KR100490013B1 - 기상성장장치및기상성장방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 기판상에 결정 결함이 적고 균일한 박막(薄膜)을 형성하여 고품질의 박막 형성 웨이퍼 기판을 제조할 수 있는 기상 성장 장치(氣相成長裝置) 및 기상 성장 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
반응로 내에 원료 가스를 공급하여 상기 반응로내에 배치한 웨이퍼 기판상에 박막을 기상 성장시키는 기상 성장 장치에 있어서, 적어도 내측에 상기 웨이퍼 기판을 설치하는 회전체를 가지며, 또한, 정상부에 처리 가스 도입구, 내측 상부에 복수의 구멍이 뚫려진 정류판을, 측부에 웨이퍼 기판 반입 반출구를 각각 갖는 동시에, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부가 상기 회전체 상부면보다 위쪽에 위치하고, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부와 상기 회전체 상부면과의 높이차[I(mm)]가 회전체 상부의 천이층 두께(T)보다 큰(I＞T) 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치로서, 상기 높이차를 3.22(υ/ω)1/2(단, υ는 반응로내 분위기 가스의 동점성(動粘性) 계수(mm2/s)를, ω는 회전 각속도(rad/s)를 각각 표시한다)로 산출되는 천이층 두께(T)보다 크게 함으로써 양호한 박막을 형성할 수 있다.

Description

기상 성장 장치 및 기상 성장 방법{VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND VAPOR DEPOSITION METHOD}
본 발명은 기상(氣相) 성장 장치 및 기상 성장 방법에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 제조 공정 등에 이용되고, 오염물의 발생이 적은 기상 성장 장치 및 결함이 적은 균일한 막 두께의 박막을 형성하는 기상 성장 방법에 관한 것이다.
도 3은 종래의 기상 성장 장치의 일례를 도시하고 있는 개략도이다. 도 3에 있어서, 일반적으로 원통형의 반응로(30) 내의 하부에는, 예컨대 실리콘 웨이퍼 등의 웨이퍼 기판(31)을 장착하는 회전 기판 홀더(32), 회전 기판 홀더(32)를 회전시키기 위한 회전축(33) 및 가열용 히터(34)가 설치되고, 회전축(33)에는 회전 구동하는 모터(35)가 접속되어 있다. 또한, 반응로(30) 저부(低部)에는 미반응 가스 등을 배기하는 복수 개의 배기구(36, 36)가 형성되어 배기 제어 장치(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 한편, 반응로(30)의 정상부에는 반응로 내로 원료 가스나 캐리어 가스를 공급하는 복수 개의 가스 공급관(37, 37)과 원반형 정류판(38)이 설치되고, 정류판(38)에는 가스의 흐름을 조정하는 복수 개의 구멍(38a)이 천공되어 있다. 또한, 반응로(30)의 측면에는 박막을 기상 성장시키는 웨이퍼 기판을 회전 기판 홀더 상에 반입 및 반출하기 위한 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)가 설치되어 있다. 이 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)는 통상, 그 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부(C3)를 회전 기판 홀더(32)의 상부면과 거의 일치시켜 설치된다. 예컨대, 회전 기판 홀더(32)의 상부면의 위쪽으로 약 5mm 내지 15mm 위치가 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)의 최하부(C3)에 일치되어 있다. 종래의 기상 성장 장치는 상기한 바와 같이 구성되고, 모터(35)의 회전 구동에 의해서 소정의 회전수로 회전하는 회전 기판 홀더(32)상에 설치된 기판(31)은 회전하면서 히터(34)에 의해 소정 온도로 가열되는 동시에, 반응로(30) 내로 복수 개의 가스 공급관(37, 37)을 통해 원료 가스나 캐리어 가스를 도입하여 가스 운동량이나 압력 분포를 균일화하고, 또, 정류판(38)의 구멍(38a)을 통과시켜 균일한 유속으로 회전 기판 홀더(32) 상의 웨이퍼 기판(31)면에 공급하여, 웨이퍼 기판(31)에 박막을 기상 성장시키고 있다.
상기한 바와 같은 반도체 웨이퍼 위에 박막을 형성하는 기상 성장 장치에 있어서는, 박막 형성 가스에 의한 입자(particle)의 발생이나 반응로 내벽으로의 석출물의 부착을 방지하기 위해서, 또한, 부적절한 박막 형성에 의한 결정 결함이 생기지 않도록 하여, 박막이 균질하고 막 두께가 균일한 박막 형성 웨이퍼를 얻을 수 있도록 각종 제안이 이루어지고 있다. 예컨대, 특허 공개 공보 평성5-74719호에서는 원료 가스의 공급 유량을 적절히 제어하여 반응로 내의 온도 변화를 방지함으로써 결정 결함의 방지를 도모하고 있다. 특허 공개 공보 평성5-90167 호에서는 박막 형성시의 웨이퍼 기판의 면내(面內) 온도 분포를 균일하게 하도록 원료 가스량, 반응로 내부의 압력, 회전 기판 홀더의 회전수 등을 적절히 제어하여 슬립(slip)의 방지를 도모하고 있다. 특허 공개 공보 평성 6-216045 호에서는 석출물이 생기기 쉬운 반응로 내벽의 일부에서 내주면을 평활하게 유지하여 차폐관(遮蔽管)을 설치하고, 박막 형성 조작을 행한 후의 반응로 세척을 쉽게 하는 동시에, 가스 흐름을 층류 상태로 유지하여 균질한 박막의 형성을 도모하고 있다. 또한, 특허 공개 공보 평성 7-50260호에서는 원료 가스나 캐리어 가스를 반응로 내로 소정의 방법으로 도입시킴으로써, 가스 운동량이나 가스압을 균일하게 하여 균일한 유속으로 원료 가스 등을 기판 위로 공급하여 박막 두께의 균일화를 도모하고 있다.
그러나, 상기의 여러 가지 방안으로 제시된 종래의 기상 성장 장치에 있어서도, 박막을 성장시킨 웨이퍼 기판에서 결정 결함이 생기거나 입자가 부착되는 등의 바람직하지 않은 현상을 충분히 방지할 수 있다고는 말할 수 없으며, 또한, 특히 근래의 반도체에 있어서의 초고집적화에 따라 웨이퍼 기판은 더욱 더 고품질화가 요구되고 있기 때문에, 박막 형성 웨이퍼 기판에 있어서 약간의 결함에 의한 품질 저하도 문제가 되는 경우가 많았다. 본 발명은 종래의 기상 성장 장치에 의한 기상 성장 박막 형성시에 있어서 웨이퍼 기판의 이러한 품질 저하를 감안하여, 그것을 해결할 목적으로 이루어진 것이다. 본 발명자들은 먼저, 종래의 기상 성장 장치에서 생기는 현상에 대해서 상세히 검토하였다. 그 결과, 웨이퍼 기판 반입 반출구(39) 부근의 반응로 벽에 입자가 많이 부착되는 현상이 관찰되었으며, 그 때문에, 이 반응로 벽에 부착된 입자가 웨이퍼 기판의 반입 및 반출 시에 기판에 부착되어 결정 결함의 원인이 되거나, 부착 입자로서 직접 웨이퍼 품질의 저하를 초래하는 원인이 되고 있는 것을 발견하였다.
본 발명자들은 상기 발견으로부터, 더욱이, 웨이퍼 기판 반입 반출구(39) 부근의 반응로 벽에 다량의 입자가 부착되는 현상의 원인을 찾아내기 위해, 반응로 내에서의 원료 가스 흐름 등을 검토하였다. 그 결과, 전술한 바와 같이 반응로 꼭대기 부분으로부터 도입되어 균일한 유속으로 웨이퍼 기판(31) 위로 공급되는 실리콘 원료 등과 박막 형성 원료 가스 등은 반응로(30) 하부의 웨이퍼 기판(31) 부근에 도달하게 된다. 이 경우, 반응로(30) 하부는 히터(34)에 의해 가열되어 상부보다 고온으로 되어 있기 때문에, 도 3에 있어서 화살표로 도시한 바와 같이, 원료 가스 등의 가스 흐름이 웨이퍼 기판(31) 부근에 도달한 후, 반응로 벽을 따라서 재상승하는 상승(rise) 현상이 생기고 있는 것이 발견되었다. 동시에, 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)가 상기한 바와 같이 회전 기판 홀더(32)의 상부면과 거의 일치되는 높이에 위치하여 설치되어 있기 때문에, 상기 상승 현상의 발생 영역과 일치하는 동시에, 상승 가스가 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)에 연속하는 도관 내로 유입되고, 그 후 반응로 벽을 따라서 상승하며, 특히, 웨이퍼 기판 반입 반출구(39) 부근의 반응로 벽에 기상 상태에서 생긴 입자가 다량으로 부착되는 것이 발견되었다. 또한, 가열된 원료 가스 등이 상승하기 때문에, 반응로(30) 내의 분위기 가스 온도도 상승하여 기상 상태에서의 박막 형성 원료 가스의 균일한 핵 생성이 증대하고, 기상 중의 입자 발생도 증대한다는 것도 발견되었다.
발명자들은 상기의 발견에 기초하여, 상기 박막층 형성 웨이퍼 기판의 품질 저하 등을 야기하는 하나의 원인으로서, 반응로 측벽의 웨이퍼 기판 반입 반출구의 설치 위치를 들 수 있다는 점을 밝혀냄과 동시에, 그 설치 위치를 종래의 장치와는 달리, 회전 기판 홀더와 소정의 높이차를 둠으로써, 상기한 종래의 기상 성장 장치에 있어서의 반응로 벽, 특히 웨이퍼 기판의 반입 반출구 부근에 입자가 다량 부착되는 것을 방지할 수 있고, 이렇게 함으로써 웨이퍼 기판의 품질 저하를 방지할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명은 실리콘 원료 가스의 균일 핵 생성으로 발생한 입자가 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근에서 부착되지 않고, 또한 발생 입자가 웨이퍼 기판 반입 반출구로 이송되지 않는 기상 성장 장치를 제공하여, 웨이퍼 기판상에 결함이 적은 고품질을 유지하여 균일한 박막을 기상 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 반응로 내에 원료 가스를 공급하여 상기 반응로 내에 배치되어 있는 웨이퍼 기판상에 박막을 기상 성장시키는 기상 성장 장치는, 상기 웨이퍼 기판을 장착하기 위한 회전체를 기본적으로 내장하며, 정상부에는 처리 가스 도입구를, 내측 상부에는 복수의 구멍이 천공된 정류판을, 그리고 측부에는 웨이퍼 기판 반입 반출구를 각각 갖는 동시에, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부가 상기 회전체 상부면보다 위쪽에 위치하고, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부와 상기 회전체 상부면과의 높이차(I(mm))가 회전체 상부의 천이층 두께(T)보다 큰(I＞T) 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 기상 성장 장치에 있어서, 상기 천이층 두께(T)를 3.22(υ/ω)1/2[단, υ는 반응내 분위기 가스의 동점성(動粘性) 계수(mm2/s)를, ω는 회전 각속도(rad/s)를 각각 표시한다]에 의한 산출값으로서, 상기 높이차를 상기 산출값보다 크게 할 수 있다. 이 경우, ω는 기상 성장 장치에서 박막 형성 과정 중에 최소값을 채용하는 것으로 한다. 또한, 상기 반응로가 내경이 다른 상하부로 이루어져, 상부의 내경이 하부의 내경보다 작고, 하부 내측에 상기 회전체가 설치되며, 상부 측부에 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구가 설치되는 동시에, 상기 회전체 상부면과 상기 상부 측부 하단과의 높이차(II)가 상기 천이층 두께(T)보다 큰 것이 바람직하다.
또, 본 발명은 상기 기상 성장 장치를 이용하여, 상기 회전체 위에 웨이퍼 기판을 설치하고, 상기 웨이퍼 기판 위에 결함이 적은 균일한 막 두께의 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법을 제공한다.
더욱이, 본 발명에 의하면, 반응로 내에 원료 가스를 공급하여, 상기 반응로내의 회전체상에 배치된 웨이퍼 기판 위에 박막을 기상 성장시키는 기상 성장 방법에 있어서, 회전체상의 가스류의 천이층 두께 T=3.22((υ/ω)1/2 가 회전체 상면과 상기 반응로 측부에 설치되는 웨이퍼 기판 반입 반출구 최하부와의 높이차(H) 보다 작아지도록, 회전수, 가스 종류, 온도 및 내부 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법이 제공된다.
본 발명은 상기한 바와 같이 구성되고, 반응로 측벽의 웨이퍼 기판 반입 반출구를 천이층 두께보다도 위쪽에 설치하기 때문에, 즉, 정류판을 거쳐서 공급되는 원료 가스의 흐름이 회전체에 대하여 수직 방향인 영역 내에 설치하기 때문에, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근에서 가스의 상승 현상이 생기지 않고, 실리콘 원료 가스의 균일 핵 생성에 의해 기상 상태에서 발생한 입자의 부착이 없고, 또한, 기상 상태의 입자가 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근으로 이송될 우려도 없다. 따라서, 웨이퍼 기판의 반입 및 반출시에 입자가 웨이퍼 기판에 부착될 우려가 없고, 기상 성장에 의해 표면에 박막을 형성한 웨이퍼 기판의 결정 결함이나 부착 입자의 증가를 방지할 수 있으며, 고품질의 박막 형성 웨이퍼 기판을 제조할 수 있다.
또, 본 발명에 있어서, "천이층"이란 정류판을 거쳐서 공급된 원료 가스류가 회전체 위에서 중심으로부터 외주변 방향으로의 벡터(vector)를 가지면서 흐르는 가스층을 말하고, 천이층 두께는 회전체상에 있어서의 상기 벡터를 갖는 가스 흐름층의 두께를 말한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 단, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 기상 성장 장치의 일실시예의 개략 단면 설명도이다. 도 1에 있어서, 반응로(10)는 상기한 종래의 기상 성장 장치의 반응로와 거의 동일하게 구성되고, 반응로 내의 하부에는, 웨이퍼 기판(11)을 설치하는 회전체(12)가 회전축(13)에 의해 회전이 자유롭게 지지되어 설치되며, 그 아래쪽에는 회전체(12) 및 그 위에 설치되는 웨이퍼 기판(11)을 가열하는 히터(14)가 설치된다. 회전축(13)에는 회전 구동하는 모터(15)가 접속된다. 또한, 반응로(10) 저부에는 미반응 가스 등을 배기하는 복수의 배기구(16, 16)가 형성된다. 한편, 반응로(10)의 정상부에는, 예컨대 실란(SiH4), 디클로로실란(SiH2Cl2) 등의 원료 가스나, 수소(H2), 아르곤(Ar) 등의 캐리어 가스를 공급하는 복수의 가스 공급관(17, 17)이 설치된다. 내측 상부에는 복수의 구멍(18a)이 천공된 원반형의 정류판(18)이 정상부와 소정의 공간 영역(S)을 유지하면서 반응로(10)의 내주면에 밀접하여 배치되어 공급 가스가 편류로(偏流路)를 형성하지 않도록 한다. 또한, 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)는 반응로(10)의 측면 위쪽에 설치되는데, 이는 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)가 반응로의 상부면과 거의 동일한 높이에 위치하는 종래의 기상 성장 장치와는 다르다.
본 발명의 기상 성장 장치는 상기한 바와 같이 구성되어, 배기구(16, 16)에 접속되어 있는 배기 제어 장치에 의해 반응로(10) 내부를 배기시키고, 반응로 내부의 압력을, 예컨대 원료 가스로서 실란 가스를 함유하는 H2 가스로 20 내지 50 torr로 조정한다. 한편, 회전체(12)는 모터(15)를 가동하여 회전축(13)의 회전 구동시킴으로써 회전하고, 그 위의 웨이퍼 기판(11)이 동시에 회전되는 동시에, 히터(14)에 의해 회전체(12)상의 웨이퍼 기판(11)은, 예컨대 약 900 내지 1200℃로 가열된다. 또한 동시에, 가스 공급관(17, 17)으로부터는 유량을 소정 값으로 제어하면서 원료 가스 및 캐리어 가스를 반응로(10)내로 공급한다. 복수 개의 공급관(16, 16)으로부터 공간 영역(S)에 공급되는 가스류는 운동량이나 압력 분포가 균일화되고, 또 정류판(18)의 구멍(18a)을 통과함으로써 균일한 유속으로 기판 위로 공급되어, 기판 위에 박막을 기상 성장시킬 수 있다. 본 발명의 기상 성장 장치에 있어서, 반응로 측벽에 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)가 형성되고, 측벽의 일부가 개방되어 있는 것은 종래의 기상 성장 장치와 동일하다. 그러나, 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)가, 그 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부와 회전체(12)의 상면부 사이에 높이차(I)를 두고 위쪽에 위치하게 설치된다고 하는 점에서 크게 다르다. 이 웨이퍼 기판 반입 반출구의 설치 위치의 높이차(I)에 의해, 반응로 내에서의 원료 가스 등 공급 가스의 흐름은, 도 1에서 화살표로 도시한 바와 같이, 반응로 하부의 회전체(12), 웨이퍼 기판(11) 부근에서 상승 현상이 생기지만 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)로 유입되는 일이 없다. 이 때문에, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 반응로 내벽에 기상 흐름 속에서 발생한 박막 형성 원료의 입자가 부착되는 일이 없다.
본 발명의 기상 성장 장치에 있어서, 상기한 바와 같이 반응로 측벽에 설치하는 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)와 회전체(12) 상부면의 높이차(I)는, 통상 회전체 상부에 공급되는 가스류의 천이층, 즉 정류판을 거쳐서 공급된 원료 가스 등의 가스류가 회전체 위에서 중심으로부터 외주변 방향으로의 벡터를 갖는 가스층의 두께(T)보다 크게 한다. 이 높이차(I)가 천이층 두께(T)보다 작으면, 반응로 내의 가스 흐름은 반응로 본체 중앙으로부터 반응로 측벽 방향으로의 흐름 성분을 갖기 때문에, 반응로 측벽에 설치되는 기판 반입 반출구로 유입되어, 기판 반입 반출구 부근의 반응로 내벽에 박막 형성 원료 가스의 균일 핵 생성에 의해 기상 흐름 속에서 발생한 입자가 부착될 우려가 있어 바람직하지 못하다. 이 경우, 회전체 상부에서의 가스류의 천이층 두께(T)는 종래부터 이용되는 일반적인 반응로에 있어서, 주로 반응로 내의 분위기 가스의 종류, 반응로 내의 압력, 회전체의 회전수에 따라 변화하지만, 하기 수학식 1 로 산출할 수 있다. 하기 수학식 1 은 유체 역학에 있어서 일반적으로 표시되는 것이다.
[수학식 1]
T = 3.22(υ/o)1/2
(단, υ는 반응로 내의 분위기 가스의 동점성 계수(mm2/s)를, ω는 회전 각속도(rad/s)를 각각 표시한다. 이 경우, ω는 기상 성장 장치에서의 박막 형성 과정 중의 최소값을 채용하는 것으로 한다.)
예컨대, 원료 가스가 실란 가스, 캐리어 가스가 수소 가스이고, 회전체의 회전수가 500 내지 2000rpm(52 내지 209rad/s)인 경우는, 천이층 두께(T)는 약 5 내지 50mm가 된다. 따라서, 기상 성장 장치의 반응로의 웨이퍼 기판 반입 반출구를, 회전체 상부면으로부터 상기의 T값보다 큰 높이차로 위쪽 측벽에 설치함으로써, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에 박막 형성 원료의 입자가 부착하지 않고, 또한 얻어지는 박막 형성 웨이퍼는 결정상에 결함이 없고 균일한 박막이 형성된다.
도 2는 본 발명의 기상 성장 장치의 다른 실시예의 개략 단면 설명도이다. 도 2에 있어서, 반응로(20)의 상부(1)가 하부(2)보다 가늘게 형성된다. 즉, 상부 내경(Dl)이 하부 내경(D2)보다 작고(Dl＜D2), 웨이퍼 기판 반입 반출구(29)가 반응로(20)의 상부(1)의 측벽에 설치되어 있는 것 이외에는 상기의 도 1과 동일한다. 또, 도 2와 도 1에 있어서 동일 부재에 대해서는 각 부호의 첫째 자리수를 동일하게 하여 나타내며, 회전체(22)는 직경(Ds)을 갖는다. 이 경우, 회전체(22)의 상면부와 내경이 작은 상부의 하단부의 높이차(H)를 공급 가스류의 천이층 두께(I)보다 크게 함으로써, 측벽 방향을 따르는 가스류가 가스류의 상승에 기인하여 웨이퍼 기판 반입 반출구(29)의 최하부에 도달되지 않으며, 도 1의 기상 성장 장치와 동일하게, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에 박막 형성 원료의 입자의 부착이 없으며, 결정상에 결함이 없고 균일한 박막이 형성된 박막 형성 웨이퍼를 얻을 수 있다.
상기 도 2에 나타낸 상하부의 내경이 다른 반응로에서는 상부의 측벽면이 회전체 상면에 대하여 수직으로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이는 회전체 상부에서의 가스 유속을 균일화하기 위함이다. 또한, 상부(1)와 하부(2)의 연결부(J)가 회전체(22) 상부면과 평행한 것이 바람직하다. 이는 회전체 부근의 가스 유속을 균일화하기 위함이다. 또, 연결부(J)의 연결각이 곡면형으로 곡률을 갖는 것이 바람직하다. 이는 난류 방지를 위함이다. 또한, D1이 웨이퍼 직경보다 작지 않고, 또한, Dl/Ds비가 0.7 내지 1.2이며, D2/D1비가 1.2 이상이고, D2/Ds비가 1.2 이상인 것이 바람직하다. 이는 상부 내벽에 부착하는 입자가 웨이퍼 위로 탈락하거나, 가스류에 소용돌이가 발생하거나, 회전체 외주측에서 가스류의 혼란이 생겨 반응로 하부(2) 내벽에 석출물이 퇴적되기 때문이다. 더욱이, H가 회전체(22) 상부의 천이층 두께(T)보다 큰 것이 바람직하다. 가스류의 상승 현상에 현저하게 소용돌이가 생겨 연결부(J)나 반응로 하부(2)의 내벽으로 다량의 석출물이 부착되기 때문이다. 반응로의 각 부재에 있어서의 상기 관계를 만족시킴으로써 결함이 적고 균일한 막 두께의 박막 형성 웨이퍼를 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 수학식 1 로부터 산출되는 T=3.22(υ/ω)1/2(단, υ는 반응로내 분위기 가스의 동점성 계수(mm2/s)를, ω는 회전 각속도(rad/s)를 각각 표시한다)에서 H＞3.22(υ/ω)1/2로 할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 기상 성장 장치는 반응로 측벽에 설치되는 웨이퍼 기판 반입 반출구와 회전체의 높이차를 소정값으로 설정하는 것 이외에는 장치의 크기나 소재, 정류판의 재질 및 천공 구멍의 형성이나 배치, 회전체나 히터의 설치 등은 종래의 것과 동일하게 하여 설계, 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 기상 성장 장치를 이용하여 행하는 기상 성장 방법도 종래의 방법과 동일하게 행할 수 있다.
실시예 1 및 실시예 2
상기 도 1에 도시된 반응로와 동일하게 구성되어, 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부가 회전체(12)와 표 1에 나타낸 높이차(I)를 갖도록 웨이퍼 기판 반입 반출구(19)를 설치한 기상 성장 장치를 이용하였다. 원료 가스로서 SiH4 가스가, 캐리어 가스로서 H2 가스가, 그리고 도판트(dopant)로서 디보란(B2H6)이 H2 가스중에 0.1ppm 함유된 가스를 각각 표 1에 나타낸 유량으로 공급하고, 그 외에 표 1에 나타낸 기상 성장 조건으로 실리콘 웨이퍼 위에 B2H6 도판트 실리콘 박막의 기상 성장을 행하였다. 기상 성장 박막을 형성한 후, 사용한 기상 성장 장치의 웨이퍼 기판 반입 반출구(19) 부근의 입자 부착을 육안으로 관찰하여, 그 유무를 표 1에 나타냈다. 또한, 얻어진 박막 형성 웨이퍼를 텐콜사에서 제조한 서프스캔 6200으로 0.135㎛ 이상의 LPD[웨이퍼 표면 레이저 산란체(입자 등을 함유함)]의 개수를 계측하여, 그 결과를 웨이퍼마다의 개수로서 표 1에 나타냈다.
실시예 3 및 실시예 4
표 1에 나타낸 상부(1)의 내경(D1)과 하부(2)의 내경(D2)의 비를 가지며 상기 도 2에 도시한 반응로와 동일하게 구성된 기상 성장 장치를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼 표면에 B2H6 도판트 실리콘 박막을 형성하였다. 또, 반응로의 회전체(22)의 직경(DS)과 Dl 및 D2의 비, 회전체(22)의 상면부와 상부(1)의 하단부의 높이차(H) 및 회전체(22)와 웨이퍼 기판 반입 반출구(29)의 최하부의 높이차(I)를 각각 표 1에 나타냈다. 또한, 실시예 1과 동일하게 하여 관찰한 웨이퍼 기판 반입 반출구(29) 부근의 입자 부착의 유무 및 얻어진 박막 형성 웨이퍼의 결정상의 0.135㎛ 이상의 LPD 개수를 각각 표 1에 나타내었다.
비교예 1 및 비교예 2
웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부가 회전체(32)와 표 2에 나타낸 높이차(I)를 갖도록 웨이퍼 기판 반입 반출구(39)를 설치한 상기 도 3에 도시된 반응로와 동일하게 구성되어 기상 성장 장치를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 표면상에 B2H6 도판트 실리콘 박막을 형성하였다. 실시예 1과 동일하게 하여 관찰한 웨이퍼 기판 반입 반출구(39) 부근의 입자 부착의 유무 및 얻어진 박막 형성 웨이퍼의 결정상의 0.135㎛ 이상의 LPD 개수를 각각 표 2에 나타내었다.
비교예 3
상기 도 2의 반응로(20)와 동일하게, 표 2에 나타낸 다른 내경의 상부(1')와 하부(2')를 가지며, 웨이퍼 기판 반입 반출구(49)가 표 2에 나타낸 바와 같이 그 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부와 회전체(42)의 높이차가 거의 일치되도록 하여 설치된 도 4에 도시된 반응로(40)로 이루어지는 기상 성장 장치를 사용한 것 이외에는, 실시예 3과 동일하게 하여, 실리콘 웨이퍼 표면상에 B2H6 도판트 실리콘 박막을 형성하였다. 동일하게 하여 관찰한 웨이퍼 기판 반입 반출구(49) 부근의 입자 부착의 유무 및 얻어진 박막 형성 웨이퍼의 결정상의 0.135㎛ 이상의 LPD개수를 각각 표 2에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00005
[표 2]
Figure pat00006
상기 실시예 및 비교예로 밝혀진 바와 같이, 종래와 동일한 장치를 사용한 비교예에서는 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에서의 입자부착이 발생하고 있는데 대하여, 웨이퍼 기판 반입 반출구를 그 최하부와 박막 형성 웨이퍼 기판을 설치하는 회전체 상부면과의 높이차(I)를 상대적으로 크게 한 실시예의 반응로를 이용한 경우는, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에서의 입자 부착이 생기지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 얻어지는 박막 형성 웨이퍼 표면의 결정상의 LPD 개수도, 비교예의 약 1/50 이하로 감소되는 것을 알 수 있다.
또, 상하부의 내경이 다른 반응로를 사용했을 경우는, 상하부의 내경이 동일한 반응로에 비하여 종래와 동일한 비교예라도, 실시예 1 및 실시예 2의 LPD 개수보다 현저히 감소되는 동시에, 또한, LPD 개수가 약 2/3로 감소되어 극히 고품질의 웨이퍼를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 더구나, 이 형식의 반응로에 있어서도, 종래의 비교예 3의 것은 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에서의 입자 부착이 생기는데 대하여, 본 발명의 실시예 3 및 실시예 4에서는 생기지 않는 점에서 다른 것을 알 수 있다. 이 입자 부착의 유무에 의한 차이는 공업적 실시에 있어서 현저한 것이다. 예컨대, 입자 부착이 생긴 기상 성장 장치를 반복하여 사용하는 경우에는, LPD 개수가 재사용시마다 증가하는 것을 용이하게 예측할 수 있으며, 그에 따라 소정의 세정 작업이 필요하게 된다.
또, 상기 실시예 및 비교예에 있어서의 천이층 두께(T)는 상기 수학식 1 에 의해 ω=209 rad/s, υ=6608 내지 8811 mm2/s를 도입한 산출치가 18 내지 21 mm이고, 실시예에 있어서는, 어느 쪽의 높이차(I)도 상기 T값을 대폭으로 상회하는 것이 분명하다. 또한, 비교예 2에 있어서 LPD 개수가, 비교예 1에 비하여 대폭으로 감소하고 있는 것은, 반응로 내부 압력의 저하를 통해 캐리어 가스 유량을 증대시켜 반응로 하부의 회전체 부근의 가스류의 상승 현상을 저하시켰기 때문이지만, 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에 입자 부착이 생김에 따라 부적절함에는 여전히 변함이 없다.
본 발명의 기상 성장 장치는 반응로 내부에 설치되는 회전체 상면과 소정의 높이차를 두고 반응로 측벽의 에이퍼 기판 반입 반출구를 설치하도록 되어 있어서, 박막 형성 원료 가스의 회전체 부근에서의 재상승의 상승 영역과 일치하지 않게 되어, 원료 가스의 균일 핵 생성에 의해 기상 중에서 발생한 입자가 그 웨이퍼 기판 반입 반출구 부근의 내벽에 부착하지 않는다. 그 때문에, 입자가 기판의 반입 및 반출시 기판에 부착하지 않아, 결정 결함이나 부착 입자의 증가를 방지할 수 있으며, 막 두께가 균일한 고품질의 박막 형성 웨이퍼를 얻을 수 있다. 또한, 상부 내경이 하부 내경보다 작게 되어 있어서 상하부의 내경이 다른 반응로에 있어서는, 결정 결함도 더욱 감소되기 때문에 고집적화에 적합한 웨이퍼를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 기상 성장 장치의 일실시예의 개략 단면 설명도.
도 2는 본 발명의 기상 성장 장치의 다른 실시예의 개략 단면 설명도.
도 3은 본 발명의 비교예에서 이용한 종래의 기상 성장 장치의 일례의 개략 단면 설명도.
도 4는 본 발명의 비교예에서 이용한 다른 기상 성장 장치의 개략 단면 설명도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10,20,30,40: 반응로
11,21,31,41: 웨이퍼 기판
12,22,32,42: 회전체(회전 기판 홀더)
13,23,33,43: 회전축
14,24,34,44: 히터
15,25,35,45: 모터
16,26,36,46: 배기구
17,27,37,47: 가스 공급관
18,28,38,48: 정류판
18a,28a,38a,48a: 정류 구멍
19,29,39,49: 웨이퍼 기판 반입 반출구
1, 1': 반응로 상부
2, 2': 반응로 하부
Cl, C2, C3, C4: 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부
S: 공간부
J, J': 연결부

Claims (6)

  1. 반응로 내에 원료 가스를 공급하여 상기 반응로 내에 배치한 웨이퍼 기판 위에 박막을 기상 성장시키는 기상 성장 장치에 있어서, 내측에는 상기 웨이퍼 기판을 설치하는 회전체를 최소한 구비하며, 정상부에는 처리 가스 도입구를, 내측 상부에는 복수의 구멍이 천공된 정류판을, 측부에는 웨이퍼 기판 반입 반출구를 각각 구비하는 동시에, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부가 상기 회전체 상부면보다 위쪽에 위치하고, 상기 웨이퍼 기판 반입 반출구의 최하부와 상기 회전체 상부면과의 높이차[I(mm)]가 회전체 상부의 천이층 두께(T)보다 큰(I＞T)것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천이층 두께(T)를, 3.22(υ/ω)1/2(단, υ는 반응로 내의 분위기 가스의 동점성 계수(mm2/s)를, ω는 회전 각속도(rad/s)를 각각 표시한다)에 의한 산출값으로 하고, 상기 높이차가 상기 산출값보다 큰 것인 기상 성장 장치.
  3. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반응로가 상부와 하부로 구성되고, 상부 내경을 D1, 하부 내경을 D2, 회전체의 직경을 DS, 회전체의 상부면과 상부측 하단과의 높이차를 H로 한 경우, D1이 웨이퍼 기판의 직경 이상이고, D1/DS가 0.7 내지 1.2, D2/D1이 1.2 이상, D2/DS가 1.2 이하로서, 그 회전체 상부면과 그 상부측 하단과의 높이차(H)가 상기 천이층 두께(T)보다 큰 것인 기상 성장 장치.
  4. 상기 제1항 또는 제2항에 기재된 기상 성장 장치를 사용하여, 상기 회전체 위에 웨이퍼 기판을 설치하고, 상기 웨이퍼 기판 위에 결함이 적은 균일한 막 두께의 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  5. 반응로 내에 원료 가스를 공급하고, 상기 반응로 내의 회전체 위에 배치된 웨이퍼 기판상에 박막을 기상 성장시키는 기상 성장 방법에 있어서,
    회전체 위의 가스류의 천이층 두께 T=3.22(υ/ω)1/2를, 회전체 상면과 상기 반응로 측부에 설치되는 웨이퍼 기판 반입 반출구 최하부와의 높이차(H) 보다 작게되도록, 회전수, 가스 종류, 온도 및 내부 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응로가 내경이 다른 상부 및 하부로 구성되고, 상부 내경이 하부 내경보다 작으며, 하부 내부에 상기 회전체가 배치되고, 상부 측부에 웨이퍼 기판 반입 반출구가 배치되어 있는 것인 기상 성장 장치.
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