KR101403800B1 - 잉곳 성장 방법 및 잉곳 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 잉곳 성장 방법은 실리콘을 용융하여 실리콘 융액을 준비하는 단계; 결정방위가 [110]인 종자정을 준비하는 단계; 상기 종자정으로부터 네크부(neck)를 성장하는 단계; 및 상기 네크부로부터 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장하는 단계를 포함하고, 상기 네크부의 직경이 4 mm 내지 8 mm 이다.

Description

잉곳 성장 방법 및 잉곳{METHOD OF THE INGOT GROWING AND INGOT}
본 기재는 잉곳 성장 방법 및 잉곳에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼를 제조하는 공정은 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing)하는 절단 공정, 슬라이싱된 웨이퍼의 에지를 라운딩 처리하는 에지 연삭 공정, 절단 공정으로 인한 웨이퍼의 거친 표면을 평탄화 하는 래핑 공정, 에지 연삭 또는 래핑 공정 중에 웨이퍼 표면에 부착된 파티클을 비롯한 각종 오염 물질을 제거하는 세정 공정, 후공정에 적합한 형상 및 표면을 확보하기 위한 표면 연삭 공정 및 웨이퍼 에지에 대한 에지 연마 공정을 포함할 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법 또는 플로팅 존(floating zone, FZ)법 등을 통해 성장할 수 있다. 일반적으로는 대구경의 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 수 있고 공정비용이 저렴한 쵸크랄스키법을 사용하여 성장된다.
이러한 쵸크랄스키법은, 실리콘 융액에 종자정(seed crystal)을 담그고 이를 저속으로 인상하면서 이루어질 수 있다.
한편, 종래의 반도체 소자의 한계를 극복하기 위한 새로운 결정 방향의 제품이 요구되고 있고, 차세대 제품으로써 결정방위가 [110]인 제품의 사용 가능성이 예상되고 있다. 그러나 결정방위가 [110]인 잉곳은 결정방위가 [100]인 잉곳에 비해 전위가 결정 성장 방향으로 전파되어 결정성이 낮은 특성이 있고, 전위 제어가 어렵다는 문제가 있다.
실시예는 결정방위가 [110]인 고품질의 웨이퍼를 얻을 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법은 실리콘을 용융하여 실리콘 융액을 준비하는 단계; 결정방위가 [110]인 종자정을 준비하는 단계; 상기 종자정으로부터 네크부(neck)를 성장하는 단계; 및 상기 네크부로부터 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장하는 단계를 포함하고, 상기 네크부의 직경이 4 mm 내지 8 mm 이다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법을 통해 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장할 수 있다. 즉, 종래의 반도체 소자의 한계를 극복할 수 있는 새로운 결정 방향의 웨이퍼를 제조할 수 있다. 즉, 결정방위가 [110]인 잉곳으로부터 소자 효율이 향상된 웨이퍼를 제조할 수 있다.
특히, 종자정의 보론의 농도는 실리콘 융액의 도핑 농도와 대응될 수 있다. 이를 통해, 상기 실리콘 융액과 상기 종자정의 농도 차이에 의한 미스핏(misfit)의 발생을 제어할 수 있다. 이러한 미스핏 전위는 실리콘 융액의 도핑 농도와 종자정의 도핑 농도가 다르면 격자 상수 차이에 의해 종자정이 실리콘 융액에 접촉할 때 종자정 내에 발생하는 전위이다. 본 실시예에서는 이러한 미스핏 전위를 제어하여 고품질의 단결정을 성장할 수 있다.
또한, 실시예예 따른 잉곳 성장 방법에 의해 성장된 네크부의 직경이 종래의 네크부의 직경보다 두꺼워짐으로써, 크기가 큰 고중량의 잉곳을 지지할 수 있다. 즉, 공정 실패를 방지하고, 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장 방법에 의해 제조된 잉곳의 사시도이다.
도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 방법에 이용되는 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 잉곳 성장 방법 및 이에 의해 제조된 잉곳을 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장 방법의 공정 흐름도이다. 도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장 방법에 의해 제조된 잉곳의 사시도이다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법은, 융액을 준비하는 단계(ST100), 종자정(seed crystal)을 준비하는 단계 (ST200), 네크(neck)부를 성장하는 단계(ST300) 및 잉곳을 성장하는 단계(ST400)를 포함한다.
상기 융액을 준비하는 단계(ST100)에서는 챔버 내부에 설치되는 석영 도가니에 실리콘 융액을 준비할 수 있다. 상기 융액을 준비하는 단계(ST100)예서는 실리콘을 용융하여 실리콘 융액을 준비할 수 있다. 상기 실리콘 융액의 도핑 농도가 8.5 x 1018 atoms/cm3내지 1.7 x1019 atoms/cm3 이다. 구체적으로, 상기 실리콘 융액은 보론으로 도핑될 수 있는데, 여기서 상기 보론의 농도가 8.5 x 1018 atoms/cm3 내지 1.7 x1019 atoms/cm3 일 수 있다.
특히, 상기 융액을 준비하는 단계(ST100)에서 자기장이 인가될 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘 융액의 표면의 하부에 자기장이 인가될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 실리콘 융액의 표면을 0 이라 했을 때, 상기 0으로부터 -100mm 에 해당하는 위치에 최대 자기장이 인가될 수 있다. 상기 자기장의 세기는 1500G 내지 3500G일 수 있다. 이를 통해, 실리콘 융액의 온도 편차를 낮출 수 있다. 따라서, 전위를 제어할 수 있다.
상기 종자정을 준비하는 단계(ST200)에서는 결정방위가 [110]인 종자정을 준비할 수 있다. 상기 종자정으로부터 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장할 수 있다.
상기 종자정의 보론의 농도가 8.5 x 1018 atoms/cm3 내지 1.7 x1019 atoms/cm3 일 수 있다. 즉, 상기 종자정의 보론의 농도는 상기 실리콘 융액의 도핑 농도와 대응될 수 있다. 이를 통해, 상기 실리콘 융액과 상기 종자정의 농도 차이에 의한 미스핏(misfit)의 발생을 제어할 수 있다. 이러한 미스핏 전위는 실리콘 융액의 도핑 농도와 종자정의 도핑 농도가 다르면 격자 상수 차이에 의해 종자정이 실리콘 융액에 접촉할 때 종자정 내에 발생하는 전위이다. 본 실시예에서는 이러한 미스핏 전위를 제어하여 고품질의 단결정을 성장할 수 있다.
이어서, 상기 네크부를 성장하는 단계(ST300)에서는 상기 종자정으로부터 네크부를 성장시킬 수 있다. 즉, 상기 종자정으로부터 가늘고 긴 형상의 단결정인 네크(neck)부(N)를 성장시킬 수 있다.
상기 네크부를 성장하는 단계(ST300)에서는 상기 네크부의 성장 속도가 3.0 mm/min 내지 3.2 mm/min 일 수 있다. 이를 통해, 전위 속도보다 빠르게 네크부를 성장하여 전위를 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 네크부(N)의 길이(ℓ)는 400 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 네크부(N)의 직경(d)이 4 mm 내지 8 mm 일 수 있다. 상기 네크부(N)의 직경(d)이 종래의 네크부의 직경보다 두꺼워짐으로써, 크기가 큰 고중량의 잉곳을 지지할 수 있다. 즉, 공정 실패를 방지하고, 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
상기 잉곳을 성장하는 단계(ST400)에서는 상기 네크부(N)로부터 잉곳(I)을 성장시킬 수 있다. 즉, 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장할 수 있다. 즉, 종래의 반도체 소자의 한계를 극복할 수 있는 새로운 결정 방향의 웨이퍼를 제조할 수 있다. 즉, 결정방위가 [110]인 잉곳으로부터 소자 효율이 향상된 웨이퍼를 제조할 수 있다.
상기 잉곳을 성장하는 단계(ST400)에서는 상기 잉곳의 인상 속도가 0.9 mm/min 이상일 수 있다. 이를 통해, 냉각체가 포함된 성장 장치에서 단결정의 냉각 속도를 높여 열응력을 높일 수 있다. 또한, 전위를 증식시켜 다결정화 유무를 육안으로 확인하여 단결정을 확보할 수 있다.
한편, 상기 잉곳을 성장하는 단계(ST400)에서는 상기 네크부(N)로부터 타겟 직경까지 직경을 확장시키는 숄더링(shouldering) 형성 단계 및 타겟 직경을 유지하면서 실리콘 단결정 잉곳을 축방향으로 성장시키는 바디 성장 단계를 포함할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 실시예에 따른 잉곳 성장 방법에 이용되는 잉곳 제조 장치를 설명한다. 도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 방법에 이용되는 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는, 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법 중에서 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법에 사용되는 제조 장치일 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 챔버(10), 원료를 담을 수 있는 제1 도가니(20), 덮개부(100), 제2 도가니(22), 도가니 회전축(24), 잉곳을 인상하는 인상 기구(30), 열을 차단하는 열실드(40) 및 저항 히터(70), 단열재(80) 및 자기장 발생 장치(90)를 포함한다.
이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 도가니(20)는 원료를 수용할 수 있다. 상기 제1 도가니(20)는 폴리 실리콘을 수용할 수 있다. 또한, 상기 제1 도가니(20)는 상기 폴리 실리콘이 녹은 용융 실리콘을 수용할 수 있다. 상기 제1 도가니(20)는 석영을 포함할 수 있다.
상기 제2 도가니(22)는 상기 제1 도가니(20)를 지지할 수 있다. 상기 제2 도가니(22)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제1 도가니(20)는 상기 도가니 회전축(24)에 의해 시계 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 상기 제1 도가니(20) 상부에는 종자정(seed crystal)이 부착되어 이를 인상하는 인상 기구(30)가 위치하며, 상기 인상 기구(30)는 상기 도가니 회전축(24)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다.
상기 인상 기구(30)에 부착된 종자정을 실리콘 융액(SM)에 담근 후, 상기 인상 기구(30)를 회전하면서 인상시킴으로써 실리콘 단결정을 성장시켜 잉곳(I)을 제조할 수 있다.
이어서, 제2 도가니(22)에 인접하여 제1 도가니(20)에 열을 가하는 저항 히터(70)가 위치할 수 있다. 이러한 저항 히터(70)의 바깥쪽에 단열재(80)가 위치할 수 있다. 저항 히터(70)는 폴리 실리콘을 녹여 실리콘 융액(SM)을 만드는데 필요한 열을 공급하고, 제조 공정 중에서도 실리콘 융액(SM)에 계속적으로 열을 공급한다.
한편, 제1 도가니(20)에 담긴 실리콘 융액(SM)은 고온으로, 실리콘 융액(SM)의 계면에서 열을 방출하게 된다. 이때 많은 열이 방출되면 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는데 필요한 실리콘 융액(SM)의 적정 온도를 유지하기가 어렵다. 따라서, 계면에서 방출되는 열을 최소화하고, 방출된 열이 실리콘 단결정 잉곳의 상부에 전달되지 않도록 해야 한다. 이를 위해, 실리콘 융액(SM) 및 실리콘 융액(SM)의 계면이 고온의 온도환경을 유지할 수 있도록 열실드(40)가 설치된다.
열실드(40)는 열적 환경을 원하는 상태로 유지시켜 안정된 결정 성장이 이루어지도록 하기 위해 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 열실드(40)는 실리콘 단결정 잉곳의 주위를 감싸도록 내부가 빈 원통형의 형상일 수 있다. 이러한 열실드(40)는 일례로, 흑연, 흑연펠트 또는 몰리브덴 등을 포함할 수 있다.
챔버(10)의 외부에는 실리콘 융액(SM)에 자기장을 인가하여 실리콘 융액(SM)의 대류를 제어할 수 있는 자기장 발생 장치(90)가 위치할 수 있다. 이러한 자기장 발생 장치(90)은 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장축에 수직인 방향 즉, 수평 자기장(magnet field, MF)을 발생시키는 장치일 수 있다. 본 실시예에서 상기 자기장 발생 장치(90)는 실리콘을 용융하는 공정에서부터 작용할 수 있다. 특히, 상기 자기장 발생 장치(90)는 상기 실리콘 융액의 표면의 하부에 자기장이 인가되도록 할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 실리콘을 용융하여 실리콘 융액을 준비하는 단계;
    결정방위가 [110]인 종자정을 준비하는 단계;
    상기 종자정으로부터 네크부(neck)를 성장하는 단계; 및
    상기 네크부로부터 결정방위가 [110]인 잉곳을 성장하는 단계를 포함하고,
    상기 네크부의 직경은 4 mm 내지 8 mm 이고,
    상기 실리콘 융액의 보론(boron) 농도가 8.5 x 1018 내지 1.7 x1019 이고,
    상기 네크부의 길이는 400mm 이상인 잉곳 성장 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 종자정의 도핑 농도가 8.5 x 1018 내지 1.7 x1019 인 잉곳 성장 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 종자정의 보론 농도가 8.5 x 1018 내지 1.7 x1019 인 잉곳 성장 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 네크부를 성장하는 단계에서는 상기 네크부의 성장 속도가 3.0 mm/min 내지 3.2 mm/min 인 잉곳 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 잉곳을 성장하는 단계에서는 상기 잉곳의 인상 속도가 0.9 mm/min 이상인 잉곳 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 융액을 준비하는 단계에서 자기장이 인가되는 잉곳 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 융액의 표면의 하부에 자기장이 인가되는 잉곳 성장 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 자기장의 세기는 1500G 내지 3500G 인 잉곳 성장 방법.
  12. 제1항, 제4항, 제5항 및 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 성장된 결정방위가 [110]인 잉곳.
KR1020120041987A 2012-04-23 2012-04-23 잉곳 성장 방법 및 잉곳 KR101403800B1 (ko)

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