 은 페인트(colloidal silver paint)로 칠되고 건조될 수 있다.

평면 세그먼트(11)(도 3)가 로드(5)의 표면 상에 형성된다. 평면 세그먼트(11)는 로드(5)를 따라 축방향으로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 평면 세그먼트(11)는 로드(5)의 제1 단부(15)에서부터 제2 단부(17)까지 축방향으로 연장된다. 다른 실시예들에서, 평면 세그먼트(11)는 자신의 길이를 따라 부분적으로만 연장된다.

평면 세그먼트(11)는 이를테면 연삭 패드(예컨대, 다이아몬드 그릿(grit) 패드)의 사용에 의해 샘플 로드(5)의 표면을 연삭함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 평면 세그먼트는 전압 프로브와의 접촉을 허용하는 충분한 폭(예컨대, 약 2-4 mm)을 갖는다. 평면 세그먼트(11)는 이를테면 저항률 측정 전에 탈이온수로 세척하고 건조함으로써 세정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 샘플 로드(5)는 저항률을 측정하기 전에 급속 열 어닐을 받는다. 급속 열 어닐은 사이질(interstitial) 산소 클러스터들을 해리함으로써 열적 도너 소멸 사이클(즉, 열 도너들의 절멸)로서 작용을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어닐은 약 500℃ 이상, 약 650℃ 이상 또는 약 800℃ 이상(예컨대, 500℃ 내지 약 1000℃, 약 500℃ 내지 약 900℃ 또는 약 650℃ 내지 약 1100℃)의 온도에서 적어도 약 5 초, 적어도 약 30 초, 적어도 약 1 분 또는 적어도 약 3 분 이상(예컨대, 약 5 초 내지 15 분, 약 5 초 내지 약 5 분 또는 약 5 초 내지 약 3 분) 동안이다.

로드(5)의 저항률은 평면 세그먼트(11)로부터 측정될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예들에서, 전류는 로드(5)를 통해 구동되고 저항률 프로브가 로드(5)의 길이를 따라 하나 이상의 로케이션들에서 접촉된다. 전류는 단부들(15, 17) 중 하나의 단부를 통해 로드(5)에 인가될 수 있다.

일부 실시예들에서, 로드(5)는 도 4에 도시된 장치(43)와 같은 측정 장치 내에 고착(secure)된다. 측정 장치(43)는 로드(5)를 고착시키는 클램프(51)를 포함한다. 클램프(51)는 로드(5)를 자신의 제1 단부(15)에 고착시키는 제1 지지부(53)와 로드(5)를 자신의 제2 단부(17)에 고착시키는 제2 지지부(55)를 갖는다. 지지부들(53, 55)은 지지부들(53, 55) 사이에 로드를 고착시키도록 구성된다(예컨대, 조정 및 클램핑을 위한 나사산이 새겨진다). 지지부들(53, 55)은 로드(5)의 크로핑된 단부들 상의 옴 접촉들과 접촉할 수 있다. 프로브 팁(61)이 로드(5)와 그 로드의 평평한 평면 세그먼트 상에서 접촉하게 된다. 전류가 지지부들(53, 55)을 통과하고 전압은 프로브 팁(61)에 의해 측정된다. 프로브 팁(61)은 로드(5)의 축 아래로 수동으로 이동되면서 인가된 전류/전압이 각각의 지점에서 측정된다. 예시된 장치(43)에서, 프로브 팁(61)은 수동으로 이동된다. 다른 실시예들에서, 프로브 팁(61)은 액추에이터들에 의해 이동된다.

도 4의 측정 장치(43)는 예시적인 장치이고 달리 언급되지 않는 로드를 고착하고 그리고/또는 로드의 저항률을 측정하기 위한 임의의 적합한 장치가 사용될 수 있다. 로드(예컨대, 일반적으로 100 mm 미만, 50 mm 또는 25 mm 미만과 같은 좁은 직경 로드) 및 측정 장치(43)의 사용은 로드를 웨이퍼들 또는 슬러그들로 슬라이싱하는 일 없이 저항률이 측정되는 것을 허용한다.

저항률 프로브는 양 프로브 팁들이 평면 세그먼트(11)와 접촉되는 2 점 프로브일 수 있다. 전압 차이는 두 개의 프로브 팁들을 가로질러 측정된다. 예를 들어, 저항률은 명칭이 "Test Method for Resistivity of Silicon Bars using a Two-Point Probe"인 SEMI 표준 MF397-0812에 따라 2 점 프로브로 측정될 수 있으며, 이는 모든 관련되고 일관된 목적들을 위해 참조에 의해 본 개시내용에 통합된다. 2 단자 또는 3 단자 정류 방법이 크리스탈 유형(즉, N형 또는 P형)을 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 유형 결정은 명칭이 "Test Method for Conductivity Type of Extrinsic Semiconducting Materials"인 SEMI 표준 MF42-0316에 따라 수행될 수 있으며, 이는 모든 관련되고 일관된 목적들을 위해 참조에 의해 본 개시내용에 통합된다. 2 단자 정류 방법 및 3 단자 정류 방법 둘 다는 매우 높은 저항률 실리콘을 위한 강건한 방법들이다.

전압은 길이 전체에 걸친 다양한 포인트들에서 측정될 수 있다. 측정된 전압들과 샘플 길이 및 평균 직경은 이를테면 전류-전압 곡선의 기울기를 결정함으로써 저항률을 계산하는데 사용될 수 있다(예컨대, 아래의 실시예 1).

일부 실시예들에서, 샘플 로드(5)는 약 5.5 ppma 미만의 산소 함량과 같은 비교적 낮은 산소 함량을 갖는다. 다른 실시예들에서, 샘플 로드의 산소 함량은 5.2 ppma 미만, 5.0 ppma 미만, 3.5 ppma 미만, 약 3 ppma 미만 또는 심지어 약 2.5 ppma 미만이다. 일부 실시예들에서, 샘플 로드(5)는 전위(dislocation)가 없다.

로드(5)의 측정된 저항률은 도가니에서의 다결정 실리콘 용융물의 저항률에 관련된 정보(즉, 시작 도펀트 불순물 농도(즉, 순(net) 도너-억셉터 농도))를 제공한다. 로드(5)의 측정된 저항률은 후속하여 성장되는 잉곳에 대한 제약 조건들을 조정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일정한 양의 도펀트가 다결정 실리콘 용융물에 첨가되어 (예컨대, 제품 잉곳 저항률을 예측하는 모델의 사용에 의해) 도펀트의 양이 측정된 저항률에 적어도 부분적으로 기초하여 조절될 수 있다. 적합한 도펀트들은 붕소, 알루미늄, 갈륨 및 인듐과 같은 p형 도펀트들과 인, 비소 및 안티몬과 같은 n형 도펀트들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 일정한 양의 도펀트가 샘플 로드를 성장시키고 로드의 저항률을 측정하기 전에 용융물에 첨가되고, 일정한 양의 도펀트(예컨대, 동일한 도펀트 또는 상이한 도펀트)가 샘플 로드가 성장된 후에 첨가된다. 다른 실시예들에서, 모든 도펀트들(예컨대, 붕소 또는 인)은 (만약 있다면) 샘플 로드가 성장된 후에 첨가되고 저항률이 측정된다.

도펀트가 첨가되는 그리고 샘플 잉곳 및 제품 잉곳이 인상되는 폴리실리콘은 반도체 등급 폴리실리콘일 수 있다. 반도체 등급 폴리실리콘이 사용될 때, 일부 실시예들에서 폴리실리콘은 4,000 Ω-cm를 초과하는 저항률을 갖고 0.02 ppba 이하의 붕소 또는 인을 포함한다.

샘플 로드가 인상되고, 임의로, 도펀트가 용융물에 첨가된 후, 제품 잉곳이 용융물로부터 인출된다. 제품 잉곳은 샘플 로드의 직경보다 큰 직경을 갖는다(즉, 샘플 로드의 일정한 직경 부분들의 직경은 잉곳의 일정한 직경 부분의 직경 미만이다). 제품 잉곳은 약 150 mm의 직경을 가질 수 있거나 또는, 다른 실시예들에서와 같이, 약 200 mm, 약 300 mm 이상(예컨대, 450 mm 이상)의 직경을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 다결정 실리콘은 (예컨대, 배치(batch) 공정에서와 같이) 잉곳의 성장 동안 첨가되지 않는다. 다른 실시예들에서, 제품 잉곳이 (예컨대, 연속 초크랄스키 방법에서와 같이) 성장됨에 따라 다결정 실리콘이 용융물에 첨가된다.

용융물에 첨가되는 도펀트의 양(샘플 로드가 성장되기 전에 제1 도펀트가 첨가되거나 또는 첨가되지 않음)은 잉곳의 메인 바디(예컨대, 잉곳의 주요 부분)의 적어도 부분에서 타겟 저항률을 성취하도록 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 타겟 저항률은 최소 저항률이다. 일부 실시예들에서, 잉곳의 전체 길이(예컨대, 잉곳의 바디의 길이)는 타겟 저항률(예컨대, 최소 저항률)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제품 잉곳의 적어도 부분의 타겟 저항률은 적어도 약 1,500 Ω-cm 또는, 다른 실시예들에서와 같이, 적어도 약 2,000 Ω-cm, 적어도 약 4,000 Ω-cm, 적어도 약 6,000 Ω-cm, 적어도 약 8,000 Ω-cm, 적어도 약 10,000 Ω-cm 또는 약 1,500 Ω-cm 내지 약 50,000 ohm-cm 또는 약 8,000 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm의 최소 저항률이다. 대안적으로 또는 덧붙여서, 샘플 로드는 적어도 약 1,500 Ω-cm, 또는 적어도 약 2,000 Ω-cm, 적어도 약 4,000 Ω-cm, 적어도 약 6,000 Ω-cm, 적어도 약 8,000 Ω-cm, 적어도 약 10,000 Ω-cm, 약 1,500 Ω-cm 내지 약 50,000 ohm-cm 또는 약 8,000 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm의 저항률을 가질 수 있다.

단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 기존의 방법들과 비교하여, 본 개시의 방법들은 여러 장점들을 갖는다. 비교적 높은 저항률의 단결정 실리콘을 생산하는데 사용되는 비교적 높은 순도의 폴리실리콘은 고유 저항률이 넓게 퍼지게 하는 붕소 및 인 불순물 양들에서의 넓은 확산을 갖는다. 샘플 로드를 비교적 작은 직경(예컨대, 적어도 200 mm와 같이 제품 잉곳과는 실질적으로 동일한 사이즈를 갖는 샘플 잉곳들과 비교하여 100 mm 미만, 50 mm 미만, 25 mm 미만 또는 심지어 10 mm 미만과 같이 제품 잉곳보다 작음)으로 성장시킴으로써, 용융물의 저항률은 비교적 빠르게 샘플링될 수 있다. 측정된 저항률은 고 저항률 또는 초고 저항률(예컨대, 적어도 약 3000 ohm-cm, 5000 ohm-cm 또는 적어도 7000 ohm-cm 이상) 제품들의 더 나은 타겟팅을 성취하도록, 그리고 특히, 더 나은 시드 단부 저항률 타겟팅을 위해 도펀트의 더 정밀한 첨가에 사용될 수 있다. 비교적 작은 직경 샘플 로드는 비교적 적은 양(예컨대, 15 kg, 20 kg 또는 50 kg 이상의 용융물을 소비할 수 있는 전체 직경의 짧은 잉곳과 비교하여 1 kg 미만, 0.5 kg 미만 또는 약 0.25 kg 이하)의 용융물을 소비하고 샘플링 공정에 기인한 불순물 축적을 감소시킨다. 샘플 로드는 비교적 빠르게 (예컨대, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 또는 50 시간의 성장 시간을 수반할 수 있는 전체 사이즈의 짧은 잉곳과 비교하여 약 12, 10 또는 심지어 5 시간 이하로) 성장될 수 있다. 샘플 로드는 저항률 측정의 정확도(예컨대, 열적 도너 소멸 사이클 후의 로드의 정확도)를 개선시킬 수 있는 비교적 낮은 산소 함량(예컨대, 약 5 ppma 미만 또는 4 ppma 미만과 같음)을 가질 수 있다.

평면 세그먼트가 샘플 로드의 표면에 형성되는 실시예들에서, 저항률은 2 점 프로브에 의해 측정될 수 있다. 이러한 2 점 프로브들이 샘플 준비를 감소시킬 수 있으며, 기하학적 정정 계수들에 덜 민감할 수 있고 4 점 프로브들에 비하여 더 나은 전류 접촉들을 허용할 수 있다. 2 점 프로브의 사용은 또한 잉곳의 유형 결정을 위한 2 단자 또는 3 단자 정류 방법의 사용을 허용한다.

감소된 샘플 로드 성장 시간 및 감소된 저항률 측정 시간들은 저항률 측정이 제공되는 가공 시간을 감소시키며(예컨대, 20, 30 또는 40 시간의 공정 시간 감소) 이는 도가니 용해에 의해 유발되는 불순물 축적을 감소시킨다. 불순물들을 감소시키는 것은 향후의 실행들을 위한 저항률 예측능력을 또한 개선한다. 각각의 배치(batch)(즉, 제품 잉곳들 사이)를 위한 핫한 시간(hot hour time)의 감소는 도가니가 제로 전위(zero dislocation) 손실의 증가 없이 추가적인 사이클들에서 재충전되는 것을 허용한다.

실시예들

본 개시의 공정들은 다음의 실시예들에 의해 추가로 예시된다. 이들 예들은 제한하는 의미로 보지 않아야 한다.

실시예 1: I-V 곡선에서 저항률의 결정

샘플 로드의 전압은 인가된 전류 및 측정된 전압이 기록되면서 (예컨대, 이를테면 도 4의 장치를 이용하여) 축방향으로 측정되었다. 도 5는 생성되었던 I-V 곡선을 보여준다. 샘플의 기하구조 및 I-V 곡선의 기울기를 사용하여, 저항률은 샘플에 대해 6139 ohm-cm인 것으로 결정되었다.

실시예 2: 짧은 잉곳 대 샘플 로드의 비교

대략 제품 로드 사이즈(예컨대, 200 mm 풀링 장치에서 약 200 mm)의 직경을 갖는 단결정 짧은 샘플 잉곳("Short Ingot")이 도 1과 유사한 풀링 장치에서 성장되었다. 그 크리스탈은 크로핑되고 혼합 산 에치(mixed acid etch)(MAE)를 받았다. 크리스탈 슬러그는 800℃에서 3 분 동안 급속 열 어닐링되고 래핑되었다. 슬러그는 저항률을 측정하기 위해 4 점 프로브와 접촉되었고, 이 저항률은 3회의 측정들에 걸쳐 평균되었다.

짧은 잉곳이 성장된 후 동일한 풀링 장치에서 샘플 로드("Sample Rod")가 잠금된 시드 리프트 모드에서 성장되었다. 로드의 직경은 길이 전체에 걸쳐 가변되었고 17-23 mm의 범위 내에 있었으며 평균은 20 mm이었다. 샘플 로드는 로드의 하나의 단부에서부터 다른 단부까지 연장되는 평평한 세그먼트를 형성하도록 크로핑되고 연삭된다. 로드는 800℃에서 3 분 동안 급속 열 어닐링되었다. 잉곳의 저항률은 도 4에 도시된 장치와 유사한 측정 장치에 의해 그리고 2 점 프로브를 이용하여 측정되었다. 성장 조건들 사이의 차이들은 아래의 표 1에서 도시된다:

표 1: 직경 200 mm 샘플 잉곳 및 직경 ~17-23 mm 샘플 로드에 대한 성장 조건들

샘플 로드의 길이 전체에 걸쳐 측정된 저항률들과 샘플 잉곳으로부터의 슬러그의 저항률은 도 6에 도시되어 있다.

짧은 잉곳에 대한 샘플 준비 시간은 26 시간이었고 크로핑, 혼합 산 에치, 급속 열 어닐, 슬래브 절단, 연삭(예컨대, 다이아몬드 패드를 이용함), 래핑 및 4 점 프로브를 이용한 측정을 수반하였다. 샘플 로드에 대한 샘플 준비 시간은 6 시간이었고 크로핑, 혼합 산 에치, 급속 열 어닐, 플랫 연삭(다이아몬드 패드를 이용함), 래핑 및 2 점 프로브를 이용한 측정을 수반하였다.

본 개시에서 사용되는 바와 같이, "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 “대략적으로"라는 용어들은 치수들, 농도들, 온도들 또는 다른 물리적 또는 화학적 성질들 또는 특성들의 범위들과 연계하여 사용될 때 예를 들어, 반올림, 측정 수법 또는 다른 통계적 변동으로 인한 변동들을 포함하여 성질들 또는 특성들의 범위들의 상한 및/또는 하한에 존재할 수 있는 변동들을 포함하기 위한 것이다.

본 개시 또는 그 실시예(들)의 엘리먼트들을 도입할 때, "a", "an", "the"의 사용에 해당하는 표현과 "상기"는 하나 이상의 엘리먼트들이 존재함을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는", "담고 있는" 및 "갖는"이란 용어들은 열거된 엘리먼트들 외의 추가의 엘리먼트들이 있을 수 있음을 의미한다. 특정 배향(예컨대, "상단", "하단", "측면" 등)을 나타내는 용어들의 사용은 설명의 편의를 위한 것이고 설명되는 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지는 않는다.

다양한 변경들이 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 위의 구성들 및 방법들에서 이루어질 수 있으므로, 위의 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에서 도시된 모든 사항들은 예시적인 것이지만 제한하는 의미는 아닌 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims (26)

1. 도가니 내에 보유되는 실리콘 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법으로서,
   상기 도가니에 다결정 실리콘을 첨가하는 단계;
   실리콘 용융물이 상기 도가니에 형성되도록 하기 위해 상기 다결정 실리콘을 가열하는 단계;
   상기 용융물로부터 샘플 로드를 인상하는(pulling) 단계 - 상기 샘플 로드는 직경을 가짐 -;
   열 도너들을 절멸시키기 위해 상기 샘플 로드를 어닐링하는 단계;
   열 도너들의 절멸 후 상기 샘플 로드의 저항률을 측정하는 단계; 및
   상기 용융물로부터 제품 잉곳을 인상하는 단계 - 상기 제품 잉곳은 직경을 가지며, 상기 샘플 로드의 직경은 상기 제품 잉곳의 직경 미만임 -
   를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 샘플 로드의 저항률은 상기 로드와 저항률 프로브를 접촉시킴으로써 측정되는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 샘플 로드의 저항률은 상기 샘플 로드를 웨이퍼들 또는 슬러그들로 슬라이싱하는 일 없이 측정되는, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드 상에 평면 세그먼트를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 샘플 로드의 저항률은 상기 평면 세그먼트에 대해 측정되는, 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 평면 세그먼트는 상기 샘플 로드의 하나의 단부로부터 상기 샘플 로드의 제2 단부를 향해 축방향으로 연장되는, 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 프로브가 상기 샘플 로드의 저항률을 측정하기 위해 상기 평면 세그먼트와 접촉되는, 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드의 저항을 측정하기 위해 상기 샘플 로드에 전류를 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드의 직경은 상기 제품 잉곳의 직경의 0.75 배 미만, 또는 상기 제품 잉곳의 직경의 0.50 배 미만, 약 0.25 배 미만 또는 0.1 배 미만인, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 평균 직경을 가지며, 상기 샘플 로드의 평균 직경은 약 150 mm 미만, 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 약 20 mm 미만, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm인, 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 최대 직경을 가지며, 상기 샘플 로드의 최대 직경은 약 150 mm 미만, 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 약 20 mm 미만, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm인, 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 약 300 mm 미만, 약 200 mm 미만 또는 약 100 mm 미만의 길이를 갖는, 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제품 잉곳은 적어도 약 1,500 Ω-cm, 또는 적어도 약 2,000 Ω-cm, 적어도 약 4,000 Ω-cm, 적어도 약 6,000 Ω-cm, 적어도 약 8,000 Ω-cm, 적어도 약 10,000 Ω-cm, 약 1,500 Ω-cm 내지 약 50,000 ohm-cm 또는 약 8,000 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm의 저항률을 갖는, 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 적어도 약 1,500 Ω-cm, 또는 적어도 약 2,000 Ω-cm, 적어도 약 4,000 Ω-cm, 적어도 약 6,000 Ω-cm, 적어도 약 8,000 Ω-cm, 적어도 약 10,000 Ω-cm, 약 1,500 Ω-cm 내지 약 50,000 ohm-cm 또는 약 8,000 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm의 저항률을 갖는, 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드의 평균 저항률을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 샘플 로드는 상기 샘플 로드와 저항률 프로브를 접촉시키면서 상기 샘플 로드를 보유하는 클램프를 포함하는 측정 장치에 의해 고착되는, 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 적어도 약 500℃, 적어도 약 650℃, 적어도 약 800℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 또는 약 650℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 어닐링되는, 방법.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐의 길이는 적어도 약 5 초, 적어도 약 30 초, 적어도 약 1 분, 적어도 약 3 분, 약 5 초 내지 15 분, 약 5 초 내지 약 5 분 또는 약 5 초 내지 약 3 분인, 방법.
18. 도가니 내에 보유되는 다결정 실리콘 용융물의 저항률을 결정하는 방법으로서,
    상기 용융물로부터 샘플 로드를 인상하는 단계;
    열적 도너 소멸 사이클에서 상기 샘플 로드를 어닐링하는 단계;
    상기 샘플 로드에 전류를 인가하는 단계; 및
    상기 로드의 저항률을 측정하기 위해 상기 샘플 로드에 전류를 인가하는 동안 상기 샘플 로드를 저항률 프로브와 접촉시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 샘플 로드의 표면 상에 평면 세그먼트를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 저항률 프로브는 상기 로드의 저항률을 측정하기 위해 상기 평면 세그먼트와 접촉하는, 방법.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 프로브는 2 점 저항률 프로브인, 방법.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 평균 직경을 가지며, 상기 샘플 로드의 평균 직경은 약 150 mm 미만 또는 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 약 20 mm 미만, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm인, 방법.
22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 최대 직경을 가지며, 상기 샘플 로드의 최대 직경은 약 150 mm 미만, 약 100 mm 미만, 약 50 mm 미만, 약 25 mm 미만, 약 20 mm 미만, 약 5 mm 내지 약 150 mm, 약 5 mm 내지 약 100 mm, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 5 mm 내지 약 25 mm 또는 약 10 mm 내지 약 25 mm인, 방법.
23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 상기 로드를 저항률 프로브와 접촉시킬 때 상기 샘플 로드를 보유하는 클램프를 포함하는 측정 장치에 의해 고착되는, 방법.
24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드의 저항률을 측정하기 전에 상기 샘플 로드를 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 로드는 적어도 약 500℃, 적어도 약 650℃, 적어도 약 800℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 또는 약 650℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 어닐링되는, 방법.
26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐의 길이는 적어도 약 5 초, 적어도 약 30 초, 적어도 약 1 분, 적어도 약 3 분, 약 5 초 내지 15 분, 약 5 초 내지 약 5 분 또는 약 5 초 내지 약 3 분인, 방법.

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