KR100307256B1 - 균일성이개선된폴리실리콘막을증착하는방법및장치 - Google Patents

균일성이개선된폴리실리콘막을증착하는방법및장치 Download PDF

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Abstract

폴리실리콘 필름이 증착될 기판을 지지하는 수용부의 표면에 반응개스가 접근하는 것을 차단하는 차단판은 기판을 가로질러 증착필름의 개선된 균일성을 제공하고, 계속적인 증착과정동안 기판들간의 편차를 막는다.적당한 차단판은 지지 수용기의 팽창부와 쌍을 이루는 예열 링의 팽창부를 포함한다.

Description

균일성이 개선된 폴리실리콘 막을 증착하는 방법 및 장치
제 1도는 종래 기술의 단일 기판 증착 챔버에 대한 부분 단면도.
제 2도는 본 발명의 실시예를 예시하는 단일 기판 증착 챔버에 대한 부분 단면도.
제 3도는 본 발명에 따른 반응 가스 차단판의 한 실시예 대한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
31 : 단일 기판 반응기 32 : 상부벽
33 : 측벽 34 : 하부벽
35 : 단일 기판 웨이퍼 36 : 서셉터
37 : 모터 38,39 : 고강도 램프
40 : 예열 링 310 : 가스 유입구
142,144 : 연장부
본 발명은 실리콘 기판상에 폴리실리콘을 증착시키는 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 반도체 기판상에 개선된 균일성을 갖는 폴리실리콘 층을 증착하기 위한 단일 기판 처리 챔버 및 방법에 관한 것이다.
도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 층은 실리콘 웨이퍼와 같은 실리콘 기판위에 저압 화학 기상 증착(CVD) 처리를 사용하여 증착된다.실란, 디실란, 실리콘 테트라클로라이드와 같은 실리콘 소스, 및 선택적으로 포스핀, 아르신, 디보란과 같은 도펀트 가스 및, 선택적으로 수소와 같은 캐리어 가스를 포함하는 반응가스 혼합물은 기판 표면위에 실리콘 막을 증착하기 위해 가열처리되고 실리콘 기판 위를 통과한다. 증착된 실리콘의 정확한 결정학적 특징은 증착 온도에 따른다. 낮은 반응 온도에서 증착되는 실리콘은 대부분 비정질 상태이다; 증착 온도가 높을수록, 비정질 실리콘 및 폴리실리콘의 혼합물 또는 폴리실리콘이 단독으로 증착될 것이다.
종래 기술의 방법은 상기 처리를 위해 약 200-400millitorr의 비교적 낮은 압력을 사용한다. 양질의 막이 형성될 수 있지만, 도핑되지 않은 폴리실리콘에 대해 약 100 옹스트롬/분, 도핑된 폴리실리콘에 대해 약 30옹스트롬/분의 매우 낮은 증착율을 가진다. 이런 낮은 증착율은 예를 들어 100개에 달하는 다수의 웨이퍼를 배치-형 처리 챔버 안에서 한번에 처리함으로서 극복될 수 있다.
그러나, 오늘날 반도체 산업용 박막 장치는 단일 기판 처리를 선호하고 있는데, 그 이유는 처리 챔버를 좀더 작게 제작할 수 있어, 처리가 좀더 잘 제어될 수 있기 때문이다. 또한 현대식 반도체 진공 처리 장치는 진공상태으로부너 기판을 이동시키지 않고 하나의 기판에 대해 한가지 이상의 처리단계를 수행하도록 개발되었다. 상기 진공 처리 장치의 사용은 처리과정 동안 웨이퍼의 표면을 오염시키는 미립자의 수를 줄어들게 하였고, 따라서 장치의 생산성을 향상시킨다. 상기 진공 장치는 중앙 로봇식 전송 챔버를 포함하며, 상기 챔버는 Maydan 등의 미국 특허 제 4,951,601 호에 기재된 Applied Materials 5000 계열의 처리장치와 같은 여러가지 처리 챔버에 연결된다.
따라서, 반도체 기판위에 폴리실리콘을 증착하는 단일 기판 처리용 CVD장치가 상업적으로 사용되고 있다. 이런 목적을 위한 CVD 챔버가 제1도를 참조하여 이하 기술될 것이다.
제 1 도를 참조할 때, 단일 기판 반응기(31)는 반응기(31)를 한정하는 상부벽(32), 측벽(33) 및 하부벽(34)을 가지며, 상기 반응기 안에 실리콘 웨이퍼와 같은 단일 기판(35)이 안착될 수 있다. 상기 기판(35)은 원통형의 대칭인 기판(35)에 대해 시간 평균 환경을 제공하기 위하여 모터(37)에 의해 회전되는 축받이 또는 서셉터(36)위체 장착된다. 예열 링(40)은 챔버(30)안에 지지되며 웨이퍼(35)를 둘러싸고 있다. 웨이퍼(35)와 예열 링(40)은 반응기(31)의 외부에 장착된 다수의 고강도 램프(38,39)로부터의 광에 의해 가열된다. 챔버(30)의 상부벽(32) 및 하부벽(34)은 사실상 빛에 대해 투명해서 외부 램프(38,39)의 빛이 반응기(31)속으로 들어가 서섭터(36), 기판(35)및 예열 일(40)을 가열한다. 석영이 상부벽(32) 및 하부벽(34)에 유용한 물질인데, 이는 가시광 및 적외선(IR) 주파수를 가진 광에 대해 투명하고; 상기 벽들의 양단의 커다란 압력차를 지지할 수 있는 상대적으로 고강도의 물질이며; 기체 배출율이 낮기 갖기 때문이다.
증착 공정 동안, 반응 가스 흐름은 가스 유입구(310)로부터 가스가 가열되는 예열 링(40), 및 실리콘 막을 증착하기 위해 화살표(41) 방향으로 기판의 표면을 지나서 배출구(311)로 흘러들어간다. 가스 유입구(310)는 슬롯내의 다수의 파이프를 통해서 반응기(31)로 진입하는 혼합가스를 제공하는 가스 매니폴드(도시안됨)에 연결되어 있다. 상기 파이프의 유입구 단부위치에서, 각각의 파이프를 통과하는 가스 농도 및/또는 흐름 속도는 처리의 균일성을 최적화하는 반응 가스 흐름 및 농도의 프로화일을 형성하도록 선택된다. 기판의 회전 및 램프(38 및 39)에서 나온 열에 의한 열적 변화도는 반응기(31) 안에서 가스의 흐름 프로파일에 중요한 영향을 줄수 있지만, 흐름 프로파일의 우세한 형상은 가스 유입구(310)으로부터 예열 링(40) 및 기판(35)에 걸친 배출구(311)까지의 층류이다.
실리콘 웨이퍼 상에 도핑되지 않은 실리콘 층을 형성하는 전형적인 처리에서, 진공 챔버의 압력은 약 80Torr로 적당한 고온계로 측정했을 때 약 650℃의 기판 온도에서 진공 챔버 속으로 약 10리터/분으로 수소를 공급하고 약 500sccm의 실란을 첨가함으로써 유지된다. 폴리실리콘 막은 상기 조건하에서 약 2000옹스트롬/분의 속도로 증착될 수 있다. 상기 방법에서 사용되는 압력이 높을수록 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘의 증착율이 증가된다.
상술된 제 1도의 단일 기판 증착 챔버를 사용하고 고압 처리를 행함으로써 증착 비율의 면에서는 큰 개선이 이루어졌으나, 하나의 기판에서 또다른 기판으로 증착되는 막의 균일성 및 막 두께의 변화, 시트 저항 등은 전체적으로 만족스럽지 못하다. 따라서 기판 상에 균일성이 개선된 폴리실리콘 막을 증착하기 위해 단일 기판 CVD 챔버를 제공하고 기판의 웨이퍼 균일성을 개선하는 것이 요구된다.
본 출원인은 기판 지지부 또는 서셉터의 이면(backside)으로 처리 가스가 흐르는 것을 방지함으로써 기판상에 증착되는 폴리실리콘 막의 균일성이 개선될 수 있고, 웨이퍼 대 웨이퍼의 변화가 감소될 수 있다는 것을 발견했다. 서셉터의 이면에 고체 물질의 증착은 기판위에 증착되는 막 두께 및 막 특성의 불균일성을 야기시킨다. 상기 증착으로 인해 서셉터의 가열 속도를 변화되어 서셉터의 표면에서의 온도 변화가 일어나, 막 두께의 불균일성이 야기되며, 고체물이 서셉터 이면에 축적됨에 따라 계속되는 증착 과정 동안 온도변화가 발생하여 막 두께 및 막 특성에서의 웨이퍼 대 웨이퍼 변화를 초래한다.
서셉터의 이면으로 반응 가스가 흘러들어가는 것을 막는 차단판을 제공함으로써, 상기 이면 증착 및 온도 변화가 차단되어 보다 균일한 폴리실리콘 막이 얻어진다. 웨이퍼대 웨이퍼의 막 두께 및 막 특성 변화 또한 방지 또는 최소화 된다.
증착 챔버의 이면에의 증착을 차단하는 하나의 수단을 예시하는 실시예가 제 2도를 참조하여 기술될 것이다.
단일 기판 반응기(131)는 상부벽(132), 측벽(133) 및 하부벽을 가진다. 상부벽(132) 및 하부벽(134)은 석영으로 제조된다. 반응기(131)의 외부에는 예열 링(140)을 가열하는 다수의 고강도 램프(138, 139)가 있고, 서셉터(136)와 폴리실리콘 막이 증착되는 기판(135)이 있다. 서셉터(136)는 상부면(146)및 이면(145)을 갖춘 평판이다. 반응가스 유입구(111) 및 배출구(112)는 마주하는 측벽(133)에 위치해 있고, 예열 링(140) 및 기판(135)으로의 층류를 일으킨다.
제 3도에서 더욱 상세하게 나타낸 것처럼, 서셉터(136)는 연장부(142)를 가지며, 상기 연장부는 서셉터(136)의 측벽내에 설치되거나 또는 바깥측에 설치될 수 있다. 예열 링(140)은 상부면(143)에 서셉터(136)의 연장부(142)와 매칭되는 (match) 연장부(144)를 가진다. 매칭되는 연장부(142,144)는 상기 연장부 사이의 갭을 통과해 서셉터(136)의 이면(145)에 고체 물질을 증착할 수 있는 반응 가스의 양을 차단하거나 또는 크게 줄이는 차단판 역할을 한다.
서셉터 이면에 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 또는 다른 고체 물질의 증착은 서셉터(136)에서의 온도 변화를 일으키고, 차례로 도핑 폴리실리콘 막의 막 두께 및 막 특성 변화를 야기한다.
추후, 서셉터(136)의 이면(145)에 물질의 축적은, 증착 공정 동안 기판(136)에 대한 부정확한 온도를 나타내게 되고, 또한 증착된 막의 특성 및 증착 비율에 영향을 미친다. 서셉터(136)의 온도는 챔버(131)의 외부와 램프 (139)위에 장착되어 있는 고온계(150)에 의해 측정된다. 고온계(150)는 서셉터(136) 이면(145) 방사율에 민감하다. 만일 서셉터(136) 이면(145)의 방사율이 다양한 물질의 증착으로 인해 변한다면, 고온계(15)는 변화하는 신호를 얻게 되고, 잘못된 온도 표시치를 나타낸다. 따라서, 서셉터(136) 이면(145)의 방사율은 가능한 일정하게 유지되어야 한다.
또한, 이면(145)에서의 물질 증착이 다음 기판이 처리되는 동안 계속됨에 따라 증착된 막에서의 웨이퍼 대 웨이퍼 변화가 발생하는데, 이런 변화는 가능한 작게 유지되는 것이 바람직하다.
예열 링과 서셉터의 확장부를 서로 중첩시켜 매칭되게 함으로써, 차단판이 제공되어 반응 가스가 서셉터 표면에 도달해 고체로 증착되지 못하도록 한다. 따라서, 서셉터 위에 있는 기판의 온도 변화는 감소되고 증착 공정 동안 기판의 온도 표시치는 종래의 증착 챔버에서 보다 정확하다.
본 발명의 처리 챔버는 단독으로 사용될 수 있거나 또는 바람직하게 상기 기술된 것처림 다중-챔버 진공 처리 장치의 일부일 수도 있다. 상기 경우에 본 발명의 처리 챔버느 기판을 중앙 전송 챔버로부터 챔버 안팎으로 전송하기 위해 측벽에 하나의 배출구를 포함한다.
본 발명은 비록 단일 기판 처리 챔버에 대해 기술되었지만, 장치 및 디자인에서의 변화는 당업자에 의해 이루어질 수 있고, 본 발명의 내용에 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 영역에 의해서만 제한된다.

Claims (5)

  1. 기판보다 큰 연장부를 갖는 상기 기판의 서셉터 지지부, 및 상기 서셉터의 이면으로 반응 가스가 도달하는 것을 방지하는 차단판을 포함하며, 상기 차단판을 상기 서셉터 지지부의 연장부와 매칭되는 연장부를 갖고 상기 기판을 둘러싸는 예열 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 챔버.
  2. 다수의 고체식 반도체 기판에 대하여 화학 기상 증착되는 막의 균일성을 개선하는 방법에 있어서,
    a) 화학 기상 증착 챔버내의 서셉터 지지부 상에 반도체 기판을 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 서셉터는 연장부를 포함하며 증착 공정 동안 상기 서셉터의 이면으로 반응 가스의 접근과 고체 물질의 증착을 방지하는 차단판으로 둘러싸이며, 상기 차단판은 상기 기판을 둘러싸고 상기 서셉터의 연장부와 매칭되는 연장부를 갖는 예열 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 막의 균일성을 개선하는 방법.
  3. 다수의 반도체 기판에 대하여 증착된 실리콘 막의 균일성을 개선하는 방법에 있어서,
    a)화학 기상 증착 진공 챔버내의 서셉터 지지부 상에 반도체 기판을 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 서셉터는 연장부를 포함하고 또한 상기 서셉터의 연장부와 매칭되는 연장부를 갖는 예열 링을 포함하는 차단판에 의해 둘러싸여 상기 서셉터의 이면으로의 반응 가스의 접근과 고체 물질의 증착이 방지되며,
    b)상기 기판 상에 실리콘을 증착하는 단계, 및
    c)또 다른 반도체 기판에 대해 상기 단계 a) 및 상기 단계b)를 순차적으로 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 막의 균일성을 개선하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 실리콘 막의 균일성을 개선하는 방법.
  5. 제 3항에 있어서,상기 반응 가스는 수소 및 실란을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 막의 균일성을 개선하는 방법.
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