KR101237091B1 - 반도체 제조 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 웨이퍼 성막 후의 강온시에 있어서의 슬립 발생을 억제하여 수율, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있는 반도체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 반도체 제조 방법은, 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하고, 웨이퍼의 표면에, 소스 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하며, 웨이퍼를 제1 회전수로 회전시키면서, 히터의 출력을 제어하여 소정 온도로 가열함으로써, 웨이퍼의 표면에 성막을 행하고, 소스 가스의 공급을 정지하며, 웨이퍼의 회전수를, 웨이퍼의 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 제2 회전수로 강하시키고, 히터의 출력을 정지시키며, 제2 회전수로 회전시키면서 웨이퍼를 강온시킨다.

Description

반도체 제조 방법{SEMICONDUCTOR MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 예컨대 반도체 웨이퍼의 이면에서 가열하면서 표면에 반응 가스를 공급하여 성막을 행하는 반도체 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 저가격화, 고성능화의 요구에 따라, 성막 공정에 있어서 높은 생산성과 함께 고품질화가 요구되고 있다.
성막 공정에서는, 예컨대 웨이퍼를 제조 장치 내로 반입하고, 위쪽으로부터 프로세스 가스를 공급하며, 웨이퍼를 히터에 의해 가열하면서 900 rpm 정도로 고속 회전시켜 에피택셜 성장이 행해진다(예컨대, 특허문헌 1 등 참조).
그리고, 이와 같이 하여, 웨이퍼 상에 에피택셜막이 형성된 후, 웨이퍼의 회전을 감속하고 히터 출력을 정지해 강온(降溫)시켜, 웨이퍼를 제조 장치로부터 반출한다.
일본 특허 공개 평성11-67675호 공보
고속 회전시에 웨이퍼를 강온시키면, 웨이퍼의 어긋남이 우려되기 때문에, 통상 회전수를 600 rpm 정도로 낮추고, 벤트, H2 가스 퍼지를 행한 후, 100 rpm 정도의 저속으로 낮추어 히터를 오프시키고 있다.
그러나, 반도체 소자의 고내압화에 따라 막 두께가 증대되면, 강온시에 웨이퍼의 오프셋 밸런스의 영향을 받기가 더 쉬워져, 웨이퍼에 슬립이 발생한다고 하는 문제가 생기는 것을 알 수 있었다.
그래서, 본 발명의 일 양태는, 웨이퍼 성막 후의 강온시에 있어서의 슬립 발생을 억제하여 수율, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있는 반도체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법은, 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하고, 웨이퍼의 표면에, 소스 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하며, 웨이퍼를 제1 회전수로 회전시키면서, 히터의 출력을 제어하여 소정 온도로 가열함으로써, 웨이퍼의 표면에 성막을 행하고, 소스 가스의 공급을 정지하며, 웨이퍼의 회전수를, 웨이퍼의 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 제2 회전수로 강하시키고, 히터의 출력을 정지시키며, 제2 회전수로 회전시키면서 웨이퍼를 강온시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법에 있어서, 적어도 정상(定常)의 성막 온도보다 100℃ 내려갈 때까지 제2 회전수로 회전시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법에 있어서, 웨이퍼를 강온시킬 때, 웨이퍼의 표면에 H2 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법에 있어서, 제2 회전수는, 제1 회전수의 50% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법은, 성막에 의해, 상기 웨이퍼 상에 40 ㎛ 이상의 막이 형성되는 경우에, 적합하게 이용된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 반도체 제조 공정에 있어서, 웨이퍼 성막 후의 강온시에 있어서의 슬립 발생을 억제하여 수율, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 이용되는 에피택셜 성장 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법에 있어서의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 관한 웨이퍼 온도, 회전수 및 오프셋 온도의 시간 경과에 따른 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 비교예의 웨이퍼 온도, 회전수 및 오프셋 온도의 경시적 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 고속 회전시의 가스 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 6은 저속 회전시의 가스 흐름을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 본 실시형태에 이용되는 에피택셜 성장 장치의 단면도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 예컨대 Φ 200 ㎜의 Si 웨이퍼(w)가 성막 처리되는 반응실(11)에는, 필요에 따라 그 내벽을 덮도록 석영 커버(11a)가 마련되어 있다.
반응실(11)의 상부에는, 소스 가스, 희석 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하기 위한 프로세스 가스 공급 기구(12)와 접속된 가스 공급구(12a)가 마련되어 있다. 그리고, 반응실(11) 아래쪽에는, 가스를 배출하고, 반응실(11) 내의 압력을 일정(상압)하게 제어하기 위한 가스 배출 기구(13)와 접속된 가스 배출구(13a)가, 예컨대 2 지점에 마련되어 있다.
가스 공급구(12a)의 아래쪽에는, 공급된 프로세스 가스를 정류(整流)하여 공급하기 위한 미세 관통 구멍을 갖는 정류판(14)이 설치되어 있다.
그리고, 정류판(14)의 아래쪽에는, 웨이퍼(w)를 배치하기 위한 지지 부재인, 예컨대 SiC로 이루어진 서셉터(15)가 설치되어 있다. 서셉터(15)는, 회전 부재인 링(16) 상에 설치되어 있다. 링(16)은, 웨이퍼(w)를 소정의 회전 속도로 회전시키는 회전축을 통해, 모터 등으로 구성되는 회전 구동 제어 기구(17)와 접속되어 있다.
링(16) 내부에는, 웨이퍼(w)를 가열하기 위한, 예컨대 SiC로 이루어진 인 히터(18a), 아웃 히터(18b)로 구성되는 히터가 설치되어 있고, 각각 온도 제어 기구(19)와 접속되어 있다. 그리고, 이들 인 히터(18a), 아웃 히터(18b)의 하부에는, 웨이퍼(w)를 효율적으로 가열하기 위한 원반형 리플렉터(20)가 설치되어 있다.
또한, 웨이퍼(w)를 이면으로부터 지지하고, 예컨대 3개의 핀을 구비하는 푸시업핀(21)이, 서셉터(15), 인 히터(18a), 리플렉터(20)를 관통하도록 설치되어 있다. 반입된 웨이퍼(w)를 서셉터(15)의 위쪽에서 푸시업핀(21) 상에 배치하고, 푸시업핀(21)을 하강시킴으로써, 웨이퍼(w)를 서셉터(15) 상에 배치시킬 수 있다.
이러한 에피택셜 성장 장치를 이용하여, 웨이퍼(w) 상에 Si 에피택셜막이 형성된다.
도 2에 흐름도를 도시한 바와 같이, 우선 반송 아암(도시하지 않음) 등에 의해, 반응실(11)로 웨이퍼(w)가 반입된다. 푸시업핀(21) 상에 웨이퍼(w)를 배치하고, 하강시킴으로써, 웨이퍼(w)를 서셉터(15) 상에 배치한다(단계 1).
뒤이어, 인 히터(18a), 아웃 히터(18b)를 각각 온도 제어 기구(19)에 의해 소정의 온도로 함으로써, 웨이퍼(w)가 예컨대 1140℃가 되도록 가열하고, 회전 구동 제어 기구(17)에 의해 웨이퍼(w)를 예컨대 900 rpm으로 회전시킨다.
그리고, 프로세스 가스 공급 기구(12)에 의해 유량이 제어되어 혼합된 프로세스 가스가, 정류판(14)을 통해 정류 상태로 웨이퍼(w) 상에 공급된다. 프로세스 가스는, 소스 가스로서 예컨대 트리클로로실란을 이용하고, 2.5%가 되도록 희석 가스인 H2에 의해 희석되어 농도가 조정되며, 예컨대 50 SLM(Standard Liters per Minute)으로 공급된다.
한편, 잉여의 프로세스 가스, 반응 부생성물인 HCl 등으로 이루어진 배출 가스는, 서셉터(15) 주변으로부터 아래쪽으로 배출되고, 가스 배출구(13a)를 통해 가스 배출 기구(13)에 의해 배출된다.
이와 같이 하여, 예컨대 막 두께가 80 ㎛가 될 때까지, 웨이퍼(w) 상에 Si 에피택셜막을 성장시킨다(단계 2).
계속해서, 프로세스 가스 공급 기구(12)로부터의 소스 가스의 공급을 정지하고, 반응실 내의 소스 가스를 배출(벤트)한다(단계 3). 그리고, 퍼지 가스로서 H2를 공급하면서, 회전 구동 제어 기구(17)에 의해, 예컨대 20 rpm/sec로 회전수를 강하시키고, 온도 제어 기구(19)에 의해 인 히터(18a), 아웃 히터(18b)의 출력을 정지시킨다(단계 4).
이와 같이 하여, 회전수를 600 rpm까지 낮추고, 이를 유지한 채 웨이퍼(w)를 강온시킨다(단계 5). 그리고, 웨이퍼 온도가 800℃ 정도까지 내려간 후, 회전을 정지하고, 웨이퍼를 반출한다(단계 6).
이와 같이 하여 Si 에피택셜막이 형성된 웨이퍼에 있어서, 슬립의 발생 상태를 XRT로 평가한 결과, 최대 슬립 길이: 5 ㎜ 이하, 누적 슬립 길이: 20 ㎜ 이하가 되었다. 종래의 방법으로 형성된 웨이퍼에서의 최대 슬립 길이: 50 ㎜, 누적 슬립 길이: 650 ㎜에 비하여 크게 개선되어 있는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 3에, 웨이퍼 온도(In), 회전수 및 오프셋 온도(Out-In)의 경시적 변화를 나타낸다. 성막시, 오프셋 온도는 최적치인 ＋4℃를 유지하고 있지만, 벤트시에 증대되고, 회전 강하를 시작하는 것과 함께 히터를 오프하면 저하되며, 그 후 증대된다.
한편, 도 4에 비교예로서, 회전 강하/퍼지를 행하고, 저속 회전으로 한 후, 히터를 오프한 종래의 공정에 있어서의 웨이퍼 온도(In), 회전수 및 오프셋 온도(Out-In)의 시간 경과에 따른 변화를 나타낸다. 도 3에 도시된 본 실시형태에 비하여, 웨이퍼 중심부의 온도 변화는 동일함에도 불구하고, 히터 오프 직후의 외주 온도의 저하가 커져, 오프셋 밸런스가 크게 무너지고 있는 것을 알 수 있다.
그 이유는 이하와 같이 고려될 수 있다. 고속 회전의 경우(예컨대 600 rpm), 도 5에 모식도를 도시한 바와 같이, 퍼지 가스(51)는 웨이퍼(w)에 끌어 당겨지고, 웨이퍼(w) 상에서 층류(層流) 상태로 된 후, 주연부로부터 배출되기 때문에, 온도 분포가 균일해지고, 오프셋 밸런스가 유지된다. 그러나, 저속 회전의 경우(예컨대 100 rpm), 도 6에 모식도를 도시한 바와 같이, 웨이퍼(w)에 퍼지 가스(61)가 끌어 당겨지지 않고, 주연부로부터 아래쪽으로 배출되어 버리기 때문에, 주연부의 온도가 저하(오프셋 온도가 저하)되어 버린다.
또한, 이러한 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 회전수는, 웨이퍼의 직경, 성막 온도 등에 따라 변동되지만, 대개 성막시의 회전수의 50% 이상으로 하면 좋다.
한편, 고속 회전시에는, 온도 변화에 의한 오프셋 밸런스에의 영향이 커서, 웨이퍼가 어긋나기 쉽게 된다. 그래서, 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 범위에서 회전수를 낮추고 나서, 히터를 오프하면, 오프셋 밸런스에의 영향을 억제할 수 있다. 이때, 히터를 오프하고 나서 실제로 온도가 저하될 때까지, 어느 정도 회전수가 낮아지기 때문에, 히터 오프의 타이밍은 회전수의 강하 시작과 동시여도 좋다.
그리고, 적어도 100℃ 내려갈 때까지(예컨대 800℃가 될 때까지), 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 회전수(예컨대 600 rpm)를 유지한 채 강온시킴으로써, 오프셋 밸런스를 무너뜨리지 않고, 웨이퍼를 강온시킬 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 오프셋 밸런스를 무너뜨리지 않고, 웨이퍼를 강온시킬 수 있기 때문에, 슬립의 발생을 억제하고, 웨이퍼에 에피택셜막 등의 막을 높은 품질로 또한 높은 생산성으로 안정되게 형성할 수 있게 된다. 그리고, 웨이퍼의 수율 향상과 아울러, 소자 형성 공정 및 소자 분리 공정을 거쳐 형성되는 반도체 장치의 수율 향상, 소자 특성의 안정 등의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있게 된다. 특히 N형 베이스 영역, P형 베이스 영역이나, 절연 분리 영역 등에 40 ㎛ 이상의 후막(厚膜) 성장이 필요한, 파워 MOSFET나 IGBT 등의 파워 반도체 장치의 에피택셜 형성 공정에 적용됨으로써, 양호한 소자 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, Si 단결정층(에피택셜막) 형성의 경우를 설명하였지만, 본 실시형태는, 폴리Si층, SiC 단결정층 형성시에도 적용할 수 있다. 또한, 예컨대 SiO2막이나 Si3N4막 등 Si막 이외의 성막이나, 예컨대 GaAs층, GaAlAs나 InGaAs 등 화합물 반도체 등에 있어서도 적용할 수 있다. 기타 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
11 : 반응실 11a : 석영 커버
12 : 프로세스 가스 공급 기구 12a : 가스 공급구
13 : 가스 배출 기구 13a : 가스 배출구
14 : 정류판 15 : 서셉터
16 : 링 17 : 회전 구동 제어 기구
18a : 인 히터 18b : 아웃 히터
19 : 온도 제어 기구 20 : 리플렉터
21 : 푸시업핀 51, 61 : 퍼지 가스

Claims (5)

  1. 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하는 단계;
    상기 웨이퍼의 표면에, 소스 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하며, 상기 웨이퍼를 제1 회전수로 회전시키면서, 히터의 출력을 제어하여 정해진 온도로 가열함으로써, 상기 웨이퍼의 표면에 성막을 행하는 단계;
    상기 소스 가스의 공급을 정지하는 단계;
    상기 웨이퍼의 회전수를, 상기 웨이퍼의 오프셋 밸런스를 유지할 수 있는 상기 제1 회전수의 50% 이상의 제2 회전수로 강하시키고, 상기 히터의 출력을 정지시키는 단계; 및
    상기 제2 회전수로 회전시키면서 상기 웨이퍼를 강온시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 상기 정해진 온도보다 100℃ 내려갈 때까지 상기 제2 회전수로 회전시키는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼를 강온시킬 때, 상기 웨이퍼의 표면에 H2 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성막에 의해 상기 웨이퍼 상에 40 ㎛ 이상의 막이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
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