KR100416697B1 - 수직형 액상 에피택시 장비 - Google Patents

수직형 액상 에피택시 장비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy: 이하 'LPE'라 함)장비에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 기존의 수평형 LPE 장비의 단점을 보완한 수직형 LPE 장비에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비는 웨이퍼 커버(wafer cover), 다공성 커버(perforated cover), 용융시료 용기(melt reservoir)를 각각 포함하고, 상기 웨이퍼 커버와 다공성 커버가 상하로 적층된 구조를 가지는 보우트(boat)를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비는 종래의 수평형 LPE장비와 비교할 때 동시에 여러 장의 웨이퍼의 에피택시 공정을 진행시킬 수 있으며, 장비 면적이 대폭 축소되어 장비제작 원가를 절감할 수 있고, 또한 웨이퍼의 균일도를 개선하여 품질향상을 이룰 수 있다.

Description

수직형 액상 에피택시 장비{Vertical Liquid Phase Epitaxy Equipment}
본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy; LPE) 장비에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 기존의 수평형 LPE 장비의 단점을 보완한 수직형 LPE 장비에 관한 것이다.
일반적인 에피택시 방법에는 기상 에피택시(Vapour Phase Epitaxy; VPE)법,액상 에피택시(LPE)법 및 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE)법 등이 주로 사용되고 있으나, 이러한 방법들 중 LPE 법은 비교적 간단하게 이루어지고, 낮은 가격으로 고품질의 에피택셜층이 형성된다는 점이 장점이라 할 수 있다. LPE법 중 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법은 수평형 슬라이더 방법이며, 그 중에서도 보우트(boat) 슬라이딩 방법이다.
이하 현재 사용되고 있는 수평형 LPE 장비 중 하나의 구조를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 현재 사용하고 있는 수평형 LPE 장비의 개략적 구조를 나타낸 단면도이다. 우선 전체적인 구조를 보면, 보우트 세트(boat set)(110)가 석영관(quartz reactor tube)(120)내에 수평으로 위치하고 있으며, 상기 석영관(120)의 외부를 히터 블록(130)이 둘러싸고 있으며, 상기 보우트 세트(110)는 푸쉬 로드(push rod)(100)와 연결되어 슬라이딩이 가능하게 되어 있고 또한 캐리어 가스 주입을 위한 입구(160) 및 출구(170)가 있다. 상기 히터 블록(130)은 온도를 가하기 위한 장치이고, 석영관(120)은 일정한 압력의 유지와 열을 전달하고, 또한 화학적, 물리적 반응이 일어나는 공간이다.
도 2는 상기 보우트 세트(110)의 내부 단면도를 나타낸다. 도 2를 통하여 보우트 세트(110)의 내부를 좀 더 상세히 살펴보면, 우선 웨이퍼(210)를 장착할 수 있는 부분과 시료를 담을 수 있는 용융시료 용기(melt reservoir)(240)가 위치하고 있다. 또한 상기 웨이퍼(210)가 고온에서 해리 되는 것을 억제하기 위한 웨이퍼 커버(220)와, 캐리어 가스 및 도펀트와의 원활한 접촉을 위한 다공성 커버(230)가상기 용융시료 용기(240)의 좌우에 각각 위치하고 있다. 상기 보우트 세트(110)의 재질은 주로 그래파이트(graphite)이다.
에피택시를 위한 도펀트는 (1) 캐리어 가스의 주입에 의한 방법 또는 (2) 보조히터(140)를 이용하여 도펀트 소스(예를 들면, Zn)를 가열하여 공급하는 방법 중 하나에 의하여 제공되며, 도펀트 종류에 따라 n형인지 p형인지가 결정된다. 전자에 의하면, 캐리어 가스 입구(160)를 통해 가스형태의 소스를 주입하고, 후자에 의하면 보조 히터(140)에 의해 소스 용기(source crucible)(150)에 담긴 소스를 증발시켜 주면서 주입한다. 주로 사용되어지는 캐리어 가스의 종류는 H2, NH3, H2S, Ar 등으로, 소자 특성에 따라 각기 다른 가스를 사용하며 혼합비율 또한 다르게 사용하는 것으로 보고되어 있다.
에피택시의 대략적 과정은 다음과 같다.
우선 반도체 기판(210)을 카세트에 장착하고, 시료를 용융시료 용기(240)에 채운 후, 히터 블록(heater block)(130)으로 성장 온도를 조절한다. 캐리어 가스 입구(160)를 통하여 캐리어 가스를 주입하여 분위기를 조성한 후, 푸쉬 로드(100)에 의해 웨이퍼(210)가 장착된 카세트(200) 위를 용융시료(250)가 담긴 시료 용기(240)가 슬라이딩하여, 웨이퍼 상부에 시료용기가 위치하는 시점에서 웨이퍼에 용융 시료가 가해진 후, 다공성 커버(230)가 웨이퍼에 가해진 용융 시료의 상부에 위치하게 되면, 에피택시가 이루어지는 동안 외부에서 주입되는 캐리어 가스와 도펀트의 원활한 접촉이 가능하게 된다. LPE 장비에 의한 반도체의 성장은 단계적 냉각법(step cooling)에 의하여 이루어진다.
상기와 같은 수평형 LPE 장비는 대부분 히터 블록(130))과 석영관(120)이 고정된 상태에서 플랜지(180)가 좌우로 움직이는 보우트 슬라이딩 법을 채택하고 있으므로 보우트 슬라이딩을 위한 장치 및 히터 블록, 석영관 등이 수평으로 길어지게 되어 불가피하게 장치는 커질 수밖에 없으며, 따라서 장비 제작비용이 많이 들고 스택 능력(stack capability)이 좋지 않아 웨이퍼를 장착하는 데에 제약을 받으며, 여러 장의 웨이퍼를 동시에 진행시킬 수 없다는 문제점이 있다. 또한 웨이퍼(210)를 장착하는 카세트(200)의 길이에 따라 용융시료(250)가 가해지는 시점이 각기 다르므로, 스택 내에 에피택셜층의 두께 불균일도가 심화되고, 도핑농도도 차이를 보이게 되어 특성들이 불균일한 화합물 반도체 소자가 만들어질 확률이 높다는 문제점도 제기되어 왔다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 액상 에피택시 장비의 문제점을 해결하여 일시에 다수의 웨이퍼의 에피택시를 진행시킬 수 있으며, 또한 웨이퍼의 에피택셜층의 균일도를 향상시킬 수 있는 LPE 장비를 제공하는 데에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수평형 LPE 장비의 개략적 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 수평형 LPE 장비의 보우트 부분 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비의 일 실시예에 따른 개략적 구조를 보여주는 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비의 보우트 세트의 내부 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비의 보우트 세트의 분해 사시도.
* 도면의 주요 부분의 부호의 설명 *
100: 푸쉬 로드(push rod)
110, 310, 490: 보우트 세트(boat set)
120, 320: 석영관(quartz reactor tube)
130, 330: 히터 블록(heater block)
140: 보조 히터(subsidiary heater)
150: 소스 용기(source crucible)
160, 360: 캐리어 가스 입구(inlet)
170, 370: 캐리어 가스 출구(outlet)
180, 380: 플랜지(flange)
200, 400: 카세트(cassette) 210, 410: 웨이퍼
220, 420: 다공성 커버(perforated cover)
230, 430: 웨이퍼 커버(wafer cover)
240, 440: 용융시료 용기(melt reservoir)
250, 450: 용융시료(melt)
300: 회전 로드(rotation rod)
350: 소스 주입구(source inlet)
460: 슬릿(slit)
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 기존의 수평형 LPE 장비의 문제점을 해결할 수 있는 수직형 LPE 장비를 개발하기에 이르러 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 웨이퍼 커버(wafer cover), 다공성 커버(perforated cover), 용융시료 용기(melt reservoir)를 각각 포함하고, 상기 웨이퍼 커버와 다공성 커버가 상하로 적층된 구조를 가지는 보우트 세트(boat set)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 수직형 LPE 장비를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 수직형 LPE 장비에 있어서, 상기 웨이퍼 커버의 하부에 상기 다공성 커버가 위치하는 것이 바람직하다. 또한 상기 보우트 세트에 여러 장의 웨이퍼를 장착할 수 있으며, 상기 보우트 세트가 여러 개 적층된 구조를 가질 수도 있다. 상기 보우트 세트의 외부는 석영관으로 둘러싸여 있으며, 또한 석영관의 외부를 히터 블록이 둘러싸고 있고, 상기 석영관 및 히터 블록은 상하로 이동 가능한 것이 바람직하다. 상기 석영관 내에 투입법에 의하여 수직방향으로 소스의 공급이 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 수직형 LPE 장비의 일 실시예를 첨부한 도 3에 나타내었다. 도 3을 참고로 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
도 3에서와 같이 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비는 석영관(320)이 수직으로 세워져 있고, 그 외부를 히터 블록(330)이 둘러싸고 있는 구조를 갖는다. 또한 석영관 내부에 위치하고 있는 보우트 세트(310)가 여러 개 적층되어 있는 것을 볼 수 있다.
히터 블록(330) 및 석영관(320)은 각각 구동 모터에 의하여 상하로 움직일 수 있도록 구성되어 있으며, 히터 블록 및 석영관이 상부로 이동한 상태에서 보우트 세트의 로딩 및 언로딩이 진행된다. 보우트 세트의 재질은 통상의 그래파이트 성분으로 이루어져 있다.
보우트 세트(310)를 좀 더 상세히 살펴 볼 수 있도록 보우트 세트의 내부 단면도를 도 4a 내지 도 4c에 나타내었다. 종래기술과 가장 큰 차이점은 보우트 세트 구조가 슬라이딩 방식이 아닌 회전방식의 구조로 이루어져 있다는 점이다. 도 4a는 용융시료 용기에 시료가 담겨 있는 상태를, 도 4b는 웨이퍼에 용융시료가 가해지는 상태를, 도 4c는 시료가 가해진 후의 상태를 각각 나타내는 단면도이다. 또한 보우트 세트(310)의 분해 사시도를 도 5에 나타내었다. 이하 도 4a 내지 도 4c 및 도 5를 참조하여 설명한다.
시료가 가해지는 과정은 회전 방식에 의하여 이루어진다. 우선 보우트 세트(490)는 웨이퍼(410)가 장착될 수 있는 카세트(400)와 캐리어 가스 및 도펀트의 원활한 접촉이 가능하도록 하는 다공성 커버(430) 및 고온에서 웨이퍼(410)의 해리를 억제하기 위한 웨이퍼 커버(420)가 적층된 구조로 이루어져 있다. 상기 웨이퍼 커버의 상부에는 용융시료(450)를 담을 수 있는 용융시료 용기(440)가 위치하고 있다. 상기 용융시료 용기(440)에는 웨이퍼(410)에 용융시료(450)를 가할 수 있도록 슬릿(460)이 뚫려 있다. 카세트(400), 다공성 커버(430) 및 웨이퍼 커버는 각각 수직방향으로 서로 맞물리도록 되어 있어 있다.
용융시료(450)가 용융시료 용기(440)에 담긴 후(도 4a), 구동 모터에 의해 회전 로드(rotation rod)(300)가 회전한다. 슬릿(slit)(460)이 뚫려있는 용융시료 용기(440)가 웨이퍼 커버(420)와 함께 회전하여 슬릿(460)이 웨이퍼(410)의 상부에위치하게 되면, 슬릿(460)을 통하여 용융시료(450)가 하부 웨이퍼(410)에 가해지고(도 4b), 계속 회전하여 초기상태와 같이 다공성 커버가 웨이퍼의 상부에 위치하게 (도 4c) 된다.
상기와 같은 보우트 세트(490)가 복수로 적층되어 여러 장의 웨이퍼를 장착하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 수직형 LPE장비를 이용한 화합물 반도체의 전체적인 제조과정을 하기 일실시예를 통하여 좀 더 상세히 살펴본다.
우선 히터 블록(330)이 위로 열린 후, 석영관(320)이 위로 열린다. 웨이퍼(410)를 웨이퍼 위치에 장착한다. 이후, Ga 등의 시료를 적층된 각각의 보우트 세트 내에 위치한 용융시료 용기(440)에 채운다. 이후, 에피 성장분위기를 조성한다. 구동모터에 의하여 다공성 커버(430)와 웨이퍼 커버(420)가 함께 회전한다. 각 보우트 세트의 슬릿이 웨이퍼의 상부에 위치하게 되면 용융시료(450)가 웨이퍼에 가해진다.
도펀트 주입은 캐리어 가스 입구(360)를 통한 H2, NH3, Ar, H2S등의 캐리어 가스 주입과 소스 주입구(350)를 통한 소스의 주입에 의하여 이루어지며, 고온 상태의 석영관(320)안으로 소스가 투입됨에 따라 증발하게 된다.
용융시료(450)가 가해진 상태에서 설정된 온도 프로파일에 따라 에피택시가 진행된다. 히터 블록(330)에 가해지는 전원을 석영관(320)내에 설치된 프로파일 써모 커플(profile thermo couple)을 이용하여 온도를 조절한다. 특정 시점에 웨이퍼 커버(420)가 하부 다공성 커버와 분리되어 상부로 이동한다. 다공성 커버(430)를 통해 캐리어 가스와 도펀트가 웨이퍼와 원활히 접촉된다. 에피택시가 종료된 후, 다공성 커버가 카세트와 분리되어 상부로 이동한다. 웨이퍼(410)를 인출한다.
상기 실시예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기 위해 예시적으로 설명된 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아님이 자명하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 수직형 LPE 장비는 종래의 수평형 LPE 장비와 비교하여, 복수장의 웨이퍼의 에피택시를 동시에 진행시키는 것이 가능하므로 대량생산이 가능하고, 다공성 커버(430)와 웨이퍼 커버(420)를 적층하여 장비 면적을 대폭 축소하였으며 히터 블록(330), 석영관(310)등의 크기도 축소되어 장비제작 원가를 절감할 수 있다.
또한 공정 진행 중 여러 개의 보우트 세트에 위치하고 있는 웨이퍼 각각에 용융시료(450)가 가해지는 시점이 일정하므로 웨이퍼간에 성장한 에피택셜층의 균일도가 개선되어 품질향상을 이룰 수 있다.

Claims (7)

  1. 웨이퍼 커버, 다공성 커버 및 용융시료 용기를 포함하고, 상기 웨이퍼 커버와 다공성 커버가 상하로 적층된 구조를 가지는 보우트 세트를 포함하여 이루어지며,
    상기 각 보우트 세트는 두 장 이상의 웨이퍼 장착이 가능한 구조로 이루어져 있으며,
    상기 보우트 세트가 두 개 이상 적층되어 있는 것을 특징으로 하는
    반도체 소자 제조용 수직형 액상 에피택시 장비.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 커버의 하부에 상기 다공성 커버가 위치하는 것을 특징으로 하는 수직형 액상 에피택시 장비.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 보우트 세트의 외부를 둘러싸고 있는 석영관 및
    상기 석영관의 외부를 둘러싸고 있는 히터 블록을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 수직형 액상 에피택시 장비.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 석영관 및 히터 블록은 상하로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 수직형 액상 에피택시 장비.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 석영관 내에 수직방향의 투입법에 의하여 도펀트 소스가 공급되는 것을 특징으로 하는 수직형 액상 에피택시 장비.
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