KR100272891B1 - 저온, 고압 상태에서의 실리콘 증착방법 - Google Patents

저온, 고압 상태에서의 실리콘 증착방법 Download PDF

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Abstract

약 13.2×10-3atm(10 Torr)에서 462×10-3atm(350 Torr)로 증가된 압력에서 화학증착(CVD)에의해 도핑된 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘 층들을 기판위에 생산하는 방법으로서, 이 방법에 의하여 실용가능한 속도로 증착이 달성된다. 기판이 진공 챔버내에 제공되고, 온도가 소정의 결정도를 갖는 실리콘 증착을 얻기위해 조정되며, 실리콘 전구물질 기체들이 미리 선정된 높은 압력에 맞추어 진공 챔버로 공급된다. 도핑되지 않은 실리콘 및 도핑된 실리콘은 모두 분당 약 3000Å에 달하는 높은 속도로 증착될 수 있다.

Description

저온, 고압 상태에서의 실리콘 증착방법
제1도는 웨이퍼의 배치(batch)위에 도핑된 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘 층들을 증착시키기 위해 사용되는 종래의 저압 화학증착용 반응기를 나타낸 도면.
제2도는 웨이퍼의 배치(batch)위에 도핑된 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘 층들을 증착시키기 위해 사용되는 또다른 종래의 저압화학증착용 반응기를 나타낸 도면.
제3도는 고압으로 실리콘이 웨이퍼위에 증착되는, 본 발명에 따른 단일 웨이퍼 반응기를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 30 : 진공챔버 12, 21, 35 : 웨이퍼
13 : 가스 저장소 14 : 유도 제어기
15, 310 : 가스 유입구 16 : 배기장치
17 : 가열부재 22 : 가스 분사기
31 : 단일 웨이퍼 반응기 37 : 전동기
310 : 가스 유입구 311 : 가스 배기구
본 발명은 도핑되지 않은 실리콘 또는 도핑된 실리콘을 높은 성장 속도로 증착시키기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실용적인 증착 속도로 단일 웨이퍼 처리 챔버내에서 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘을 증착시키기 위한 방법에 관한 것이다.
도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘을 증착시키는 종래기술은 저압 화학증착(LPCVD)에 따라 수행되어 왔다. 포스핀 또는 아르신 등과 같은 도핑가스를 운반할 수 있는 실란, 디실란, 사염화 등과 같은 가스 소오스가, 실리콘 층이 증착되는 기판을 포함하는 챔버로 공급된다. 기판이 증착온도까지 가열되고 가스들이 챔버로 공급되어 분해되면, 그후에 실리콘이 기판 표면상에 증착된다.
이러한 종래의 장치는 통상적으로는 약 264×10-3atm(200millitorr) 내지 528×1010-3atm(400millitorr)의 저압하에서 작동한다. 그러나, 이런 압력하에서는 실리콘 증착 속도가 매우 느려서, 도핑되지 않은 실리콘에 대하여 분당 약 100Å 정도 그리고 도핑된 실리콘에 대하여 분당 약 50Å 정도의 속도를 가진다. 종래 기술에 따른 방법에서는, 챔버내에 다수개의 기판을 제공함으로써 낮은 증착 속도를 보충하는데, 예를들면 챔버내에 약 100개에 달하는 기판이 동시에 처리되도록 제공된다.
제1도에 도시된 종래의 저압 화학증착 장치에 있어서, 챔버(10)는 다수의 실리콘 웨이퍼(12)를 운반하는 보우트(boat)(11)를 포함한다. 가스 저장소(13)로부터 공급된 가스는 유동 제어기(14)에 의해 제어되며, 가스 유입구(15)를 통해서 챔버(10)로 유입된다. 공급된 가스는 화살표 방향으로 웨이퍼(12)를 가로지르며 유지된다. 챔버(10) 내의 저압 상태는 배기 장치(16)로 인해 유지된다. 공급된 가스들이 배기장치(16)쪽으로 유동함에 따라서 가스들의 농도가 감소될 수 있기 때문에, 챔버(10)내에는 제각기 제어되는 3개의 가열부재(17)를 포함하고 있는데, 각각의 가열부재(17)는 챔버(10)내에서의 반응 가스들이 농도변화를 보상하기 위해 챔버(10)내의 온도를 변화시킨다.
제2도에 또다른 종래의 저압화학증착용으로 사용되는 배치(batch)방식의 실리콘 증착 챔버가 도시되어 있다. 이 챔버내에서는 다수의 웨이퍼(21)들이 세로방향으로 쌓여져 있고, 반응 가스들이 가스 분사기(22)에 제공되어 있는 다수의 구멍(23)을 통해서 분사된다. 가스 분사기(22)는 양쪽의 웨이퍼(21) 사이에 위치된다. 챔버에 제공되는 낮은 압력 때문에 균일한 증착이 가능한데, 이러한 증착은 배치 처리 방식으로 수행될 수 있다.
가스의 압력 및 온도를 주의 깊게 조정하는 동안에 균일한 실리콘 필름들이 기판위에 매끄럽게 증착될 수 있지만, 만약 증착이 진행되는 동안에 예를들어 동력차단이 발생되거나 또는 공급된 가스등에 불순물등의 결점이 존재하게 되면 일렬의 웨이퍼가 손상을 입어 쓸모없게 되는 단점이 있다.
최신 장치는 실리콘, 비소화 갈륨 등과 같은 기판위에 전처리 장치의 여러 처리 단계를 위해서 다수의 챔버를 사용한다. 진공상태 하에서, 서로 연결된 일련의 챔버내에서 단일 웨이퍼에 대하여 여러 처리 단계들이 순차적으로 수행된다. 이러한 수행에 의하여, 비용이 많이 든다는 여러 처리 단계들마다 압력을 상승 및 하강시킬 필요가 없고, 주위에 있는 불순물에 기판을 노출시키지 않아도 된다.
그러나, 저압화학증착 공정에서 실리콘의 증착은 느리기 때문에, 한개의 웨이퍼를 처리하기 위해 요구되는 시간이 과도하게 길어지고 처리장치의 비용이 크게 상승한다. 즉, 실리콘 증착 단계가 다단계 처리장치의 수행 속도를 좌우하게 된다.
그러므로, 다단계 반응기내의 단일 기판위에 실리콘이 증착되는 처리량을 개선하는 방법이 절실히 요구되고 있다.
단일 기판이 제공된 화학증착 챔버의 압력을 증가시킴으로써, 도핑된 실리콘 및 도핑되지 않은 실리콘의 증착 속도가 크게 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 약 33×10-3atm(25Torr) 내지 462×10-3atm(350Torr)의 가스 압력하에서 분당 500Å 내지 3000Å의 증착 속도가 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일 기판이 다수의 챔버를 갖는 반응기의 챔버내에 제공되고, 웨이퍼의 온도가 바람직한 증착온도로 조정되며, 도핑되지 않은 실리콘 또는 도핑된 실리콘을 소정의 두께로 증착시키기 위한 원하는 시간동안 바람직한 압력하에서 증착 가스들이 챔버내로 공급된다.
도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘의 증착 속도를 증가시키기 위하여, 챔버내의 압력은 약 13.2×10-3atm(10Torr) 내지 462×10-3atm(350Torr)에서, 바람직하게는 약 33×10-3atm(25Torr) 내지 198×10-3atm(150Torr)에서 유지된다. 이러한 압력하에서 분당 300Å에 달하는 증착 속도가 달성될 수 있다. 낮은 압력에서는 증착 속도가 분당 약 500Å의 속도까지 떨어지는데, 이 속도는 상업적으로 이용 가능한 속도인 분당 1000Å 이하가 된다. 462×10-3atm(350Torr) 이상의 압력에서는 상당한 양의 증착이 반응 챔버의 벽 및 다른 내부 시설물상에서 발생하고, 기판을 오염시킬 수 있는 바람직하지 않은 미립자들이 형성될 수 있다. 본 발명에 따라서 증착 속도를 크게 증가시킴으로써, 배치 방식의 복수기판 처리 공정과 비슷하게 일정한 주어진 시간간격 동안에 단일 기판처리가 가능하게 되었다.
이러한 단일 기판 공정은 도핑되지 않은 실리콘층들 및 도핑된 실리콘층들을 증착시키기에 경제적이다. 도핑되지 않은 실리콘은 실란, 디실란, 사염화 실리콘, 삼염화 실리콘, 이염화 실리콘등을 사용하여 증착시킬 수 있다. 증착된 실리콘의 정확한 결정학상 특성은 증착온도에 의해서 결정된다. 예를들면, 약 600 내지 650℃의 낮은 증착온도에서 증착된 실리콘은 대부분이 비정질이다. 약 650 내지 690℃로 조금 높아진 온도에서는 비정질 및 다결정 실리콘의 혼합물이 얻어질 것이다. 약 690 내지 750℃의 높은 온도에서 증착된 실리콘은 대부분 다결정 실리콘이 될 것이다.
도핑된 실리콘 층들은 화학증착에 의해서 또한 생산될 수 있지만, 일반적으로 증착 속도가 낮다. 제1도 및 제2도의 종래의 장치에서 수행된 저압화학증착 방법은 균일하지 못한 두께의 필름들을 생산한다. 공급된 가스들은 실리콘 전구물질 가스(silicon precusor gas)에 적절한 양의 도핑 가스를 혼합하도록 조정된다. 예를들면, 인으로 도핑된 실리콘을 생산하기 위한 적은양의 포스파인(phosphine)이 추가될 수 있으며, 비소로 도핑된 실리콘을 생산하기 위하여 적은 양의 아르신(arsine)이 추가될 수 있다.
본 발명에 따른 공정은 종래 기술로 제조된 실리콘층들 보다 규일한 두께를 갖는 도핑된 실리콘층들에 대한 증착 속도를 크게 증가시킨다.
이하, 본 발명에 따른 공정은 제3도를 참조로 보다 상세히 설명한다. 제3도는 도핑된 실리콘층이나 도핑되지 않은 실리콘층을 어느정도 상업적인 실용 속도로 증착시킬 수 있는 단일 웨이퍼 반응기(31)를 도시한 것이다. 이 반응기(31)는 상부벽(32), 측벽(33) 및 하부벽(34)를 갖추고 있는데, 이들 벽은 웨이퍼(35)가 제공될 수 있는 단일 기판이 그 내부에 위치되는 반응 챔버(30)를 구성한다. 웨이퍼(35)가 전동기(37)에 의해서 회전되는 받침대(36)위에 장착되어서, 원통형으로 대칭인 웨이퍼(35)에 대한 일정시간의 평균적인 환경이 제공된다. 웨이퍼(35)는, 고도의 휘도를 가지는 램프(38 및 39)로부터 방출된 빛에 의하여 가열된다. 상부벽(32) 및 하부벽(34)은, 빛이 램프(38 및 39)로부터 챔버(30)내로 이동될 수 있도록 투명해야 한다. 석영은 가시광선 및 자외선 진동수를 갖는 빛이 통과될 수 있기 때문에 상부벽(32) 및 하부벽(34)에 쓰이는 유용한 재료가 되며, 이 벽들을 가로지르는 큰 압력차를 견딜 수 있는 고강도 재료이고, 가스들이 석영으로 구성된 벽들에 충돌하여 가스의 배출 속도가 느려지게 된다.
반응 가스는 가스 유입구(310)로부터 유입되어 웨이퍼(35)를 가로질러서 가스 배기구(311)로 이동한다. 가스 유입구(310)는 단일 가스 또는 혼합가스들을 다수의 관들을 통해서 이 유입구(310)로 유입시키는 가스 다기관에 연결되어 있다. 이러한 관들의 입력단부의 위치, 그리고 관들을 통과하는 가스 농도 및 유량은 공정의 균일성을 완벽하게 하는 반응 가스 유동 및 농도를 산출하도록 선택된다. 램프(38 및 39)로부터 발생되는 열에 의해서 웨이퍼(35)의 회전 및 열적구배가 반응 챔버(30)내의 가스의 유동 형태의 상당한 영향을 주지만, 유동의 지배적인 형상은 가스 유입구(311)로부터 웨이퍼(35)를 가로질러 배기구(311)로 이동되는 층류유동이다.
실리콘 웨이퍼상에 도핑되지 않은 실리콘층을 제조하는 통상적인 공정에 있어서, 진공 챔버의 10.56×10-2atm(80Torr)의 압력은 웨이퍼의 온도가 650℃에 도달된 이후에 진공 챔버내로 분당 약 10리터의 수소를 공급하고 약 525sccm 실란을 추가함으로써 유지된다. 약 50 대 50의 다결정 및 비정질 실리콘의 혼합물의 분당 2000Å의 속도로 증착되었다.
약 250sccm의 실란을 사용하는 약 700℃의 웨이퍼 온도에서 증착된 실리콘은 다결정 실리콘이다.
안으로 도핑된 다결정 실리콘은 제3도의 진공 챔버내에 있는 웨이퍼(35)위에 증착되는데, 이 증착은 650℃의 온도에서 수소중에 1퍼센트 포스핀 300sccm 및 525sccm의 실란과의 혼합물 공급에 의해서 이루어진다. 합성된 실리콘 층은 약 1.5×10-21㎝-3의 인을 포함하며 분당 약 1500Å의 속도로 증착된다.
비록 본 발명이 특정의 압력, 온도 및 반응 챔버 형식을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 분야에서 숙련된 당업자는 이를 다른 입력, 온도, 가스 소오스 및 증착 챔버로의 대체가 가능하고, 이러한 대체된 조건에서도 본 발명이 적용 가능함을 알게 될 것이다. 본 발명은 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (7)

  1. 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 함유 층을 기판위에 증착시키는 방법으로서, a) 온도제어 수단이 설비된 진공 챔버내로 기판을 제공하는 단계와, b) 상기 기판의 온도를 약 600℃ 내지 750℃ 사이에서 제어하는 단계와 ; c) 실리콘 전구물질 가스 또는 가스들을 상기 진공 챔버에 가하는 단계와 ; d) 약 10Torr 내지 350Torr 사이의 압력으로 상기 진공 챔버를 유지하고, 목적하는 두께의 상기 실리콘 함유 층이 얻어질 때까지 상기 증착을 지속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 함유 층 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력이 약 25Torr 내지 190Torr 사이에서 유지되는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도가 대부분 비정질 실리콘이 상기 기판상에 증착되도록 약 600℃ 내지 650℃에서 유지되는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 온도가 대부분 비정질 실리콘과 다결정 실리콘의 혼합물이 상기 기판상에 증착되도록 약 650℃ 내지 690℃에서 유지되는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 온도가 대부분 다결정 실리콘이 상기 기판상에 증착되도록 약 690℃ 내지 750℃에서 유지되는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판상에 인-도핑된 실리콘 함유층이 증착되도록 상기 진공 챔버에 인 도판트 가스가 가해지는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 기판상에 인-도핑된 실리콘 함유 층이 증착되도록 상기 진공 챔버에 인 도판트 가스가 가해지는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
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