KR101154639B1 - 반도체 제조장치와 반도체 제조방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 반도체 제조장치와 반도체 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 반도체 제조장치는 웨이퍼가 도입되는 반응로와, 반응로에 프로세스 가스를 공급하기 위한 제 1 가스공급기구와, 반응로부터 가스를 배출하기 위한 가스배출기구와, 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 지지부재와, 웨이퍼 지지부재를 얹어 설치하는 링과, 링과 접속되며, 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전구동 제어기구와, 링 내에 설치되며, 웨이퍼를 소정의 온도로 가열하기 위해 설치되며, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 엘리먼트와, 이 히터 엘리먼트와 일체 성형되며, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 전극부를 구비한 히터와, 링 내에 SiC 소스가스를 공급하는 제 2 가스공급기구를 구비하여 히터의 열화의 진행을 억제하고, 반도체 장치의 고성능화나 신뢰성의 향상, 저비용화를 도모하는 반도체 제조장치 또는 반도체 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 제조장치와 반도체 제조방법{SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS AND SEMICONDUCTOR MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 예를 들면 반도체 웨이퍼의 이면(裏面)으로부터 히터에 의해 가열하면서 표면에 반응가스를 공급하여 성막을 실시하기 위해 이용되는 반도체 제조장치 및 반도체 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 장치의 저가격화, 고성능화의 요구에 따라 웨이퍼의 성막 공정의 높은 생산성과 함께 막두께 균일성의 향상 등 고품질화가 요구되고 있다.
이와 같은 요구를 만족하기 위해 장엽식 에피택시얼 성막장치를 이용하고, 예를 들면 반응로 내에서 900rpm 이상으로 고속 회전하면서 프로세스 가스를 공급하고, 히터를 이용하여 이면으로부터 가열하는 이면가열방식이 이용되고 있다.
통상, 히터를 구성하는 히터 엘리먼트(heater element)는 그 면내에서 지지체인 전극 부품에 볼트 등을 이용하여 고정, 접속된다. 그러나, 열에 의해 접속 부분의 변형이나 이에 따른 저항값의 상승이 발생하므로 히터 엘리먼트와 일체화된 히터 전극부를 설치하고, 히터 엘리먼트와 이간하여 전극 부품과 접속하는 것이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 등 참조).
이와 같은 히터 엘리먼트와 히터 전극부로 이루어진 히터에는 그 가공성 때문에 소결 SiC가 이용된다. 그리고, 히터 전극부에는 불순물이 첨가되고, 도전성이 부여되며, 또한 불순물의 확산을 방지하기 위해 SiC 코팅이 실시되고 있다.
이와 같은 히터를 이용하여 에피택시얼 성막을 실시할 때, SiC의 승화에 의해 히터가 열화되는 문제가 있다. 그리고, 히터의 열화에 의해 저항값의 상승이나 강도의 저하가 발생하고, 성막 온도의 편차나 히터의 파단이 초래된다. 한편, 최근의 에피택시얼 성막의 생산성, 막질 향상의 요구에 따라 고온 프로세스의 요구가 높아지고, 더욱 히터에의 부담이 커지는 경향이 있다.
따라서, 상방으로부터 반응로 내로 SiC 소스가스를 공급하고, 히터의 승화된 부분에 SiC막을 성막함으로써 히터를 장수명화하는 수법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 등 참조).
그러나, 일단 장치를 정지하여 공급되는 가스를 바꿀 필요가 있고, 스루풋의 저하를 피할 수 없는 문제가 있다.
또한, 특히 히터 엘리먼트와 히터 전극부의 접합부는 전계가 집중하므로 더욱 승화가 진행되기 때문에 열화가 커진다. 그러나, 상방으로부터의 SiC 소스가스의 공급에서는 접합부가 히터 엘리먼트의 음(陰)이 되어 선택적으로 접합부에 성막하는 것은 곤란하다.
일본 공개특허공보 제2007-288163호([도 1], [도 2] 등) 일본 공개특허공보 제2008-4767호(청구항 1 등)
이와 같이 종래의 수법으로는 스루풋의 저하를 피할 수 없고, 히터 엘리먼트와 히터 전극부의 접합부의 열화에 대응하는 것은 곤란하다는 문제가 있다. 또한, 에피택시얼 성막 중에 승화된 SiC가 다결정화하여 히터 상에 퇴적하고, 표면 상태가 열화되므로 히터 온도의 변동, 편차가 발생하는 문제가 발생하고 있다. 따라서 이와 같은 승화 등에 의한 히터의 열화의 진행을 원위치에서 제어할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 히터의 열화의 진행을 억제하고, 반도체 장치의 고성능화나 신뢰성의 향상, 저비용화를 도모하는 것이 가능한 반도체 제조장치와 반도체 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치는 웨이퍼가 도입되는 반응로와, 반응로에 프로세스 가스를 공급하기 위한 제 1 가스공급기구와, 반응로로부터 가스를 배출하기 위한 가스배출기구와, 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 지지부재와, 웨이퍼 지지부재를 얹어 설치하는 링과, 링에 접속되어 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전구동 제어기구와, 링 내에 설치되어 웨이퍼를 소정의 온도로 가열하기 위해 설치되고, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 엘리먼트와, 이 히터 엘리먼트와 일체 성형되고, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 전극부를 구비한 히터와, 링 내에 SiC 소스가스를 공급하여 링 내에 SiC의 분압을 높이는 제 2 가스공급기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치에 있어서, 웨이퍼 지지부재는 웨이퍼 이면 전면을 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치에서 웨이퍼와 히터 엘리먼트 사이에 불활성 가스를 공급하는 제 3 가스공급기구를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치에 있어서, 링은 SiC 소스가스를 배출하는 개구부를 구비하고, 히터 엘리먼트의 이면의 수평 위치는, SiC 소스가스를 공급하는 제 2 가스공급기구에 접속된 가스공급노즐의 선단부의 개구부와 SiC 소스가스를 배출하는 개구부의 사이에 존재하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 형태의 반도체 제조방법은 반응로 내에 웨이퍼를 도입하고, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 전극부에 전압을 인가하고, 히터 전극부와 일체 성형되며, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 엘리먼트를 발열시키는 것에 의해 웨이퍼를 소정 온도로 가열하고, 웨이퍼를 회전시키며, 웨이퍼상에 프로세스 가스를 공급함으로써 웨이퍼상에 성막하고, 또한 히터 엘리먼트의 이면측에 SiC 소스가스를 공급하여 SiC의 분압을 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면 반도체 제조장치 또는 반도체 제조방법에 있어서, 히터의 열화의 진행을 억제하고, 반도체 장치의 고성능화나 신뢰성의 향상, 저비용화를 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치의 구조를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치의 구조를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치의 구조를 나타내는 단면도 및
도 4는 본 발명의 일 형태의 반도체 제조장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1에 본 실시형태의 반도체 제조장치인 에피택시얼 성막 장치의 단면도를 도시한다. 도면에 도시한 바와 같이, 예를 들면 φ200mm의 웨이퍼(w)가 성막 처리되는 반응로(11)에는 반응로(11) 상방으로부터 트리클로로실란, 디클로로실란 등의 소스가스를 포함하는 프로세스 가스 등을 소정의 유량으로 웨이퍼(w)상에 공급하기 위한 제 1 가스공급기구(도시하지 않음)와 접속된 가스 공급구(12)가 설치되어 있다. 반응로(11)의 하방에는 예를 들면 2 군데에 가스를 배출하고, 반응로(11) 내의 압력을 일정(상압)하게 제어하기 위한 가스배출기구(도시하지 않음)와 접속된 가스 배출구(13)가 설치되어 있다.
반응로(11) 상부에는 가스 공급구(12)로부터 공급된 프로세스 가스를 웨이퍼(w)상에 정류 상태로 공급하기 위한 정류판(14)이 설치되어 있다. 그리고, 그 하방에는 웨이퍼(w)를 유지하기 위한 유지 부재인 환형상 홀더(15)가 회전 부재인 링(16)상에 설치되어 있다. 링(16)은 웨이퍼(w)를 소정의 회전 속도로 회전시키는 회전축(도시하지 않음), 모터(도시하지 않음) 등으로 구성되는 회전구동 제어기구(17)와 접속되어 있다.
링(16) 내부에는 웨이퍼(w)를 가열하기 위한 히터(18)가 설치되어 있다. 히터(18)는 소정 패턴을 갖고, 적어도 표면에 SiC층을 가진 원판 형상의 히터 엘리먼트(18a)와, 이것과 일체 성형된 히터 전극부(18b)로 구성되어 있다. 히터 전극부(18b)는 불순물이 첨가되어 도전성을 가진 SiC로 이루어지고, 또한 SiC막이 코팅되어 있다. 또한, 히터로서는 추가로 환형상 히터를 이용해도 좋고, 효율적으로 가열하기 위한 리플렉터를 갖고 있어도 좋다.
링(16) 내부의 하방에는 히터 전극부(18b)와 접속되는 전극 부품인 부스바(19)가 설치되고, 외부 전원(도시하지 않음)에 접속되고, 히터 샤프트(20)에 고정되는 전극(21)과 접속되어 있다.
링(16)의 내부에는 하방으로부터 모노메틸실란 등의 SiC 소스가스를 공급하는 제 2 가스공급기구(도시하지 않음)와 접속되고, 선단부에 개구부를 구비한 가스공급노즐(22)이 설치되어 있다.
이와 같은 에피택시얼 성장 장치를 이용하여 예를 들면 φ200mm의 Si 웨이퍼(w)상에 Si 에피택시얼막이 형성된다.
우선 반응로(11)에 웨이퍼(w)를 반입하고, 웨이퍼(w)가 얹어 설치된 홀더(15)를 링(16)상에 얹어 설치한다. 그리고, 외부 전원(도시하지 않음)과 접속된 전극(21)으로부터 부스바(19)와 접속된 히터 전극부(18b)에 전압을 인가하고, 웨이퍼(w)의 면내 온도가 균일하게 예를 들면 1100℃가 되도록 히터(18)를 1500~1600℃로 제어한다.
그리고, 회전구동 제어기구(17)에 의해 웨이퍼(w)를 예를 들면 900rpm으로 회전시키고, 또한 프로세스 가스를 가스 공급구(12)로부터 정류판(14)을 통해 정류 상태로 웨이퍼(w)상에 공급한다. 프로세스 가스는 예를 들면 트리클로로실란 농도가 2.5%가 되도록 조제하고, 예를 들면 50SLM으로 공급한다.
이 때, 링(16)의 내부에서 가스공급노즐(22)의 선단부의 개구부로부터 히터 엘리먼트(18a)의 이면측에 SiC 소스가스인 예를 들면 모노에틸실란을 10sccm으로 공급하고, 복수의 평형 반응으로 이루어진 이하의 반응:
CH3SiH3→SiC+3H2
를 우측 방향으로 시프트시킴으로써 SiC 분압을 올려 SiC의 승화를 억제한다.
한편, 잉여된 트리클로로실란, 희석 가스를 포함하는 프로세스 가스, 반응 부생성물인 HCl 등의 가스는 홀더(15)의 외부 둘레로부터 하방으로 배출된다. 또한, 이들 가스는 가스 배출구(13)로부터 가스배출기구(도시하지 않음)를 통해 배출되고, 반응로(11) 내의 압력이 일정(예를 들면 상압)하게 제어된다. 이와 같이 하여 웨이퍼(w)상에 Si 에피택시얼막을 성장시킨다.
본 실시형태에 의하면 웨이퍼(w)상에 프로세스 가스를 공급하여 에피택시얼막을 성장시킬 때, 링 내에 SiC 소스가스를 공급하고, SiC 분압을 올리는 것에 의해 히터(18)(히터 엘리먼트(18a), 히터 전극부(18b)), 특히 접합부(18c)로부터의 SiC의 승화를 억제할 수 있다. 그 결과, 에피택시얼 성장 장치를 멈추지 않고, 히터의 열화의 진행을 억제할 수 있으며, 저항값의 상승, 강도의 저하, 히터상으로의 다결정의 퇴적을 억제할 수 있고, 저항값의 상승, 강도의 저하, 히터상으로의 다결정의 퇴적을 억제할 수 있다. 그 결과, 성막 온도의 편차나 히터의 파단을 방지하고, 반도체 장치의 고성능화나 신뢰성의 향상, 저비용화를 도모하는 것이 가능해진다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서 실시형태 1과 에피택시얼 성장 장치의 구성은 동일하지만, 웨이퍼(w)를 유지하기 위한 유지 부재를 웨이퍼(w)의 이면 전면을 유지하는 서셉터(25)로 하는 점에서 실시형태 1과 다르다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이 웨이퍼(w)의 이면 전면이 서셉터(25)에 의해 유지되고, 링(16) 내의 분위기와 분리되어 있다. 링(16) 내의 SiC 분압이 높아지는 것에 의해 웨이퍼(w)의 이면으로의 SiC의 퇴적을 생각할 수 있다. 그러나, 웨이퍼(w)의 이면 전면을 서셉터(25)에 의해 유지하여 SiC의 퇴적을 방지할 수 있다.
본 실시형태에 의하면 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 에피택시얼 성장 장치의 구조를 크게 변경하지 않고, SiC의 퇴적에 의한 웨이퍼의 오염을 억제하는 것이 가능해진다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서 실시형태 1과 에피택시얼 성장 장치의 구성은 동일하지만, 웨이퍼(w)와 히터 엘리먼트 사이에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 노즐이 배치되어 있는 점에서 실시형태 1과 다르다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이 링(16) 내부에는 하방으로부터 모노메틸실란 등의 SiC 소스가스를 공급하는 가스공급노즐(22)과 함께 제 3 가스공급기구(도시하지 않음)와 접속되고, He 등의 불활성 가스를 공급하는 가스공급노즐(32)이 설치되어 있다. 가스공급노즐(32)은 파선으로 나타내는 바와 같이 복수(예를 들면 3 방향)로 분기(分岐)하고, 각각 개구부를 가진 단부가 히터 엘리먼트(18a)의 상방이 되도록 배치되어 있다. 그리고, SiC 소스가스가 공급될 때, 웨이퍼(w)와 히터 엘리먼트(18a) 사이에 불활성 가스를 공급한다.
링(16) 내의 SiC 분압이 높아지는 것에 의해 웨이퍼(w)의 이면으로의 SiC의 퇴적을 생각할 수 있다. 그러나, 이와 같이 불활성 가스를 공급하여 웨이퍼(w)의 이면의 SiC 분압을 저하시키는 것에 의해 실시형태 2와 마찬가지로 웨이퍼(w)의 이면으로의 SiC의 퇴적을 방지하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 의하면 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 서셉터를 이용하지 않고 SiC의 퇴적에 의한 웨이퍼의 오염을 억제하는 것이 가능해진다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서 실시형태 1과 에피택시얼 성장 장치의 구성은 동일하지만, 링의 상부에 복수의 개구부가 설치되어 있는 점에서 실시형태 1과 다르다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이 링(16)에서 히터 엘리먼트(18a)의 외부 둘레(히터 엘리먼트 이면의 수평 위치 보다 높은 위치)에 복수(예를 들면 4군데)의 개구부(41)가 설치되어 있다. 그리고, 링(16) 내의 압력은 웨이퍼(w)가 뜨는 것을 억제하기 위해 그 외부(반응로(11) 내)와 비교하여 약간(예를 들면 0.5~5 torr 정도) 높아지도록 SiC 소스가스의 유량이 제어되어 있다. 그리고, 공급된 SiC 소스가스는 그 압력차에 의해 히터 엘리먼트(18a)의 상방으로 흐르지 않고, 개구부(41)로부터 링(16) 외부(반응로(11) 내)로 배출된다.
링(16) 내의 SiC 분압이 높아지는 것에 의해 웨이퍼(w)의 이면으로의 SiC의 퇴적을 생각할 수 있다. 그러나, 이와 같이 하여 웨이퍼 엘리먼트의 외부 둘레로부터 SiC 소스가스를 배출하고, 웨이퍼(w)의 이면에서의 SiC 분압의 상승을 억제하는 것에 의해 실시형태 2와 마찬가지로 웨이퍼(w)의 이면으로의 SiC의 퇴적을 방지하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 의하면 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 서셉터를 이용하지 않고, 또한 새로운 가스 공급계를 설치하지 않고, SiC의 퇴적에 의한 웨이퍼의 오염을 억제하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 의하면 반도체 웨이퍼(w)에 에피택시얼막 등의 막을 높은 생산성으로 안정적으로 형성하는 것이 가능해진다. 그리고, 웨이퍼의 수율 향상과 함께 소자 형성 공정 및 소자 분리 공정을 거쳐 형성되는 반도체 장치의 수율의 향상, 소자 특성의 안정을 도모하는 것이 가능해진다. 특히 N형 베이스 영역, P형 베이스 영역이나 절연 불리 영역 등에 100 fm 이상의 후막 성장이 필요한 파워 MOSFET나 IGBT 등의 파워 반도체 장치의 에피택시얼 형성 공정에 적용됨으로써 양호한 소자 특성을 얻는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는 Si 단결정층(에피택시얼막) 형성의 경우를 설명했지만, 본 실시형태는 폴리Si층 형성 시에도 적용하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들면 SiO2막이나 Si3N4막 등 Si막 이외의 성막이나 예를 들면 GaAs층, GaAlAs나 InGaAs 등 화합물 반도체 등에 있어서 적용하는 것도 가능하며, 그 외 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있다.
11 : 반응로 12 : 가스 공급구
13 : 가스 배출구 14 : 정류판
15 : 홀더 16 : 링
17 : 회전구동 제어기구 18 : 히터
19 : 부스바 20 : 히터 샤프트
21 : 전극 22, 32 : 가스 공급 노즐
25 : 서셉터 41 : 개구부

Claims (5)

  1. 웨이퍼가 도입되는 반응로,
    상기 반응로에 프로세스 가스를 공급하기 위한 제 1 가스공급기구,
    상기 반응로로부터 가스를 배출하기 위한 가스배출기구,
    상기 웨이퍼를 얹어 설치하는 웨이퍼 지지부재,
    상기 웨이퍼 지지부재를 얹어 설치하는 링,
    상기 링과 접속되고, 상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전구동 제어기구,
    상기 링 내에 설치되고, 상기 웨이퍼를 소정의 온도로 가열하기 위해 설치되며, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 엘리먼트와, 상기 히터 엘리먼트와 일체 성형되고, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 전극부를 구비한 히터, 및
    상기 링 내에 SiC 소스가스를 공급하여 상기 링 내에 SiC의 분압을 높이는 제 2 가스공급기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지부재는 상기 웨이퍼의 이면의 전면을 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이퍼와 상기 히터 엘리먼트 사이에 불활성 가스를 공급하는 제 3 가스공급기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 링은 상기 SiC 소스가스를 배출하는 개구부를 구비하고,
    상기 히터 엘리먼트의 이면의 수평 위치는, 상기 SiC 소스가스를 공급하는 상기 제 2 가스공급기구에 접속된 가스공급노즐의 선단부의 개구부와 상기 SiC 소스가스를 배출하는 상기 개구부의 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  5. 반응로 내에 웨이퍼를 도입하는 단계,
    적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 전극부에 전압을 인가하고, 상기 히터 전극부와 일체 성형되며, 적어도 표면에 SiC층을 가진 히터 엘리먼트를 발열시킴으로써 상기 웨이퍼를 소정 온도로 가열하는 단계, 및
    상기 웨이퍼를 회전시키고, 상기 웨이퍼상에 프로세스 가스를 공급함으로써 상기 웨이퍼상에 성막하고, 또한 상기 히터 엘리먼트의 이면측에 SiC 소스가스를 공급하여 SiC의 분압을 높이는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조방법.
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