KR101079175B1 - 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

서셉터에 형성된 스폿 페이스상에 놓인 실리콘 단결정 기판을 양면으로부터 가열하면서, 상기 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 기상 성장 장치에 있어서, 상기 스폿 페이스는 상기 실리콘 단결정 기판의 뒷면을 지지하는 외주측 부분과, 상기 외주측 부분의 내측에 상기 외주측 부분보다도 오목하게 들어간 상태로 유지된 내주측 부분을 갖고, 상기 서셉터는 역U자형으로 휘어진 종단면 형상을 갖는다.
기상성장, 실리콘, 에피택셜층, 스폿 페이스, 서셉터, 단결정 기판.

Description

실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법{Method for manufacturing a silicon epitaxial wafer}
본 발명은, 실리콘 단결정 기판의 주표면에 실리콘 에피택셜층(silicon epitaxial layer)을 기상 성장시키기 위한 기상 성장 장치와, 이것을 사용한 기상 성장 방법에 관한 것이다.
종래, 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 장치로서, 이른바 매엽형(single wafer) 기상 성장 장치가 알려져 있다. 매엽형의 기상 성장 장치는, 실리콘 단결정 기판을 지지하는 대략 원반형의 서셉터(susceptor)를 구비하고 있고, 서셉터상의 실리콘 단결정 기판을 양면으로부터 가열하면서 주표면상에 실리콘 원료를 공급하는 것으로 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시킬 수 있다. 더욱 상세하게는, 서셉터는 주표면의 중앙부에 실리콘 단결정 기판을 위치 결정하기 위한 스폿 페이스를 갖고 있고, 이 스폿 페이스 내에서 실리콘 단결정 기판을 지지하도록 되어 있다.
그런데, 실리콘 단결정 기판이 불균일하게 가열되는 경우에는, 그 주표면 중 열 응력이 가해지는 부위의 상부에 형성되는 실리콘 에피택셜층에 슬립 전위(slip dislocation)가 발생하기 쉽다. 그 때문에, 이러한 슬립 전위의 발생을 막기 위해서, 기상 성장 장치에서는, 실리콘 단결정 기판을 균일하게 가열할 수 있도록, 예를 들면 외주부보다도 중앙부에서 바닥면이 깊어지는 스폿 페이스를 갖는 서셉터(예를 들면, 일본 공개특허공보 제(소)61-215289호 참조)나, 바닥면이 구면(球面)형으로 솟아오른 스폿 페이스를 갖는 서셉터(예를 들면, 일본 공개특허공보 제(소)62-262417호 참조) 등이 사용되고 있다.
그렇지만, 상기 2개의 문헌에 개시된 서셉터이더라도, 슬립 전위의 발생 빈도는 개개의 서셉터에서 다르다. 그 때문에, 서셉터의 차이에 관계 없이 슬립 전위의 발생을 확실히 저감할 수 있도록 개선이 요구되고 있다.
본 발명은, 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감할 수 있는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 기상 성장 장치는,
서셉터에 형성된 스폿 페이스 상에 놓여진 실리콘 단결정 기판을 양면으로부터 가열하면서, 상기 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 기상 성장 장치에 있어서,
스폿 페이스는, 실리콘 단결정 기판의 뒷면을 지지하는 외주측 부분과, 외주측 부분의 내측에 상기 외주측보다보다도 오목하게 들어간 상태로 유지된 내주측 부분을 갖고,
서셉터는, 역U자형으로 휘어진 종단면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 같은 타입의 스폿 페이스 형상을 갖는 서셉터이더라도, 개개의 서셉터에 의해서 슬립 전위의 발생 빈도가 다른 것은, 서셉터의 제조공정에서 일부의 서셉터가 종단면에서 보아 U자형으로 휘어진 형상이 되며 그 결과, 실리콘 단결정 기판의 뒷면과 스폿 페이스의 바닥면의 간격이 커지기 때문이다.
즉 통상, 서셉터는, 그래파이트(graphite)로 이루어지는 본체부를 가열처리하여 고순도화한 후, 그 표면에 SiC(탄화규소)를 코팅함으로써 형성되지만, 이 가열처리시에 서셉터는, 도 3에 도시하는 바와 같이 종단면에서 보아 U자형으로 휘어진 형상이 되거나, 도 2A에 도시하는 바와 같이 종단면에서 보아 역U자형으로 휘어진 형상이 된다. 그리고, 상기 2개의 문헌에 개시된 서셉터이더라도, 종단면에서 보아 U자형으로 휘어진 서셉터(50 ; 도 3 참조)를 사용하여 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 경우에는, 스폿 페이스의 바닥면(52)과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 간격은, 서셉터가 평탄한 경우의 스폿 페이스의 바닥면과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 간격 D와 비교하여, 서셉터의 뒷면 중, 스폿 페이스의 중앙부에 대응하는 위치와 실리콘 단결정 기판 W의 지지부에 대응하는 위치의 고저차 α몫만큼 큰 D+α가 된다. 따라서, 이 경우에는 실리콘 단결정 기판 W의 주표면측의 중앙부와 외주부의 온도차가 커져 버리기 때문에 실리콘 단결정 기판 W의 주표면의 외주부에 가해지는 열 응력이 커지고, 그 결과, 외주부상에 형성되는 실리콘 에피택셜층에 슬립 전위가 발생하게 된다.
이와 같이, 슬립 전위는, 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면을 지지하는 스폿 페이스의 외주측 부분보다도 오목하게 들어간 내주측 부분의 바닥면과 실리콘 단결정 기판 W의 간격이 커짐으로써 발생하기 때문에, 상기 간격이 작아지더라도 슬립 전위의 발생 빈도는 증가하지 않는다.
그래서, 도 2A에 도시하는 바와 같은 역U자형으로 휘어진 종단면 형상을 갖는 서셉터(2)를 선택적으로 사용하여, 스폿 페이스의 바닥면(21a)과 실리콘 단결정 기판 W의 간격을, 서셉터(2)가 평탄한 경우의 값 D보다도 휘어짐량 β만큼 작게 한 상태로 기상 성장을 한다. 그렇게 하면, 이 경우에는, 종단면에서 보아 U자형으로 휘어진 서셉터(50)를 사용하는 경우와 비교하여, 기상 성장시에 실리콘 단결정 기판 W의 주표면측의 중앙부와 외주부의 온도차가 작아지고, 실리콘 단결정 기판 W의 외주부에 열 응력이 가해지기 어렵게 되기 때문에, 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감할 수 있다.
스폿 페이스가 직경 300 mm 이상의 실리콘 단결정 기판용으로 형성되어 있는 경우, 스폿 페이스의 내주측 부분의 바닥면과 실리콘 단결정 기판의 뒷면의 최대거리가 0.4 mm 미만인 것이 바람직하다. 이 경우에는, 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감할 수 있다. 한편, 스폿 페이스의 내주측 부분의 바닥면과 실리콘 단결정 기판의 뒷면의 최대거리가 0.4 mm 이상이 되면, 슬립 전위의 발생 빈도가 현저히 증가한다.
또한, 서셉터가 종단면에서 보아 역U자형으로 지나치게 휘어지면, 스폿 페이스의 바닥면에 실리콘 단결정 기판의 뒷면이 접촉하는 결과, 실리콘 단결정 기판의 뒷면에 상처가 나게 되고, 상기 뒷면에 경면(鏡面)가공이 실시되어 있는 경우에는 상처가 현저화되기 때문에 특히 바람직하지 않다.
서셉터가 매엽형인 경우, 역U자형의 휘어짐의 크기를 곡률로 나타내면, 서셉터의 뒷면측의 곡률은 1.75×10-5 mm-1 이하인 것이 바람직하고, 이 정도의 휘어짐이면 실리콘 단결정 기판의 뒷면에 있어서 상처의 발생이 현저화되지 않는다. 단, 서셉터의 스폿 페이스가 극단적으로 얕은 경우에는, 이 범위에 들지 않는다. 또, 서셉터가 매엽형이라는 것은, 매엽형의 기상 성장 장치용인 것을 의미한다. 또한, 서셉터의 뒷면측의 곡률은, 곡률반경을 r로 하였을 때에, r2=(r-(서셉터의 뒷면 중, 스폿 페이스의 중심부에 대응하는 위치와, 실리콘 단결정 기판의 지지부에 대응하는 위치의 고저차))2+(실리콘 단결정 기판의 반경)2으로부터 계산되는 값 r의 역수 1/r이다.
구체적으로는, 예를 들면, 직경 300 mm의 실리콘 단결정 기판용 매엽형 서셉터로, 구부러지지 않은 상태의 실리콘 단결정 기판의 뒷면 중앙과 스폿 페이스의 내주측 부분의 바닥면의 간격이 0.2 mm가 되도록 형성된 서셉터가 종단면에서 보아 역U자형으로 휘어져 있는 경우에는, 서셉터의 뒷면측의 곡률이 1.75×10-5 mm-1보다 크면 스폿 페이스의 바닥면이 접촉함으로써 실리콘 단결정 기판의 뒷면에 상처가 나게 된다.
또한, 본 발명의 기상 성장 방법은, 본 발명의 기상 성장 장치를 사용하여, 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 관계되는 기상 성장 장치의 실시형태의 개략 구성을 도시하는 종단면도.
도 2A는 본 발명에 관계되는 서셉터의 종단면도.
도 2B는 본 발명에 관계되는 서셉터의 뒷면을 도시하는 평면도.
도 3은 종래의 서셉터의 종단면도.
이하, 본 발명에 관계되는 기상 성장 장치의 실시형태에 관해서, 도면을 참조하여 설명한다. 또, 본 실시형태에서의 기상 성장 장치는, 직경 300 mm의 실리콘 단결정 기판의 주표면에 에피택셜층을 기상 성장시키기 위한 매엽형 기상 성장 장치이다.
도 1은 기상 성장 장치(100)의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다. 이 기상 성장 장치(100)는 실리콘 단결정 기판 W가 내부에 배치되는 반응로(1)를 구비하고 있다.
반응로(1)는 정상벽(1a), 바닥벽(1b) 및 측벽(1e)을 갖는 반응실이다. 정상벽(1a)과 바닥벽(1b)은 투광성 석영으로 형성되어 있다. 측벽(1e)에는 반응로(1) 내에 기상 성장용 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급구(1c)와, 반응로(1)로부터 반응 가스를 배출시키기 위한 가스 배출구(1d)가 형성되어 있다. 가스 공급구(1c)에는, 소정의 조성 및 유량으로 반응 가스를 공급하는 가스 공급장치(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 또, 반응 가스로서는, 예를 들면 실리콘 단결정 기판상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시킬 때에는, 원료 가스인 SiHC13(트리클로로실란) 가스와 캐리어 가스인 H2 가스의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
반응로(1)의 위쪽에는, 정상벽(1a)을 통해서 반응로(1)의 내부를 향해서 복사(radiation)하는 가열장치(5a)가 배치되고, 반응로(1)의 아래쪽에는, 바닥벽(1b)을 통해서 반응로(1)의 내부를 향해서 복사하는 가열장치(5b)가 배치되어 있다. 또, 본 실시형태에 있어서는, 가열장치(5a, 5b)로서 할로겐 램프(halogen lamp)가 사용되고 있다.
또한, 반응로(1)의 내부에는, 실리콘 단결정 기판 W를 놓기 위한 대략 원반형의 서셉터(2)가 지지부재(3)에 지지된 상태로 배치되어 있다.
서셉터(2)는 그라파이트에 탄화규소(SiC)가 코팅되어 형성된 것이다.
서셉터(2)의 종단면도를 도 2A에 도시한다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 서셉터(2)는 역U자형으로 휘어진 종단면 형상을 갖고 있다. 서셉터(2)의 뒷면(2B)측의 곡률은, 1.75×10-5mm-1 이하로 되어 있다. 또한, 서셉터(2)의 주표면(2A), 요컨대 상면에는 대략 원형의 스폿 페이스(2c)가 형성되어 있다.
스폿 페이스(2c)는 실리콘 단결정 기판 W를 지지하는 외주측 부분(20)과, 이 외주측 부분(20)의 내측에서 외주측 부분(20)보다도 오목하게 들어간 상태에 형성된 내주측 부분(21)을 갖는 2단 구성으로 형성되어 있다. 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a), 요컨대 스폿 페이스(2c)의 내주측 부분(21)의 바닥면(21a)은 종단면에서 보아 U자형으로 형성되어 있다. 더욱 상세하게는, 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a)은, 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면과의 최대거리가 0.4 mm 미만이 되도록 형성되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a)과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 최대거리는, 스폿 페이스 내측 깊이와 같은 뜻을 나타낸다. 이 스폿 페이스 내측 깊이는, 주표면측을 위로 하여 서셉터(2)를 정반(定盤: surface table)상에 배치하고, 레이저 변위계를 사용하여 직경방향으로 측정을 함으로써, 측정 차트로부터 얻을 수 있다. 또한, 도 2A에는 도시하지 않지만, 스폿 페이스(2c) 내에 배치된 실리콘 단결정 기판 W는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 가열장치(5a)에 의해서 위쪽으로부터 가열되는 동시에, 가열장치(5b)에 의해서 서셉터(2)를 개재하여 아래쪽으로부터 가열되도록 되어 있다.
또한, 도 2B에 서셉터(2)의 뒷면(2B) 측의 평면도를 도시한다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 스폿 페이스(2c)보다 외측의 부분에는, 서셉터(2)의 뒷면으로 개방되는 3개의 오목부(2e)가 형성되어 있다.
지지부재(3)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 서셉터(2)의 아래쪽에서 수직방향으로 연장한 회전축(3a)을 구비하고 있다. 회전축(3a)의 상단부에는, 경사 위쪽을 향하여 방사상으로 분기한 3개의 스포크(spoke: 3b)가 설치되어 있다. 각 스포크(3b)의 선단은 서셉터(2)의 오목부(2e)와 결합하여 서셉터(2)를 지지하고 있다. 또, 회전축(3a)에는 회전 구동장치(도시하지 않음)가 접속되어 있고, 이 회전 구동장치의 구동에 의해서 회전축(3a)과 서셉터(2)가 회전하도록 되어 있다.
다음에, 상기와 같은 기상 성장 장치(100)를 사용하여 실리콘 단결정 기판상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 기상 성장 방법에 관해서 설명한다.
우선, 실리콘 단결정 기판을 운반하여 서셉터(2)의 스폿 페이스(2c) 내에 배치한다. 여기에서, 서셉터(2)는 종단면에서 보아 역U자형으로 휘어져 있기 때문에, 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a)과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 간격은, 서셉터(2)가 종단면에서 보아 U자형으로 휘어진 경우와 비교하여 작다.
다음에, 가열장치(5a, 5b)에 의해 실리콘 단결정 기판을 가열하는 동시에 상기 회전 구동장치에 의해 서셉터(2)를 회전시키고, 이 상태로 가스 공급구(1c)로부터 반응로(1) 내에 SiHC13 가스와 H2 가스의 혼합 가스를 반응 가스로서 도입하여, 기상 성장을 한다. 이 때, 상기한 바와 같이, 종단면에서 보아 U자형의 서셉터를 사용하는 경우보다도 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a)과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 간격이 작아져 있는 만큼, 실리콘 단결정 기판 W의 주표면측의 중앙부와 외주부의 온도차가 작은 상태로 기상 성장이 행하여지게 된다.
이상과 같은 기상 성장 장치(100)에 의하면, 종단면에서 보아 U자형의 서셉터를 사용하는 경우보다도 실리콘 단결정 기판 W의 주표면측의 중앙부와 외주부의 온도차를 작게 한 상태로 기상 성장을 할 수 있다. 요컨대 실리콘 단결정 기판 W의 외주부에 가해지는 열 응력을 억제하면서 기상 성장을 할 수 있기 때문에 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감할 수 있다.
또한, 스폿 페이스(2c)의 바닥면(21a)과 실리콘 단결정 기판 W의 뒷면의 최대거리, 요컨대 스폿 페이스 내측 깊이가 0.4 mm 미만인 경우, 이하의 표 1에 나타내는 바와 같이, 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감할 수 있다.
서셉터 형상 ∩ ∩ ∩ U U
스폿 페이스 내 깊이(mm) 0.23 0.32 0.38 0.48 0.53
슬립 전위의 발생 ○ ○ ○ × ×
(0: 슬립전위가 발생하지 않음, ×: 슬립 전위가 발생)
표에서, 「서셉터의 형상」은 서셉터의 종단면 형상이고, 「U」는 U자형, 「∩」은 역U자형인 것을 나타내고 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서는, 기상 성장 장치(100)를 매엽형인 것으로서 설명하였지만, 실리콘 단결정 기판 W를 스폿 페이스 내에서 대략 수평으로 지지하는 것이면, 예를 들면 한번에 복수장의 실리콘 단결정 기판에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 배취(batch)식이어도 좋다.
또한, 직경 300 mm의 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 경우에 관해서 설명하였지만, 직경이 클수록 슬립 전위 저감을 위해 스폿 페이스 내측 깊이를 작게 할 필요가 있기 때문에, 직경이 300 mm 보다 큰 실리콘 단결정 기판에 관해서도 마찬가지로 적용이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 관계되는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법은 슬립 전위의 발생 빈도를 확실히 저감하는 데 유용하고, 특히, 실리콘 단결정 기판의 주표면에 에피택셜층을 기상 성장시키는 경우에 적합하다.

Claims (5)

  1. 서셉터에 형성된 스폿 페이스 상에 배치한 실리콘 단결정 기판을 양면으로부터 가열하면서, 상기 실리콘 단결정 기판의 주표면상에 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시키는 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조방법에 있어서,
    상기 스폿 페이스는 상기 실리콘 단결정 기판의 뒷면을 지지하는 외주측 부분과, 상기 외주측 부분의 내측에 상기 외주측보다보다도 오목하게 들어간 상태에 유지된 내주측 부분을 갖고,
    상기 서셉터로서, 그라파이트로 이루어지는 본체부를 가열 처리한 후, 그 표면에 SiC를 코팅함으로써 형성된 것이며, 또 이 가열 처리시에 휘어진 것 중 역U자형으로 휘어진 종단면 형상을 갖는 것을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스폿 페이스는,
    직경 300 mm 이상의 실리콘 단결정 기판용으로 형성되어 이루어지고,
    상기 스폿 페이스의 상기 내주측 부분의 바닥면과 상기 실리콘 단결정 기판의 뒷면의 최대거리가 0.4 mm 미만인 것을 특징으로 하는 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터는 매엽형이고, 상기 서셉터의 뒷면측의 곡률은 0 보다 크고, 또한 1.75×10-5 mm-1 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 서셉터는 매엽형이고, 상기 서셉터의 뒷면측의 곡률은 0 보다 크고, 또한 1.75×10-5 mm-1 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  5. 삭제
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