KR100975717B1 - 기상성장장치와 기상성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기상성장장치와 기상성장방법에 관한 것으로서, 에피택시얼 성장 공정 후의 웨이퍼 기판의 강온 시간을 단축시키고, 에피택시얼층의 성막의 고스루풋화를 용이하게 하는 기상성장장치를 제공한다. 이 기상성장장치는 처리로 꼭대기부에 가스 공급구, 내부에 가스 정류판, 저부에 배기구, 가스 정류판에 대향하여 반도체 웨이퍼를 얹어 설치하는 환형상 홀더, 환형상 홀더를 회전하는 회전 유닛 및 반도체 웨이퍼를 가열하는 히터를 구비한다. 회전 유닛은 중공의 회전축과 일체이고, 히터는 회전축의 내부에 관통하여 설치된 지지축의 지지대상에 고정 설치되어 있다. 가스 정류판과 환형상 홀더의 이간 거리는 가스 공급구로부터 가스 정류판을 통해 유하하는 강온을 위한 냉각용 가스가 반도체 웨이퍼면상 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 기상 성장층의 퇴적의 고스루풋화를 용이하게 하는 기상성장장치와 성장방법에 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 에피택시얼 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 장엽형이 있다. 여기서 배치 처리형 에피택시얼 성장 장치는 한번에 다수장의 웨이퍼 기판을 처리할 수 있으므로 스루풋이 높고 에피택시얼 웨이퍼의 제조 비용의 저감이 가능하다. 한편, 장엽형 에피 택시얼 성장 장치는 웨이퍼 기판의 대구경화에 대응하기 쉽고, 에피택시얼 성장층의 막두께 등의 균일성 실현이 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 고저항률의 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 스루풋이 낮다. 또한, 에피택시얼 웨이퍼의 제조 비용 저감이 어렵다. 또한, 지금까지 장엽형 에피택시얼 성장 장치로서 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 할수 있다. 이 실리콘 에피택시얼층의 성장에서는 웨이퍼의 온도를 1000~1200℃의 고온으로 할 필요가 있다. 이 때문에 에피택시얼 웨이퍼 제조에 있어서 스루풋을 높이기 위해서는 웨이퍼의 실온에서 상기 성장 온도 사이의 승온/강온의 처리 시간을 단축시키는 것이 매우 중요해진다. 또한, 에피택시얼층은 단결정층이므로 그 결정 결함의 발생을 방지하는 것이 요구된다.

그러나, 종래의 장엽형 에피택시얼 성장 장치에서는 특히 에피택시얼층의 성장 후의 웨이퍼의 강온에 필요한 처리 시간의 단축이 어렵고, 이 강온 처리가 에피택시얼 웨이퍼 제조에 있어서 고스루풋화의 큰 병목이 되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 기상 성장 공정 후의 강온 시간을 단축시키고, 기상 성장층의 퇴적의 고스루풋화를 용이하게 하는 기상성장장치와 기상성장방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 형태의 기상성장장치는 원통 형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 및 이 웨이퍼 유지부재와 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비한 장엽형 에피택시얼 성장 장치에 있어서, 가스 정류판과 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 웨이퍼를 냉각하기 위한 냉각용 가스가 웨이퍼면상 또는 웨이퍼 유지부재면상에서 정류(整流) 상태가 되도록 설정되고, 상기 가스 정류판은 상하 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 일 형태의 기상성장방법은 원통 형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 및 그 웨이퍼 유지부재와 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비한 기상성장장치를 이용한다. 그리고 이 기상성장장치를 이용하여 성막용 가스를 가스 공급구로부터 가스 정류판을 통해 반응로내를 유하시켜 웨이퍼에 기상 성장층을 퇴적시키고, 기상 성장층을 퇴적시킨 후, 냉각용 가스를 가스 공급구로부터 가스 정류판을 통해 반응로내를 유하(流下)시켜 웨이퍼 기판을 강온(降溫)하는 기상성장방법에 있어서, 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 냉각용 가스가 웨이퍼면상 또는 웨이퍼 유지부재면상에서 정류 상태가 되도록 설정되고, 상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면과의 사이에 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼를 출입하는 핸들링 아암이 설치되고, 상기 핸들링 아암의 이동에 의해 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼의 출입을 실시하며, 상기 웨이퍼에 성막할 때는 상기 정류판과 상기 웨이퍼가 근접하고, 상기 웨이퍼를 출입할 때는 상기 정류판과 상기 웨이퍼와의 거리가 떨어져 상기 웨이퍼의 출입을 가능하게 하고, 상기 정류판이 상하 이동 가능하고, 상기 웨이퍼의 출입시와 연동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 에피택시얼 성장 공정 후의 균일한 냉각이 가능해지고, 웨이퍼 기판의 강온 시간을 단축시키며, 에피텍시얼층의 성막의 스루풋을 용이하게 향상시키는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 본 발명의 일 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 구성을 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 에피택시얼 성장 장치는 예를 들면 스테인레스제로 원통형상 중공체의 처리로(11), 이 처리로(11) 내부에 그 꼭대기부로부터 성막용 가스를 도입하는 가스 공급구(12), 가스 공급구(12)로부터 도입된 성막용 가스를 정류하고, 하방에 배치되는 반도체 웨이퍼(W)에 예를 들면 층류(層流)로서 유하시키는 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, 가스 배기구(14)는 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속되어 있다.

상기 처리로(11) 내부에는 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 설치하여 유지하는 웨이퍼 유지부재의 환형상 홀더(15)를 그 상면에 배치하여 회전하는 회전체 유닛(16), 환형상 홀더(15)에 얹어 설치된 반도체 웨이퍼(W)를 복사열에 의해 가열하는 히터(17)를 구비하고 있다. 여기서, 회전체 유닛(16)은 그 회전축(16a)이 하방에 위치하는 회전 장치(도시하지 않음)에 접속되고, 고속 회전이 가능하게 장착되어 있다. 또한, 이 원통 형상의 회전축(16a)은 중공의 회전체 유닛(16) 내를 배기하기 위한 진공 펌프에 접속되고, 이 흡인에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 환형상 홀더(15)에 진공 흡착하는 구성으로 되어 있어도 좋다. 또한, 회전축(16a)은 처리로(11)의 저부에 진공 시일 부재를 통해 회전 자유롭게 삽입 설치되어 있다.

그리고, 히터(17)는 회전축(16a)의 내부에 관통하는 지지축(18)의 지지대(19)상에 고정 설치되어 있다. 이 지지대(19)에는 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(15)로부터 탈착하는, 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(17)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(15)의 상면과 가스 정류판(13)의 하면과의 이간 거리를 "H"로 하면, 이간 거리(H)는 반도체 웨이퍼(W)를 냉각하기 위한 냉각용 가스가 반도체 웨이퍼(W)면상 또는 웨이퍼 유지부재인 환형상 홀더(15)면상에서 정류 상태가 되도록 설정되어 있다.

여기서, 환형상 홀더(15)의 외주 직경을 "D"로 하여 H/D≤1/5가 만족되도록 하면 적합하다. 또한, 환형상 홀더(15)의 내주측에는 카운터보어 가공이 실시되고, 그 카운터보어면에 반도체 웨이퍼(W)의 이면이 접촉하도록 얹어 설치되므로 반도체 웨이퍼(W)의 주면은 환형상 홀더(15)의 주면과 거의 동일한 높이 위치가 된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 처리로(11)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)를 출입하기 위한 웨이퍼 출입구(20) 및 게이트 밸브(21)가 설치되고, 이 게이트 밸브(21)로 연결하는 예를 들면 로드록실(도시하지 않음)과 처리로(11) 사이에 있어서, 핸들링 아임에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 반송할 수 있도록 되어 있다. 여기서, 예를 들면 합성석영제 핸들링 아암은 가스 정류판(13)과 웨이퍼 유지부재인 환형상 홀더(15)와의 공간에 삽입되게 되므로 이간 거리(H)는 핸들링 아암의 삽입 공간을 확보할 수 있는 크기 이상으로 할 필요가 있다.

이하, 상기 이간 거리(H)에 대해서 구체예를 나타내면, 반도체 웨이퍼(W)가 예를 들면 구경 200mmφ의 실리콘 웨이퍼인 경우에는 환형상 홀더(15)의 외주 직경(D)은 300mmφ로 한다. 그리고, 핸들링 아암에 의한 반송 조작에 필요한 삽입 공간을 예를 들면 10mm 정도로 하여 바람직한 이간 거리(H)는 20mm~60mm의 범위가 된다.

또한, 여기서 가스 정류판(13)을 후술하는 바와 같이(도 5 참조), 상하 이동 가능하게 한 경우, 기상 성장시의 반도체 웨이퍼(W) 표면과 가스 정류판(13)의 하면의 거리는 1mm 정도라도 좋고, 기상 성장 종료 후, 가스 정류판(13)을 위로 이동 하여 10mm 정도로 하면 핸들링 아암에 의한 웨이퍼(W)의 반송 조작이 가능하다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(W) 표면과 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 장치의 에피택시얼층의 성막 방법, 그 동작 및 본 실시형태의 효과에 대해 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 에피택시얼층의 성막의 프로세스 시퀀스의 개략을 도시한 설명도이다. 도 2에서는 횡축에 성막 사이클의 처리 시간을 나타내고, 종축에 반도체 웨이퍼(W)의 웨이퍼 온도를 나타내고 있다. 그리고, 도 3은 처리로(11)에 반도체 웨이퍼(W)를 출입하는 상태를 도시한 에피택시얼 성장 장치의 종단면도이다.

우선, 도 2에 도시한 처리 시간(t₀)에 있어서, 실온(T₀)에서 감압 상태에 있는 로드록실내의 반도체 웨이퍼(W)를 도 3에 도시한 바와 같이 게이트 밸브(21)를 개방하고, 핸들링 아암(22)상에 얹어 웨이퍼 출입구(20)로부터 처리로(11)내에 삽입한다. 여기서 처리로(11) 내는 예를 들면 질소(N₂)가스 분위기의 감압 상태이지만, 로드록실보다 양압(陽壓)이 되도록 압력이 설정되어 있다. 이와 같이 하여 로드록실로부터의 파티클 등의 처리로(11)내의 오염을 방지한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)는 예를 들면 밀어올림 핀(도시하지 않음)을 통해 환형상 홀더(15)에 얹어 설치되고, 핸들링 아암(22)은 로드록실로 복귀되고, 게이트 밸브(21)가 폐쇄된다.

그리고, 환형상 홀더(15)에 얹어 설치된 반도체 웨이퍼(W)는 예비 가열을 위 해 제 1 온도(T₁)로 가열 대기하고 있는 히터(17)에 의해 가열하고, 처리 시간(t₁)부터 안정되기까지 유지한다. 이 예비 가열동안에 N₂ 가스를 수소(H₂) 가스로 치환하여 처리로(11) 내를 소정의 진공도가 되도록 진공 배기한다.

계속해서 히터(17)의 가열 출력을 올려 반도체 웨이퍼(W)를 에피택시얼 성장 온도인 제 2 온도(T₂)로 가열하여 승온한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)가 처리 시간(t₂)에서 제 2 온도(T₂)로 안정되면 회전체 유닛(16)을 소요의 속도로 회전시키면서 가스 공급구(12)로부터 소정의 성막용 가스를 공급하고, 소정의 진공도에 있어서 처리 시간(t₃)까지 반도체 웨이퍼(W) 표면에 에피택시얼층을 성장시킨다.

예를 들면, 실리콘 에피택시얼층을 성장시킬 경우에는 제 1 온도(T₁)는500~900℃의 범위에서 원하는 온도로 설정되고, 제 2 온도(T₂)는 1000~1200℃의 범위에서 원하는 온도로 설정된다. 그리고, 실리콘의 소스 가스로서는 SiH₄, SiH₂Cl₂나 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 범위에서 원하는 회전수로 설정된다.

계속해서, 에피택시얼층 성장이 종료되는 처리 시간(t₃)에 있어서, 상기 에피택시얼층이 형성된 반도체 웨이퍼(W)의 강온(降溫)을 시작한다. 여기서 상기 성막용 가스의 공급 및 회전체 유닛(16)의 회전을 정지시키고, 에피택시얼층이 형성된 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(15)에 얹어 설치한 상태로 하여 히터(17)의 가열 출력을 처음으로 되돌려 제 1 온도(T₁)가 되도록 자동 조정한다.

그리고, 거의 동시에 도 1에 도시한 바와 같이 처리로(11) 내에 냉각용 가스(23)를 가스 공급구(12)로부터 유입시킨다. 그리고, 가스 정류판(13)에 의해 정류한 냉각용 가스(23)에 의해 상기 반도체 웨이퍼(W)를 가스 냉각한다. 여기서, 냉각용 가스(23)는 예를 들면 상기 성막용 가스의 캐리어 가스와 동일하게 H₂ 가스라도 좋고, 아르곤, 헬륨과 같은 희(希)가스 또는 N₂ 가스라도 관계없다. 또한, 이 냉각용 가스(23)가 유입된 처리로(11) 내의 압력은 에피택시얼층의 성장시의 압력과 동일한 정도로 한다.

상기한 바와 같이, 본 실시형태의 가스 정류판(13)과 환형상 홀덩(15)는 그것들의 이간 거리(H)가 상술한 바와 같이 환형상 홀더(15)의 외주 직경(D)과의 관계에 있어서, H/D≤1/5를 만족하도록 배치되어 있다. 이 때문에 도 1에 도시한 냉각용 가스(23)의 흐름에 있어서, 후술하는 바와 같이 반도체 웨이퍼(W)상에서 와류(渦流)의 발생이 거의 없는 정류(整流) 상태가 되고, 반도체 웨이퍼(W)면내에서 높은 균일성을 가진 냉각이 가능하게 된다. 그리고, 이 냉각시의 반도체 웨이퍼(W)에 생기는 열응력이 저감하고, 냉각용 가스(23)에 의한 강제 냉각 속도를 높 게 해도 반도체 웨이퍼(W)로의 슬립 등의 결정 결함의 발생이 억제된다. 따라서, 에피택시얼 성장 후의 반도체 웨이퍼(W)의 강온에 필요한 시간을 단축할 수 있다.

예를 들면, 도 2에 도시한 처리 시간(t₃)후에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)가 에피택시얼 성장 온도의 제 2 온도(T₂)로부터 예비 가열 온도의 제 1 온도(T₁)로 저하되어 안정되기까지의 시간 간격을, 도 2에 점선으로 나타낸 종래기술의 경우의 1/2~2/3 정도로 단축 가능해진다.

계속해서, 반도체 웨이퍼(W)가 제 1 온도(T₁)로 안정된 후, 예를 들면 밀어올림 핀에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면을 밀어올려 환형상 홀더(15)로부터 탈착시킨다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)를 환형상 홀더(15)로부터 탈착하는 데에는 밀어올림 핀이 아니라 정전 접착 방식을 이용하거나 또한 반도체 웨이퍼(W) 자체를 뜨게하는 베루누이척 방식을 이용해도 관계없다. 그리고, 다시 도 3에 도시한 바와 같이 게이트 밸브(21)를 개방하여 핸들링 아암(22)을 가스 정류판(13) 및 환형상 홀더(15) 사이에 삽입하고, 그 위에 반도체 웨이퍼(W)를 얹는다. 그 후, 밀어올림 핀을 낮춘 상태로 하고, 핸들링 아암(22)을 상기 삽입 위치에 있어서 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 제 1 온도(T₁)보다 제 3 온도(T₃)가 되어 안정적인 처리 시간(t₄)까지 휴지한다.

그후에 반도체 웨이퍼(W)를 얹은 핸들링 아암(22)을 로드록실로 되돌리고, 게이트 밸브(21)를 폐쇄한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 로드록실에서 실온(T₀)으로 복귀한다. 여기서, 처리 시간(t₀)에서 설명한 바와 같이, 예를 들면 N₂가스 분위기의 감압 상태가 되는 처리로(11)내는 로드록실보다 양압으로 되어 있다.

이상과 같이 하여 하나의 반도체 웨이퍼에 대한 에피택시얼층의 성막 사이클이 종료되고, 계속해서 다른 반도체 웨이퍼에 대한 성막이 상기한 것과 동일한 프로세스 시퀀스에 따라서 실시된다.

상기 제 1 온도(T₁)에서 제 3 온도(T₃)로 안정화되기까지는 반도체 웨이퍼(W)는 핸들링 아암(22)상에서 냉각용 가스(23)에 의한 가스 냉각을 받는다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)가 제 1 온도(T₁)에서 제 3 온도(T₃)로 저하되어 안정되기까지의 시간 간격은 도 2에 점선으로 나타낸 종래기술의 경우의 1/2 정도로 단축 가능해진다. 또한, 도 2에 도시한 처리 시간(t₅) 은 종래기술의 반도체 웨이퍼의 온도가 제 1 온도(T₁)에서 제 3 온도(T₃)로 저하되어 안정되는 시간으로서 예시했다.

계속해서, 도 4의 개략도를 참조하여 에피택시얼층 성장 후의 반도체 웨이퍼의 가스 냉각의 상기 실시형태의 구조의 작용을 설명한다. 도 4는 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)를 유지한 환형상 홀더(15) 사이의 냉각용 가스(23)의 가스 흐름을 도시한 개략도이다. 여기서, 도 4a는 상기 이간 거리(H)가 환형상 홀더(15)의 외주 직경(D)(웨이퍼 유지부재의 직경)과의 관계에서, H/D≤1/5을 만족하는 경우이며, 도 4b는 이간 거리(H)가 H/D 〉1/5가 되는 경우의 일례이다.

처리로(11)내의 냉각용 가스(23)는 점성류(粘性流)이고, 가스 공급구(12)로부터 도입되어 가스 정류판(13)의 다공상 가스 토출구를 통해 예를 들면 층류로서 정류되어 유하한다. 여기서, 도 4a에 도시한 구성이면 유하된 냉각용 가스(23)는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(15)의 주면에 접촉하고, 그 후 이것등의 주면을 따라서 수평 방향으로 곡절하여 정류 상태를 유지한채 흐르게 된다. 또한, 고리 형상 홀더(15)의 외주단의 난류의 발생도 없다.

이 때문에 반도체 웨이퍼(W)에서는 그 면내에서 냉각용 가스(23)가 균일한 온도 및 유량으로 접촉하게 되고, 냉각용 가스(23)와의 열교환에 의한 방열이 한결값이 실시된다. 또한, 환형상 홀더(15)의 외주단의 난류의 발생에 의한 방열의 흐트러짐은 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 4b에 도시한 구성이면 유하하는 냉각용 가스(23)는 반도체 웨이퍼(W) 및 환형상 홀더(15)의 주면에서 그 정류 상태가 흐트러져 붕괴되기 쉬워진다. 그리고, 그 후 이것들의 주면에 접촉하여 수평 방향으로 곡절하여 흐른다. 또한 환형상 홀더(15)의 외주단의 난류의 발생이 원래 발생하기 쉽다. 이들 때문에 정류 상태에 흐트러짐이 발생하여 유하되는 냉각용 가스(23)는 반도체 웨이퍼(W)의 외주측 또는 환형상 홀더(16)에서 매우 용이하게 와류(24)를 생성한다. 그리고, H/D값이 증가함에 따라 와류(24)는 반도체 웨이퍼(W)의 보다 내주상에서도 생기게 된다.

이와 같은 와류(24)의 발생 때문에 반도체 웨이퍼(W)는 그 면내에서 냉각용 가스(23)와의 열교환에 의한 방열이 불균일하게 실시된다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 강온에 있어서, 그 면내의 온도의 균일성이 손상된다.

상술한 바와 같기 때문에 본 실시형태에서는 에피택시얼층의 성장 종료후부터 처리로외로 반출하기까지의 반도체 웨이퍼의 강온에 필요한 시간, 즉 도 2에 도시한 처리 시간(t₃)에서 처리 시간(t₄)의 시간 간격이 종래기술의 경우의 처리 시간(t₃)에서 처리 시간(t₅)의 시간 간격에 비해 대폭 저감할 수 있게 된다. 그리고, 에피택시얼층의 성막의 스루풋의 향상이 용이해진다. 여기서, 에피택시얼층의 성장 시간(t₃-t₂)이 짧아짐에 따라 에피택시얼 성장 후의 반도체 웨이퍼의 강온 시간(t₄-t₃)의 성막 사이클이 차지하는 비율이 증가하고, 본 실시형태의 강온 시간의 단축 효과는 커진다.

예를 들면, 막두께가 10㎛ 정도의 실리콘 에피택시얼층의 성막에서는 스루풋은 20% 정도 증가한다. 그리고, 에피택시얼층의 소요 막두께가 얇아지는 경우, 에피택시얼층의 성장 속도가 올라가는 경우에는 스루풋 증가의 비율은 더 커진다.

또한, 본 실시형태에서는 에피택시얼층을 성장 후의 반도체 웨이퍼의 강온이 종래기술의 경우보다 안정되어 반도체 웨이퍼의 냉각 편차가 작아진다. 이 때문에 핸들링 아암(22)에 의해 반도체 웨이퍼를 로드록실로 반출할 때의 웨이퍼 균열의 발생 빈도가 크게 저감한다. 그리고, 상기 반도체 웨이퍼의 슬립 등의 결정 결함 의 저감 효과와 함께 에피택시얼층의 성막의 제조 수율이 향상된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장장치의 종단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 가스 정류판(13)을 상하 이동(도면의 화살표) 가능하게 설치하고 있다. 즉, 반응로(11)의 내벽을 슬라이딩 가능한 부재(51)를 설치하고, 그 반대면에 에어 실린더 등의 구동 기구(52)로부터의 접속 부재(52a)를 연결시킨다. 이 접속 부재(52a)와 구동 기구의 사이의 상부에는 벨로우즈(52b)가 구비되어 있다.

여기서, 구동 기구(52)에 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, 10mm 정도라도 가능하다.

이와 같이 반도체 웨이퍼에 성막할 때는 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)가 근접하고, 반도체 웨이퍼(W)를 출입할 때는 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)의 거리가 떨어져 반도체 웨이퍼(W)의 출입이 가능해진다.

여기서, 가스 정류판(13)의 상하 이동은 반도체 웨이퍼(W)를 출입하기 위해 환형상 홀더(15)에서 이탈하는 기구의 움직임, 예를 들면 밀어올림 핀의 움직임과 연동시키는 것도 가능하다.

도 5의 실시형태의 경우, 성장시의 가스 정류판(13)과 반도체 웨이퍼(W)의 거리는 이상적으로 좁은 쪽이 좋지만, 현실적으로는 1mm 정도가 한도이다. 또한, 1mm 정도로 조정할 때, 가스 정류판(13)이 되돌아가 웨이퍼를 유지하는 환형상 홀 더(15)와 히터(17)를 연동하여 이동하는 것도 가능하다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태에 의해 기상 성장 공정 후의 웨이퍼의 강온의 균일한 냉각이 가능해지고, 강온 시간이 단축하여 기상층의 퇴적의 고스루풋화를 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 일반적으로 불리우는 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 실시형태의 성막 프로세스 시퀀스의 개략을 도시한 설명도,

도 3은 실시형태의 장엽형 에피택시얼 성장 장치의 종단면도,

도 4는 실시형태의 냉각용 가스의 가스 흐름을 도시한 개략도, 및

도 5는 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 : 환형상 홀더 16 : 회전체 유닛

17 : 히터 18: 지지축

Claims (10)

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

   상기 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 상기 웨이퍼를 냉각하기 위한 냉각용 가스가 상기 웨이퍼면상 또는 상기 웨이퍼 유지부재면상에서 정류 상태가 되도록 설정되고,

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

   상기 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리를 "H"로 하고, 상기 웨이퍼 유지부재 직경을 "D"로 하여 H/D≤1/5를 만족하는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면 사이에 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼를 출입하는 핸들링 아암을 삽입할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가스 정류판의 상하 이동은 상기 웨이퍼를 출입하기 위한 상기 웨이퍼 유지부재로부터 이탈하는 기구의 움직임과 연동되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면과의 거리는 1mm 이상 60mm 이하로 조정 가능한 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
6. 원통형상 반응로의 상부에 가스 공급구, 그 하부에 배기구, 그 내부에 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 유지부재, 및 상기 웨이퍼 유지부재와 상기 가스 공급구 사이에 가스 정류판을 구비한 기상성장장치를 이용하고, 성막용 가스를 상기 가스 공급구로부터 상기 가스 정류판을 통해 상기 반응로내를 유하시켜 상기 웨이퍼에 기상 성장층을 퇴적시키고, 상기 기상 성장층을 퇴적시킨 후, 냉각용 가스를 상기 가스 공급구로부터 상기 가스 정류판을 통해 상기 반응로내를 유하시켜 상기 웨이퍼를 강온하는 기상성장방법에 있어서,

   상기 가스 정류판과 상기 웨이퍼 유지부재의 이간 거리는 상기 냉각용 가스가 상기 웨이퍼면상 또는 상기 웨이퍼 유지부재면상에서 정류 상태가 되도록 설정되고,

   상기 가스 정류판의 하면과 상기 웨이퍼 유지부재의 상면과의 사이에 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼를 출입하는 핸들링 아암이 설치되고, 상기 핸들링 아암의 이동에 의해 상기 반응로 내외에 상기 웨이퍼의 출입을 실시하며,

   상기 웨이퍼에 성막할 때는 상기 정류판과 상기 웨이퍼가 근접하고, 상기 웨이퍼를 출입할 때는 상기 정류판과 상기 웨이퍼와의 거리가 떨어져 상기 웨이퍼의 출입을 가능하게 하고,

   상기 정류판이 상하 이동 가능하고, 상기 웨이퍼의 출입시와 연동하는 것을 특징으로 하는 기상성장방법.
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