KR100682756B1 - 에피택시 장비 및 그를 이용한 에피택셜층 성장 방법 - Google Patents

에피택시 장비 및 그를 이용한 에피택셜층 성장 방법 Download PDF

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Abstract

양질의 단결정 박막을 성장시킬 수 있는 에피택시(epitaxy) 장비 및 그를 이용한 에피택셜층(epitaxial layer) 성장 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 에피택시 장비는 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 프로세스 모듈(process module) 및 상기 프로세스 모듈로의 웨이퍼 이송을 담당하는 트랜스퍼 모듈(transfer module)을 포함하는 에피택시 장비에 있어서, 상기 장비 가동시 상기 프로세스 모듈 내의 압력이 상기 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

에피택시 장비 및 그를 이용한 에피택셜층 성장 방법{Epitaxy apparatus and method of growing epitaxial layer using the same}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에피택시 장비의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 에피택시 장비의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에피택시 장비의 개략적인 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 100’, 200...에피택시 장비 110...프로세스 모듈
120...트랜스퍼 모듈 125...로봇
130...세정 챔버 140...로드락 챔버
150...H2 커튼
본 발명은 반도체 제조 장비 및 박막 형성 방법에 관한 것으로, 양질의 단결정 박막을 성장시킬 수 있는 에피택시(epitaxy) 장비 및 그를 이용한 에피택셜층(epitaxial layer) 성장 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도는 계속 증가될 것이 요구되고 있으나, 현재의 반도체 제조 기술로는 재현성과 균일성을 제어하는 능력상 반도체 소자의 집적도를 감소시키는 데 한계가 있으며, 이를 극복하기 위한 차세대 반도체 기술의 개발이 진행되어야 한다. 특히, 반도체 에피택셜층의 성장 기술은 이러한 한계점을 극복하는 데 있어서 가장 근본적이고 결정적인 방법을 제공한다.
종래의 에피택셜층의 성장 기술로는, 가스소스-분자선에피택시법(Gas-source Molecular Beam Epitaxy : GSMBE), 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition : RTCVD), 저압 화학 기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD), 초고진공 화학 기상 증착법(UHV-CVD) 등이 있다. UHV-CVD와 같이 퍼니스(furnace)를 이용하여 고온에서 성장시키는 장비가 Si, SiGe 등과 같은 반도체 에피택셜층을 성장시키는 데에 주로 이용되고 있으며, 일부 업체에서는 RTCVD나 LPCVD와 같은 매엽식 장비를 이용하여 저온에서 에피택셜층을 성장시키고 있다.
에피택셜 공정이 아닌 일반적인 반도체 공정에서는 웨이퍼를 이송하는 데 있어서, 프로세스 모듈(Process Module : PM)에서 트랜스퍼 모듈(Transfer Module : TM)로 불순물이 유입되는 것을 방지하기 위해 TM의 압력을 PM보다 높게 유지하고 있다. 이 때 주로 N2, Ar 등을 이용하고 있다. 이렇게 TM의 압력을 높게 유지하는 근본적인 목적은 파티클(particle)의 생성이나 상호 오염(cross contamination) 등의 문제를 방지하고자 하는 것이다.
그런데, 에피택셜층 성장 공정은 일반적인 반도체 공정보다도 불순물에 대한 영향이 매우 커서, 적은 양의 불순물이 있어도 증착에 큰 변수로 작용한다. 이 때문에 웨이퍼 이송 로봇이 퍼니스 타입의 챔버에 웨이퍼를 이송할 때에 상압에서 진행하고 있다. 그리고, 매엽식 설비의 경우도 별도의 비접촉식 장치를 이용하여 직접 접촉 없이 상압에서 웨이퍼를 이송하는 등 가능한 한 불순물의 생성을 방지하고 있다. 이 때 터보펌프 등 고진공 펌프를 이용하여 불순물 농도를 낮추는 사례도 있다.
그러나, 종래의 에피택시 장비 및 방법으로는 에피택셜층 성장 공정의 불순물 제어가 어렵다. 특히 저온 공정의 경우 더욱 불순물에 많은 영향을 받기 때문에 불순물에 대한 제어는 매우 중요해진다. 따라서, 불순물을 확실히 제어하여 양질의 에피택셜층과 같은 반도체 단결정 박막을 성장시킬 수 있는 장비 및 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 프로세스 모듈로의 불순물 유입을 제어하여 양질의 에피택셜층을 성장시킬 수 있는 에피택시 장비를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 프로세스 모듈로의 불순물 유입을 제어하여 양질의 에피택셜층을 성장시킬 수 있는 에피택셜층 성장 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 에피택시 장비는 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 프로세스 모듈 및 상기 프로세스 모듈로의 웨이퍼 이송을 담당하는 트랜스퍼 모듈을 포함하는 에피택시 장비에 있어서, 상기 장비 가동시 상기 프로세스 모듈 내의 압력이 상기 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 에피택시 장비에 있어서, 상기 프로세스 모듈 및 상기 트랜스퍼 모듈의 압력을 유지하는 데에 H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다. H2 가스 대신에 Ar이나 N2 가스를 이용할 수도 있다. 이 경우 불순물 농도가 낮은 고순도 가스를 사용하여야 한다. 상기 프로세스 모듈과 상기 트랜스퍼 모듈 사이에 H2, Ar 및 N2 가스로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 가스 커튼이 더 포함될 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 에피택셜층 성장 방법은 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 프로세스 모듈 및 상기 프로세스 모듈로의 웨이퍼 이송을 담당하는 트랜스퍼 모듈을 포함하는 에피택시 장비를 이용하되, 상기 프로세스 모듈 내의 압력을 상기 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유지한 상태에서, 상기 프로세스 모듈 내에서 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아 래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에피택시 장비의 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 에피택시 장비(100)는 프로세스 모듈(110, PM) 및 트랜스퍼 모듈(120, TM)을 포함한다. 프로세스 모듈(110)은 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 것이다. 트랜스퍼 모듈(120)은 로봇(125)을 이용하여 프로세스 모듈(110)로의 웨이퍼 이송을 담당하기 위한 것이다.
일반적인 반도체 공정용 백본(backbone)을 이용하고 에피택시용 프로세스 모듈(110)을 백본에 갖다 붙임으로써 이러한 구성을 취할 수 있다. 이렇게 에피택시 장비(100)를 구성하면 일반적인 반도체 공정과 진공을 깨지 않고도 (즉, vacuum break없이) 연속적인 에피택시 공정이 가능하고 이를 통해 공정 능력(performance)을 향상시킬 수 있다. 특히 도시한 바와 같이, 백본에 세정(cleaning) 공정을 진행할 수 있는 세정 챔버(130)를 함께 더 구성하는 경우, 진공을 깸에 따른 오염 문제없이 우수한 박막의 에피택시 공정이 가능해진다. 물론 필요에 따라 어닐링 챔버(미도시) 등을 백본에 추가적으로 구성한 형태도 가능하다.
여기서, 에피택시 장비(100) 가동시 프로세스 모듈(110) 내의 압력이 트랜스퍼 모듈(120) 내의 압력보다 높게 유지되도록 한다. 이렇게 프로세스 모듈(110)의 압력을 높게 유지하면, 웨이퍼가 이송되는 동안에 발생하여 트랜스퍼 모듈(120)로부터 유입되는 불순물의 농도를 최소화시킬 수 있다. 따라서, 양질의 반도체 단결정 박막, 즉 에피택셜층을 성장시킬 수 있게 된다. 프로세스 모듈(110) 및 트랜스퍼 모듈(120)의 압력을 유지하는 데에는 H2 가스를 사용한다. H2 가스를 흘려줌으로써 불순물의 생성 및 프로세스 모듈(110)로의 유입을 방지할 수 있다. 여기서, H2 가스 대신에 Ar이나 N2 가스를 이용할 수도 있다. 이 경우 불순물 농도가 낮은 고순도 가스를 사용함이 바람직하다.
이러한 에피택시 장비(100)를 이용하여, 양질의 에피택셜층을 성장시키는 방법에 관하여 설명한다.
먼저, H2 가스를 이용해 프로세스 모듈(110) 내의 압력을 트랜스퍼 모듈(120) 내의 압력보다 높게 유지한 상태에서, 트랜스퍼 모듈(120)의 로봇(125)을 이용해 프로세스 모듈(110) 안의 웨이퍼 척에 웨이퍼를 로딩한다. 프로세스 모듈(110) 내의 압력이 트랜스퍼 모듈(120) 내의 압력보다 높으므로, 웨이퍼 이송시에 발생할 수 있는 불순물이 프로세스 모듈(110)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
그런 다음, 프로세스 모듈(110) 내부의 가스 압력을 성장에 필요한 0.1∼100mTorr의 압력으로 조절되도록 하는 동시에 SiH4, Si2H6, Si2H2Cl2 중의 어느 하나와 같은 Si 소스 가스를 흘리면서 Si 에피택셜층 성장을 시작한다. p형이나 n형 도핑을 위해 B, P, As 함유 가스를 추가로 흘려줄 수도 있다. SiGe 에피택셜층을 성장하는 경우라면 Ge 소스 가스로는 GeH4 등을 이용할 수 있다. 에피택셜층 성장이 완료되면, 트랜스퍼 모듈(120)의 로봇(125)을 이용해 웨이퍼를 언로딩하고, 이를 로드락 챔버(140)로 이동시킨 후에 꺼냄으로써 완료한다.
한편, 본 실시예에서는 백본에 프로세스 모듈(110)이 한 개, 세정 챔버(130)가 한 개 붙어 있는 장비 구성을 예로 들었으나, 백본에 붙이는 챔버의 종류를 달리 함으로써 다양한 시스템 구성이 얼마든지 가능하다. 예를 들어, 도 2와 같은 에피택시 장비(100’) 변형예에서와 같이, 생산성을 높이기 위해 프로세스 모듈(110)을 여러 개 구성하는 예도 가능하다.
제2 실시예
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에피택시 장비의 개략적인 도면이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 에피택시 장비(200)는 제1 실시예의 에피택시 장비(100)와 거의 유사하다. 즉, 프로세스 모듈(110)과 트랜스퍼 모듈(120)을 포함하며, 에피택시 장비(200) 가동시 프로세스 모듈(110) 내의 압력이 트랜스퍼 모듈(120) 내의 압력보다 높게 유지된다. 프로세스 모듈(110)과 트랜스퍼 모듈(120) 사이에 H2 커튼(150)이 더 포함되는 점이 제1 실시예의 에피택시 장비(100)와 다른 점이다. H2 커튼(150) 대신에 Ar 또는 N2 가스의 커튼을 사용할 수도 있다.
H2 커튼(150)은 프로세스 모듈(110)과 별도로 구성되는 특징이 있다. 이렇게 구성되는 H2 커튼(150)의 경우 프로세스 모듈(110)과 트랜스퍼 모듈(120)을 분리 시켜주고 또한 프로세스 모듈(110)로 유입되는 불순물을 억제하기 위해 프로세스 모듈(110)에서 H2 가스를 흘려주는 것이 또 다른 특징이다.
이상, 본 발명의 상세한 설명을 하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
에피택시 장비 가동시 프로세스 모듈 내의 압력이 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유지되도록 하여, 웨이퍼가 이송되는 동안에 발생하여 트랜스퍼 모듈로부터 유입되는 불순물의 농도를 최소화시킬 수 있다. 따라서, 양질의 반도체 단결정 박막, 즉 에피택셜층을 성장시킬 수 있게 된다.
프로세스 모듈과 트랜스퍼 모듈 사이에 H2와 같은 가스 커튼을 추가적으로 구성하는 경우, 이는 프로세스 모듈과 트랜스퍼 모듈을 분리시켜주고, 또한 프로세스 모듈로 유입되는 불순물을 억제할 수 있다.

Claims (5)

  1. 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 프로세스 모듈 및 상기 프로세스 모듈로의 웨이퍼 이송을 담당하는 트랜스퍼 모듈을 포함하는 에피택시 장비에 있어서,
    상기 장비 가동시 상기 프로세스 모듈 내의 압력이 상기 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 에피택시 장비.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 모듈 및 상기 트랜스퍼 모듈의 압력을 유지하는 데에 H2, Ar 및 N2 가스로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 에피택시 장비.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 모듈과 상기 트랜스퍼 모듈 사이에 H2, Ar 및 N2 가스로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 가스 커튼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에피택시 장비.
  4. 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키기 위한 프로세스 모듈 및 상기 프로세스 모듈로의 웨이퍼 이송을 담당하는 트랜스퍼 모듈을 포함하는 에피택시 장비를 이용하되, 상기 프로세스 모듈 내의 압력을 상기 트랜스퍼 모듈 내의 압력보다 높게 유 지한 상태에서, 상기 프로세스 모듈 내에서 웨이퍼 상에 에피택셜층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 프로세스 모듈 및 상기 트랜스퍼 모듈의 압력을 유지하는 데에 H2, Ar 및 N2 가스로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 방법.
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