KR100975716B1 - 기상성장장치와 기상성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기상성장장치와 기상성장방법에 관한 것으로서, 에피택시얼 성장의 파티클 방생 및 부착물을 저감시키고, 그 생산성의 향상을 용이하게 하는 기상성장장치를 제공한다. 이 기상성장장치는 처리로 꼭대기부에 가스 공급구, 내부에 가스 정류판, 저부에 배기구, 가스 정류판을 꼭대기부에 얹어 설치하여 처리로 측벽을 덮는 라이너, 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 설치하는 환형상 홀더, 환형상 홀더를 회전하는 회전 유닛 및 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 히터를 구비한다. 회전 유닛은 중공의 회전축과 일체이고, 히터는 회전축의 내부에 관통 설치된 지지축의 지지대상에 고정 설치되어 있다. 가스 정류판과 환형상 홀더의 이간 거리는 가스 공급구로부터 가스 정류판을 통해 유하하는 성막용 가스가 반도체 웨이퍼(W)면상 또는 환형상 홀더면상에서 정류 상태가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

기상성장장치와 기상성장방법{VAPOR PHASE GROWING APPARATUS AND VAPOR PHASE GROWING METHOD}

본 발명은 기상성장장치와 기상성장방법에 관한 것이다. 특히 반도체 기판의 에피택시얼 성장에 있어서 파티클 발생 및 부착물을 저감하고, 그 생산성의 향상을 용이하게 하는 기상성장장치와 성장 방법에 관한 것이다.

예를 들면 초고속 바이폴라 소자, 초고속 CMOS 소자, 파워 MOS 트랜지스터 등이 형성된 반도체 디바이스의 제조에 있어서, 불순물 농도, 막두께, 결정 결함 등이 제어된 단결정층의 애피틱시얼 성장 기술은 디바이스의 성능을 향상시키는데 있어서 불가결한 것으로 되어 있다.

실리콘 웨이퍼, 화합물 반도체 웨이퍼 등의 반도체 기판의 표면에 단결정 박막을 성장시켜 반도체 디바이스의 기판으로서 이용하는 에피택시얼 웨이퍼를 제조하는 에피택시얼 성장 장치에는 다수판의 웨이퍼를 한번에 처리할 수 있는 배치(batch) 처리형과, 웨이퍼를 1장씩 처리하는 장엽형(杖葉型)이 있다. 여기서 배치 처리형 에피택시얼 성장 장치는 한번에 다수장의 웨이퍼 기판을 처리할 수 있으므로 생산성이 높고 에피택시얼 웨이퍼의 제조 비용의 저감이 가능하다. 한편, 장 엽형 에피택시얼 성장 장치는 웨이퍼 기판의 대구경화에 대응하기 쉽고, 에피택시얼 성장층의 막두께 등의 균일성이 우수하다.

최근, 실리콘 웨이퍼를 이용한 반도체 디바이스의 고집적화, 고성능화, 다기능화 등에 의해 실리콘 에피택시얼 웨이퍼의 용도가 확대되고 있다. 예를 들면, CMOS 소자로 구성된 메모리 회로를 탑재한 반도체 디바이스의 제조에서는 메모리 용량이 예를 들면 기가비트 레벨로 되어 있다. 그 제조 수율을 확보하고 나서 벌크 웨이퍼에 비해 결정성이 우수한, 예를 들면 막 두께 10 ㎛ 정도의 실리콘 에피택시얼층을 구비한 에피택시얼 웨이퍼가 많이 이용되고 있다. 또한, 소자의 미세화와 함께 초고속 CMOS 소자를 용이하게 하는, 예를 들면 실리콘·게르마늄 합금층을 갖는 이른바 변형 실리콘 에피택시얼층의 실용화가 기대되고 있다. 또는 파워 MOS 트랜지스터와 같은 고내압 소자를 갖는 반도체 디바이스에서는, 예를 들면 막두께 50~100 ㎛ 정도로 고저항율의 실리콘 에피택시얼층을 구비한 에피택시얼 웨이퍼가 이용되고 있다.

이와 같은 상황에서 웨이퍼의 예를 들면 직경 300mmφ와 같은 대구경화가 진행되고, 에피택시얼 성장층의 막 두께를 웨이퍼 표면에 걸쳐 균일하고 또 고정밀도로 제어할 필요성이 생겨 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 비중이 높아지고 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 장엽형 에피택시얼 성장 장치는 웨이퍼의 배치 처리를 할 수 없으므로 일반적으로는 배치 처리형 에피택시얼 성장 장치에 비해 생산성이 낮다. 또한, 지금까지 장엽형 에피택시얼 성장 장치로서 생산성을 높이기 위해 에피택시얼 성장 속도를 고속으로 하는 여러 가지 에피택시얼 성장 장치가 개시되어 있다(예를 들면, 일본 공개특허공보 평11-67675호 참조).

상기 일본 공개특허공보 평11-67675호에 개시되어 있는 장엽형 에피택시얼 성장 장치는 예를 들면 실리콘 에피택시얼층의 성장 속도를 10㎛/min 정도로 높일 수 있다. 에피택시얼 웨이퍼 제조에 있어서 그 생산성을 높이기 위해서는 상기 에피택시얼층의 성장 속도외에도, 예를 들면 에피택시얼층의 양품(良品) 수율의 향상 또는 장치 가동률의 향상이 중요해진다.

여기서, 에피택시얼층의 양품 수율은 제작되는 반도체 디바이스의 성능에도 의하지만, 통상 단결정층인 에피택시얼층의 결정 결함, 결정중의 석출물, 오염 금속 또는 파티클 등에 크게 영향을 받는다. 이 중에서 에피택시얼 성장시에 발생하기 쉬운 파티클은 상기 결정 결함, 결정중의 석출물 또는 금속 오염의 요인도 된다. 이 때문에 파티클의 발생 저감은 상기 양품 수율의 향상에 매우 큰 과제이다.

에피택시얼층의 성장에서는 반응로내의 소정 위치에 얹어 설치한 웨이퍼의 온도를 1000∼1200℃의 고온으로 하고, 성막용 가스를 반응로내에 공급하여 웨이퍼 표면에서 성막용 가스를 반응시켜 실시된다. 그러나, 성막용 가스는 그 일부가 반응로의 내벽에서 반응하여 석출하여 부착물이 되어 파티클원(源)이 된다. 또한, 성막용 가스 또는 그 반응 생성물(반응 부생성물도 포함)의 일부는 반응로내의 공간에서 석출하여 파티클이 된다. 이 때문에 에피택시얼 웨이퍼 제조에서는 이 에피택시얼 성장에서 필연적으로 발생하는 파티클 및 부착물을 반응로내에서 제거하여 클리닝하는 관리 작업이 필수가 된다. 따라서 반응로 내벽 또는 반응로내의 각종 부재 표면에 부착되는 파티클 등의 부착물을 저감시키는 것은 클리닝의 관리 작 업을 경감하여 장치 가동률을 향상시키는 데에 큰 과제로 되어 있다.

본 발명의 목적은 반응로내의 파티클 발생 및 부착물을 저감시키고, 반도체 기판의 에피택시얼 성장의 생산성 향상을 용이하게 하는 기상성장장치와 성장 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 형태의 기상성장장치는 원통 형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 이 웨이퍼 유지부재와 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비한 기상성장장치에 있어서, 가스 정류판과 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 웨이퍼에 에피택시얼층을 성막하기 위한 성막용 가스가 웨이퍼면상 또는 웨이퍼 유지부재면상에서 정류 상태가 되도록 설정되고, 상기 웨이퍼 유지부재는 상하 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 형태의 기상성장방법은 원통 형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 이 웨이퍼 유지부재와 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비하는 기상성장장치를 이용한다. 그리고, 이 기상성장장치를 이용하여 성막용 가스를 가스 공급구로부터 가스 정류판을 통해 반응로내를 유하시켜 웨이퍼에 에피택시얼층을 기상 성장시키는 기상성장방법에 있어서, 가스 정류판과 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 성막용 가스가 웨이퍼면상 또는 웨이퍼 유지부재면상에서 정류(整流) 상태가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 반도체 웨이퍼의 에피택시얼 성장에 있어서 파티클의 발생 및 부착을 저감시키고, 그 생산성의 용이하게 향상시키는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 서로 동일 또는 유사한 부분에는 공통 부호를 붙이고 중복 설명은 일부 생략된다.

도 1에 본 발명의 일 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 구성을 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 에피택시얼 성장 장치는 반응로인, 예를 들면 스테인레스제 원통형상 중공체의 처리로(11), 이 처리로(11) 내부에 그 꼭대기로부터 성막용 가스(21)를 도입하는 가스 공급구(12), 가스 공급구(12)로부터 도입된 성막용 가스를 정류하고, 하방에 배치되는 반도체 웨이퍼(W)에 예를 들면 층류(層流)로서 유하(流下)시키는 가스 정류판(13)을 구비한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W) 표면 등에서 반응한 후의 반응 생성물 및 일부 성막용 가스를 처리로(11) 외부에 그 저부로부터 배출하는 가스 배기구(14)를 구비한다. 여기서, 상기 가스 정류판(13)을 그 꼭대기부에 얹어 설치하여 처리로(11)의 내벽을 덮는 원통 형상의 라이너(15)가 배치되어 있다. 또한, 가스 배출구(14)는 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속되어 있다.

상기 라이너(15)는 처리로(11)의 측벽을 따라서 내벽을 덮어 성막용 가스(21) 또는 반응 생성물로부터 상기 내벽을 차폐하고, 반응 생성물이 처리로(11) 의 내벽에서 석출하여 부착물로서 퇴적하는 것을 방지하는 방착판이다. 이 경우, 에피택시얼 성장 중에는 라이너(15) 내벽에 상기 부착물이 퇴적하게 된다.

상기 처리로(11) 내부에는 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 설치하여 유지하는 웨이퍼 유지부재의 환형상 홀더(16)를 그 상면에 배치하여 회전하는 회전체 유닛(17), 환형상 홀더(16)에 얹어 설치된 반도체 웨이퍼(W)를 복사열에 의해 가열하는 히터(18)를 구비하고 있다. 여기서, 회전체 유닛(17)은 그 회전축(17a)이 하방에 위치하는 회전 장치(도시하지 않음)에 접속되어 고속 회전이 가능하게 장착되어 있다. 원통 형상의 회전체 유닛(17)의 직경은 환형상 홀더(16)의 외주 직경과 거의 동일하면 적합하다. 또한, 이 원통 형상의 회전축(17a)은 중공의 회전체 유닛(17) 내를 배기하기 위한 진공 펌프에 접속되고, 이 흡인에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 환형상 홀더(16)에 진공 흡착하는 구성으로 되어 있어도 좋다. 또한, 회전축(17a)은 처리로(11)의 저부에 진공 시일 부재를 통해 회전 자유롭게 삽입 설치되어 있다.

그리고, 히터(18)는 회전축(17a)의 내부에 관통하는 지지축(19)의 지지대(20)상에 고정 설치되어 있다. 이 지지대(20)에는 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(16)로부터 탈착시키기 위한 예를 들면 밀어올림 핀(도시하지 않음)이 형설(形設)되어 있다. 또한, 상기 웨이퍼 유지부재로서는 환형상 홀더의 교체에 반도체 웨이퍼(W) 이면의 거의 전면에 접촉하는 구조의 것을 사용해도 좋다. 여기서 이 웨이퍼 유지부재는 통상 원판 형상의 웨이퍼 기판을 얹어 설치하므로 그 테두리단의 평면 형상이 원형상이고, 히터(18)의 복사열을 차단하지 않는 재질에 의해 형성되어 있으면 적합하다.

상기 장엽형 에피택시얼 성장 장치에 있어서, 가스 정류판(13)은 예를 들면 석영유리제의 원판체이고 다수의 다공형상 가스 토출구가 형성되어 있다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이 거의 평행하게 대향 배치되는 환형상 홀더(16)의 상면과 가스 정류판(13)의 하면과의 이간 거리를 "H₁"로 한다. 그리고, 이간 거리(H₁)는 반도체 웨이퍼(W)에 에피택시얼층을 성막하기 위한 성막용 가스(21)가 반도체 웨이퍼(W)면상 또는 웨이퍼 유지부재(16)면상에서 정류 상태가 되도록 설정되어 있다.

여기서, 환형상 홀더(16)의 외주 직경을 "D"로 하고, 후술하는 바와 같이 H₁/D≤1/5가 만족되도록 하면 적합하다. 여기서, 환형상 홀더(16)의 내주측에는 카운터보어 가공이 실시되고, 그 카운터보어면에 반도체 웨이퍼(W)의 이면이 접촉하도록 재치되므로 반도체 웨이퍼(W)의 주면은 환형상 홀더(16)의 주면과 거의 동일한 높이 위치가 된다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 환형상 홀더(16)의 외주 직경을 "D"로 하고, 라이너(15)의 내주면과 회전 유닛(17)의 외주면의 이간 거리를 "L₁"로 하여, 후술하는 바와 같이 2/15≤L₁/D≤1/3이 만족되도록 하면 적합하다.

또한, 도 1에 도시한 장엽형 에피택시얼 성장 장치에서는 도시하지 않은 처리로(11)의 측벽 부분에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)를 출입하기 위한 웨이퍼 출입구 및 게이트 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 이 게이트 밸브로 연결하는 예를 들면 로드록실과 처리로(11)사이에 있어서, 핸들링 아임에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 반송할 수 있게 되어 있다. 여기서, 예를 들면 합성석영제 핸들링 아암은 가스 정류판(13)과 웨이퍼 유지부재인 환형상 홀더(16)와의 공간에 삽입되게 되므로 이간 거리(H₁)는 핸들링 아암의 삽입 공간을 확보할 수 있는 크기 이상으로 할 필요가 있다.

이하, 상기 이간 거리 (H₁) 및 (L₁)에 대해서 구체예를 나타낸다. 반도체 웨이퍼(W)가 예를 들면 구경 200mmφ의 실리콘 웨이퍼인 경우에는 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)은 300mmφ로 한다. 그리고, 핸들링 아암에 의한 반송 조작에 필요한 삽입 공간을 예를 들면 10mm 정도로 하여 바람직한 이간 거리(H₁)는 20mm~60mm의 범위가 된다. 마찬가지로 상기 조건에 있어서, 바람직한 이간 거리(L₁)는 40mm~100mm의 범위가 된다.

또한, 여기서 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)를 후술하는 바와 같이(도 4 참조) 상하 이동 가능하게 한 경우, 기상 성장시의 반도체 웨이퍼(W) 표면과 가스 정류판(13)의 하면의 거리는 1mm정도라도 좋다. 그리고, 기상 성장 종료 후, 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)를 아래로 이동하여 10mm 정도로 하면, 핸들링 아암에 의한 웨이퍼(W)의 반송 조작이 가능하다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(W) 표면과 가스 정류판(13)의 하면의 거리가 1mm를 하회하면 기상 성장의 막두께에 변동이 생기거나 결함이 발생하므로 반도체 웨이퍼(W) 표면과 가스 정류판(13)의 하면의 거리는 1mm가 한도이다.

계속해서 상기 장엽형 에피택시얼 성장 장치를 이용한 에피택시얼 성장 방법 및 본 실시형태의 효과에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 비교예의 구성을 도시한 종단면도이다.

우선, 처리로(11) 내의 환형상 홀더(16)에 반도체 웨이퍼(W)를 공지된 장엽 방식에 의해 얹어 설치한다. 여기서, 처리로(11)의 상기 웨이퍼 출입구의 게이트 밸브를 개방하여 핸들링 아암에 의해, 예를 들면 로드록실 내의 반도체 웨이퍼를 처리로(11) 내로 반송한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)는 예를 들면 밀어올림핀(도시하지 않음)을 이용하여 환형상 홀더(16)에 얹어 설치되어 핸들링 아암은 로드록실로 복귀되고 게이트 밸브는 폐쇄된다.

그리고, 도시하지 않은 진공 펌프를 작동하여 처리로(11) 내의 가스를 가스 배기구(14)로부터 배기하여 소정의 진공도로 한다. 환형상 홀더(16)에 얹어 설치한 반도체 웨이퍼(W)는 히터(17)에 의해 소정 온도로 예비 가열된다. 그 후, 히터(17)의 가열 출력을 올려 반도체 웨이퍼(W)를 에피택시얼 성장 온도로 승온한다. 그리고, 상기 진공 펌프에 의한 배기를 속행함과 동시에 회전체 유닛(16)을 소요의 속도로 회전시키면서 가스 공급구(12)로부터 소정의 성막용 가스(21)를 공급하고, 소정의 진공도에 있어서 반도체 웨이퍼(W) 표면에 에피택시얼층을 성장시킨다.

예를 들면, 실리콘 에피택시얼층을 성장시킬 경우에는 예비 가열의 온도는 500~900℃의 범위에서 원하는 온도로 설정되고, 에피택시얼 성장 온도는 1000~1200℃의 범위에서 원하는 온도로 설정된다. 그리고, 실리콘의 소스 가스로서는 SiH₄, SiH₂Cl₂이나 SiHCl₃, 그리고 도판트 가스로서는 B₂H₆, PH₃ 또는 AsH₃이 이용된다. 또한, 캐리어 가스로서는 H₂가 통상 이용된다. 이들 가스가 성막용 가스이다.

이 실리콘 에피택시얼층의 성장시의 처리로(11) 내는 약 2×10³Pa(15Torr)~약 9.3×10⁴Pa(700Torr)의 범위에서 원하는 압력으로 설정된다. 또한, 회전체 유닛(16)의 회전은 예를 들면 300~1500rpm의 범위로 원하는 회전수로 설정된다.

상기 에피택시얼 성장에 있어서, 본 실시형태의 가스 정류판(13)과 환형상 홀더(16)는 이들의 이간 거리(H₁)가 상기한 바와 같이 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)과의 관계에 있어서, H₁/D≤1/5를 만족하도록 배치되어 있다. 이와 같은 배치에 의해 도 1에 도시한 성막용 가스(21)의 흐름에 관해 반도체 웨이퍼(W)상에서 난류의 발생이 거의 없어진다. 가스 정류판(13)을 통해 정류되어 유하된 성막용 가스(21)는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(16)의 주면에 접촉하고, 그 후 이들의 주면(主面)을 따라 수평 방향으로 거의 층류로서 정류되어 흐르게 된다. 그리고, 이 수평 방향으로 정류된 성막용 가스의 흐름에 의해 파티클의 반도체 웨이퍼(W) 표면으로의 부착이 대폭 저감되어 에피택시얼층의 높은 양품 수율이 얻어진다.

또한, 본 실시형태의 라이너(15)와 회전 유닛(17)의 외주면은 그들의 이간 거리(L₁)가 상기한 바와 같이 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)과의 관계에 있어서, 2/15≤L₁/D≤1/3을 만족하도록 형설되어 있다. 이 때문에 라이너(15)의 내벽에 성막용 가스 또는 반응 생성물이 석출하여 형성되는 부착물(22)이 저감한다.

여기서, 2/15≤L₁/D로서 이간 거리(L₁)를 종래의 비교예에 비해 크게 함으로써, 후술하는 수평 방향 가스(21a)(도 3a)의 유속(流速)이 증가에 기인하는 라이 너(15) 내벽의 부착물의 비산이 억제된다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)상을 통과하여 승온된 성막용 가스 또는 반응 생성물의 수평 방향 가스(21a)는 라이너(15) 내벽에 가까운 정류판(13)의 다공 형상 가스 토출구로부터 유하되는 성막용 가스에 의해 가스 배기구(14) 방향으로 흘러가기 쉬워지므로 라이너(15) 내벽의 부착물(22)은 크게 저감하게 된다. 이와 같은 결과는 L₁/D가 증가할수록 커지지만, 1/3〈L₁/D가 되면 그 효과의 증가도는 내려간다. 오히려 이간 거리(L₁)의 증가에 의한 장치의 대형화에 따른 문제가 커진다.

그리고, 상술한 라이너(15)의 정기적인 클리닝의 관리 작업 간격도 길고, 예를 들면 종래 기술의 경우의 2 배 정도로 하는 것이 가능해진다. 이와 같이 장치의 관리 작업이 크게 경감되므로 에피택시얼 성장 장치의 가동률이 대폭 향상된다.

이에 대해, 도 2에 도시한 장엽형 에피택시얼 성장 장치는 종래 기술의 전형적인 처리로 내를 도시하고 있지만, 가스 정류판(13)과 환형상 홀더(16)는 이들의 이간 거리(H₂)가 상술한 바와 같이 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)과의 관계에 있어서, H₂/D는 통상 1 이상이고 1/5 이하가 되는 것을 만족하고 있지 않다. 여기서, 가스 정류판(13)에서 정류된 성막용 가스(21)는 에피택시얼 성장시의 고온으로 가열된 반도체 웨이퍼(W) 표면으로부터의 복사열을 받아 상승류가 되기 쉽고, 반도체 웨이퍼(W)상에서 그 일부가 예를 들면 와류(渦流)가 된다. 성막용 가스(21)에 생기는 이와 같은 난류는 반도체 웨이퍼(W)상에서 성막용 가스 또는 반응 생성물의 석출을 발생하기 쉽게 하고, 또한 이 석출된 파티클을 반도체 웨이퍼(W)표면에 부 착하기 쉽게 한다. 그리고, 에피택시얼층의 양품 수율의 향상이 어려워지고 있다.

또한, 도 2의 예에서는 라이너(15)와 회전 유닛(17)은 그것들의 이간 거리(L₂)가 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)과의 관계에 있어서, L₁/D〈2/15로 되어 있다. 이 때문에 도 1에 도시한 에피택시얼 성장 장치의 경우에 비해 반도체 웨이퍼(W)로부터의 복사열의 영향을 받기 쉬워질수도 있고 라이너(15)의 내벽에 석출되는 부착물(22)이 증대된다. 그리고, 라이너(15)의 정기적인 클리닝의 관리 작업의 간격은 짧아지고, 에피택시얼 성장 장치의 가동률의 향상이 어렵게 되어 있다.

그리고, 상기 에피택시얼 성장 후는 상기 에피택시얼층이 형성된 반도체 웨이퍼(W)의 강온(降溫)을 시작한다. 여기서, 상기 성막용 가스의 공급 및 회전체 유닛(17)의 회전을 정지시키고, 에피택시얼층이 형성된 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(16)에 얹어 설치한 상태로 하여 히터(18)의 가열 출력을 처음으로 복귀하여 예비 가열 온도로 저하되도록 자동 조정한다.

그리고, 이번에는 처리로(11) 내에 냉각용 가스를 가스 공급구(12)로부터 유입시켜 가스 정류판(13)에 의해 정류된 냉각용 가스에 의해 상기 반도체 웨이퍼(W)를 가스 냉각한다. 여기서 냉각용 가스는 예를 들면 상기 성막용 가스의 캐리어 가스와 동일하게 H₂ 가스라도 좋고, 아르곤, 헬륨과 같은 희(希)가스 또는 N₂ 가스라도 관계없다. 또한, 이 냉각용 가스가 유입된 처리로(11)내의 압력은 에피택시얼층의 성장시의 압력과 동일한 정도로 한다.

계속해서, 반도체 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 안정된 후, 예를 들면 밀어올 림 핀에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(15)로부터 탈착시킨다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(15)로부터 탈착하는데에는 밀어올림 핀이 아니라 정전 접착 방식을 이용하거나 또한 반도체 웨이퍼(W) 자체를 뜨게 하는 베루누이척 방식을 이용해도 관계없다. 그리고, 다시 게이트 밸브를 개방하여 핸들링 아암을 가스 정류판(13) 및 환형상 홀더(16) 사이에 삽입하고, 그 위에 반도체 웨이퍼(W)를 얹는다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)를 얹은 핸들링 아암을 로드록실로 되돌린다.

이상과 같이 하나의 반도체 웨이퍼에 대한 에피택시얼층의 성막 사이클이 종료된다. 그리고, 계속해서 다른 반도체 웨이퍼에 대한 성막이 상기와 동일한 프로세스 시퀀스에 따라서 실시된다.

상기 실시형태에서는 처리로(11)의 측벽을 따라서 라이너(15)를 배치한 경우에 대해 장엽형 에피택시얼 성장 장치를 설명했지만, 이 라이너(15)가 없는 경우에도 동일한 효과가 생긴다. 단, 이 경우에는 클리닝의 관리 작업에서는 처리로(11)의 측벽부에 퇴적하게 되는 부착물을 정기적으로 제거하게 된다.

계속해서 도 3의 개략도를 참조하여 반도체 웨이퍼의 애피틱시얼 성장시의 상기 실시형태의 장치 구조의 작용을 설명한다. 도 3의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)를 유지한 환형상 홀더(16) 사이의 성막용 가스(21)의 가스 흐름을 도시한 개략도이다. 여기서, 도 3a는 상기 이간 거리(H₁)가 환형상 홀더(16)의 외주 직경(D)(웨이퍼 유지부재의 직경)과의 관계에서 H₁/D≤1/5을 만족하는 경우이며, 도 3b는 비교예에 도시한 바와 같이 이간 거리(H₂)가 H₂/D 〉1/5가 되는 경우의 일례이다.

처리로(11)내의 성막용 가스(21)는 점성류(粘性流)이고, 가스 공급구(12)로부터 도입되어 가스 정류판(13)의 다공 형상 가스 토출구를 통해 예를 들면 층류로서 정류되어 유하한다. 여기서, 도 3a에 도시한 구성이면 유하된 성막용 가스(21)는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(16)의 주면에 접촉하고, 일부는 고온의 반도체 웨이퍼(W) 표면에서 반응하여 에피택시얼층을 형성한다. 그리고, 미반응의 성막용 가스 또는 반응 생성물은 이것들의 주면을 따라서 수평 방향으로 곡절(曲折)하여 예를 들면 층류의 정류 상태를 유지한채 흐르게 된다. 또한, 환형상 홀더(15)의 외주단의 난류의 발생도 없다. 단, 이것들의 가스의 흐름은 회전 유닛(17)의 회동에 따라 상기 주면에 평행한 면에서 회전 방향으로 조금 편향한다.

이 때문에 반도체 웨이퍼(W)의 상부에서 성막용 가스 또는 반응 생성물에 의한 석출이 억제되게 된다. 또한, 주면을 따라서 본 실시형태의 수평방향 가스(21a)의 유속은 동일한 성막용 가스량의 공급 조건하에서 도 3b의 경우의 비교예의 수평 가스(21b)의 유속보다 1자리 커지는 것이 시뮬레이션에 의해 확실해지고 있다. 이 때문에 비록 반도체 웨이퍼(W)의 상부에 석출된 파티클 발생이 있어도, 또는 라이너(15)의 내벽에 퇴적된 부착물(22)의 박리 또는 비산 등에 의해 파티클이 비래(飛來)해도 그것들은 상기 정류 상태의 가스류에 의해 수평 방향으로 배출되어 반도체 웨이퍼(W) 표면에 부착하는 것은 거의 없다. 그리고, 상기 이간 거리(L₁)의 회전체 유닛(17)과 라이너(15) 사이의 가스 유로를 통해 가스 배기구(14) 로부터 배출된다.

이에 대해, 도 3b에 도시한 구성이면 유하하는 성막용 가스(21)는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(16)의 주면에서 그 정류 상태가 흐트러져 붕괴되기 쉬워진다. 그리고, 그 후 이것 등의 주면에 접촉하여 수평 방향으로 곡절하여 흐른다. 또한 상술한 바와 같이 수평방향 가스(21b)의 유속이 본 실시형태의 수평 방향 가스(21a)보다 작고, 환형상 홀더(16)의 외주단의 난류의 발생이 원래 발생하기 쉽다. 이 때문에 정류 상태에 흐트러짐이 발생하여 유하되는 성막용 가스(21)는 반도체 웨이퍼(W)의 외주측 또는 환형상 홀더(16)에 있어서 매우 용이하게 와류(23)를 생성한다. 그리고, H₂/D값이 증가함에 따라 와류(23)는 반도체 웨이퍼(W)의 보다 내주상에서도 생기게 된다.

이와 같은 와류(23)의 발생 때문에 상기 에피택시얼층 성장시에 있어서, 성막용 가스 또는 반응 생성물에 의한 석출이 발생하기 쉬워진다. 이 때문에 이른바 공간 반응에 기인한 파티클이 많이 발생하게 된다. 또한, 이 와류(23)와 같은 난류는 이 반도체 웨이퍼(W)의 상부에 석출하여 발생한 파티클 또는 라이너(15)의 내벽에 퇴적한 부착물(22)의 박리 또는 비산 등에 의해 발생하는 파티클을 반도체 웨이퍼(W) 표면에 부착시키기 쉽게 한다.

또한, 반도체 웨이퍼(W)의 에피택시얼 성장 후의 강온의 가스 냉각에 있어서도 상기 실시형태의 장치 구조는 이하와 같은 작용을 초래하여 효과적으로 기능한다. 이 작용의 설명에서도 도 3을 이용한다. 이 경우, 도 3의 성막용 가스(21)를 냉각용 가스로 치환하여 설명한다.

처리로(11) 내의 냉각용 가스는 점성류이고, 가스 공급구(12)로부터 도입되어 가스 정류판(13)의 다공 형상 가스 토출구를 통해 예를 들면 층류로서 정류되어 유하된다. 여기서, 도 3a에 도시한 구성이면 유하된 냉각용 가스는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(16)의 주면에 접촉하고, 그 후 이들의 주면을 따라서 수평 방향으로 곡절하여 정류 상태를 유지한 채 흐르게 된다. 또한, 환형상 홀더(16)의 외주단의 난류의 발생도 없다.

이 때문에 반도체 웨이퍼(W)에서는 그 면내에서 냉각용 가스가 균일한 온도 및 유량으로 접촉하게 되고, 냉각용 가스와의 열교환에 의한 방열이 한결같이 실시된다. 또한, 환형상 홀더(16)의 외주단의 난류의 발생에 의한 방열의 혼란은 없고, 상기 방열의 일양성(一樣性)이 유지된다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 강온에 있어서, 그 면내의 온도가 균일하게 유지된다. 또한, 반도체 웨이퍼(W) 표면으로부터의 열복사에 의한 방열은 면내에서 균일해진다.

이에 대해, 도 3b에 도시한 구성이면 유하되는 냉각용 가스는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(16)의 주면에서 그 정류의 상태가 흐트러져 붕괴되기 쉬워진다. 그리고, 그 후 이들의 주면에 접촉하여 수평 방향으로 곡절하여 흐른다. 또한, 환형상 홀더(16)의 외주단의 난류의 발생이 원래 발생하기 쉽다. 이들 때문에 정류 상태에 흐트러짐이 발생하여 유하되는 냉각용 가스는 반도체 웨이퍼(W)의 외주측 또는 환형상 홀더(16)에 있어서 매우 용이하게 와류(23)를 생성한다. 그리 고, H₂/D값이 증가함에 따라 와류(23)는 반도체 웨이퍼(W)의 보다 내주상에서도 발생하게 된다.

이와 같은 와류(23)의 발생 때문에 반도체 웨이퍼(W)는 그 면내에 있어서, 냉각용 가스와의 열교환에 의한 방열이 불균일하게 실시된다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 강온에 있어서, 그 면내의 온도의 균일성이 손실된다.

상기와 같으므로 본 실시형태에서는 반도체 웨이퍼의 에피택시얼층 성장에 있어서, 예를 들면 반도체 웨이퍼의 상부 등의 처리로내의 공간에서 성막용 가스 또는 그 반응 생성물의 일부가 석출하는 것에 의한 파티클 발생이 크게 저감한다. 또한, 성막용 가스의 일부가 처리로의 내벽 또는 그 라이너 내벽에서 반응하여 석출하고, 파티클원이 되는 부착물의 양이 저감한다. 이 때문에 에피택시얼 성장에 있어서, 웨이퍼로의 파티클 부착이 저감하여 양품 수율이 향상된다. 또한, 이 에피택시얼 성장으로 필연적으로 발생하는 파티클 및 부착물을 처리로내에서 제거하여 클리닝하는 관리 작업이 크게 경감한다. 이와 같이 하여 에피택시얼 성장의 생산성이 향상된다.

또한, 본 실시형태에서는 처리로외로 반출하기 위해 반도체 웨이퍼를 강온하는 공정에 있어서, 상기 이유로 인해 종래기술의 경우에 비해 반도체 웨이퍼의 냉각 속도를 올릴 수 있고, 에피택시얼 웨이퍼 제조에서의 스루풋의 향상이 용이해진다. 또한, 에피택시얼층을 성장한 후의 반도체 웨이퍼의 강온이 종래 기술의 경우보다 안정적이고, 반도체 웨이퍼의 냉각 편차가 작아진다. 이 때문에 핸들링 아암 에 의해 반도체 웨이퍼를 로드록실에 반출할 때의 웨이퍼 균열의 발생 빈도가 크게 저감한다. 그리고, 상기 반도체 웨이퍼의 슬립 등의 결정 결함의 저감 효과와 함께 에피택시얼층의 성막의 제조 수율이 더 향상된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태를 도시한 도면이다. 상기 실시형태에 있어서, 도 4에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)를 상하 이동(도면의 화살표 A, A’)가능하게 구성되어 있다. 즉, 도시되어 있지 않지만 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)의 하단부에 에어 실린더 등의 구동 기구를 설치하여, 예를 들면 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)가 연휴하여 상하 이동 가능하도록 제어된다.

여기서, 웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)의 구동 기구에 의해 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)의 거리는 1mm에서 60mm까지 조정 가능하고, 성장시는 1mm에 매우 근접해도 성장 가능하다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)의 출입시는 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)의 거리는 20mm 전후가 바람직하지만, 10mm정도라도 가능하다.

도 4의 실시형태의 경우, 성장시의 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)의 거리는 이상적으로 좁은 쪽이 좋지만, 현실적으로는 1mm 정도가 한도이다. 이와 같이 1mm 정도로 조정할 때, 웨이퍼(W)를 유지하는 서셉터(15)와 히터(17)를 연동하여 이동하는 것도 가능하다. 또한, 가스 정류판(13)을 이동시키는 것도 가능하다.

웨이퍼 유지부재(16) 및 히터(17)의 상하 이동은 웨이퍼를 출입하기 위해 웨이퍼 유지부재(16)로부터 웨이퍼(W)를 이탈하는 기구의 움직임, 예를 들면 밀어올림 핀의 움직임과 연동하는 것도 가능하다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태에 의해 에피택시얼 성장시의 반응로내에서 파티클 발생 및 부착물이 저감하고, 에피택시얼 성장의 생산성 향상을 용이하게 하는 기상성장장치 및 성장 방법을 제공할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 상기 실시형태는 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 당업자에게 있어서는 구체적인 실시형태에서 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위로부터 이탈하지 않고 여러가지 변형·변경하는 것이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에 있어서 장엽형 에피택시얼 성장 장치는 게이트 밸브(21)로 예를 들면 클러스터 툴의 반송실에 연결해도 좋다.

또한, 상기 웨이퍼 유지부재로서는 웨이퍼 유지부재는 환형상 홀더에 한정되지 않고, 가열 기구를 구비하여 반도체 웨이퍼 이면의 전면에 접촉하는, 이른바 서셉터라도 좋다. 환형상 홀더(중복부(中腹部)에 개구 있음)의 경우, 개구부에 박리 가능한 평판을 배치하여, 예를 들면 이 평판을 들어올리도록 하여 핸들링 아암으로 반응로 내외로 웨이퍼의 출입을 실시할 수 있도록 해도 좋다.

또한, 본 발명의 가스 공급구는 반응로의 꼭대기면이 아니라 반응로 전체의 상부이면 좋고, 예를 들면 반응로의 측면이라도 좋다. 또한, 가스 배기구는 반응로의 저면이 아니라 반응로 전체의 하부이면 좋고, 예를 들면 반응로 측면이라도 관계없다.

또한, 본 발명은 에피택시얼 성장시키는 반도체 웨이퍼가 비회전으로 고정한 웨이퍼 유지부재상에 얹어 설치되는 구조의 장엽형 에피택시얼 성장 장치에도 동일하게 적용된다.

그리고, 성막되는 웨이퍼 기판으로서는 전형적으로는 실리콘 웨이퍼이지만, 탄화규소 기판 등의 실리콘 이외의 반도체 기판도 사용할 수 있다. 또한, 웨이퍼 기판상에 성막되는 박막은 실리콘막 또는 붕소, 인이나 비소 등을 불순물로 함유하는 단결정 실리콘막이 가장 일반적이지만, 폴리실리콘막을 일부에 포함하는 단결정 실리콘막 또는 그외의 박막, 예를 들면 GaAs막이나 GaAlAs막 등의 화합물 반도체라도 지장없이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 에피택시얼 성장에 한정되지 않고, 일반적인 기상 성장 예를 들면 MOCVD 등이라도 좋다. 또한, 에피택시얼 성장 장치는 반드시 장엽형이 아니라도 좋다.

도 1은 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 일 구성을 도시한 종단면도,

도 2는 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 비교예의 구성을 도시한 종단면도,

도 3은 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 냉각용 가스의 가스 흐름을 도시한 개략도, 및

도 4는 다른 실시형태를 설명하기 위한 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 종단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 처리로 12 : 가스 공급구

13 : 가스 정류판 14 : 가스 배기구

15 : 라이너 16 : 환형상 홀더

17: 회전체 유닛 18 : 히터

Claims (11)

1. 원통형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 상기 웨이퍼 유지부재와 상기 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비한 기상성장장치에 있어서,

   상기 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 상기 웨이퍼에 에피택시얼층을 성막하기 위한 성막용 가스가 상기 웨이퍼면상 또는 상기 웨이퍼 유지부재면상에서 정류 상태가 되도록 설정되고,

   상기 웨이퍼 유지부재는 상하 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리를 "H₁"로 하고, 상기 웨이퍼 유지부재 직경을 "D"로 하여 H₁/D≤1/5를 만족하는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 웨이퍼 유지부재의 바로 아래에는 웨이퍼를 가열하기 위한 히터가 설치되고, 상기 히터는 상기 웨이퍼 유지부재와 연동하여 상하 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 웨이퍼 유지부재 및 상기 히터의 상하 이동은 상기 웨이퍼를 출입하기 위해 상기 웨이퍼 유지부재로부터 상기 웨이퍼를 이탈하는 기구의 움직임과 연동되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 반응로내의 측벽과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리, 또는 상기 측벽을 덮도록 배치되는 원통 형상의 방착판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리를 "L₁"로 하면, 2/15≤L₁/D≤1/3을 만족하는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면과의 거리는 1mm 이상 60mm 이하로 조정 가능한 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면과의 사이에 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼를 출입하는 핸들링 아암을 삽입할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
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