KR101391883B1 - 반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법 - Google Patents

반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법 Download PDF

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마사히코 이토
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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 생산성을 저하시키지 않고, 반응실 내의 퇴적물을 억제 혹은 효과적으로 제거하며, 수율의 향상을 도모할 수 있는 반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 반도체 제조 장치는, 웨이퍼(w)가 성막 처리되는 반응실(11)과, 반응실(11)의 상부에 설치되고, 프로세스 가스를 반응실(11)의 내부로 도입하는 프로세스 가스 공급 기구(12)와, 반응실(11)의 하부에 설치되며, 반응실(11)로부터 가스를 배출하는 가스 배출 기구(13)와, 웨이퍼(w)를 유지하는 지지 부재와, 지지 부재(15)의 외주에 설치되고, 지지 부재(15)의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 클리닝 가스를 분출하는 클리닝 가스 공급 기구(22)와, 웨이퍼(w)를 가열하는 히터(18a, 18b)와, 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 구동 제어 기구(17)를 포함한다.

Description

반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법{SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS, SEMICONDUCTOR MANUFACTURING METHOD AND METHOD FOR CLEANING SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은, 예컨대 반도체 웨이퍼의 이면에서 가열하면서 표면에 반응 가스를 공급하여 성막을 행하기 위해 이용되는 반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 저가격화, 고성능화의 요구에 따라, 성막 공정에 있어서 높은 생산성과 함께 고품질화가 요구되고 있다.
예컨대, 위쪽으로부터 프로세스 가스를 공급하고, 웨이퍼 이면측을 가열하면서 회전시켜 에피택셜 성장을 행하는 반도체 제조 장치에 있어서, 잉여의 프로세스 가스, 반응 부생성물은, 웨이퍼 단부로부터 아래쪽으로 배출된다. 그러나, 반응 부생성물이, 반응실 내 및 펌프 등의 배기계에서 퇴적되어 더스트를 발생시키거나, 배기계의 막힘을 일으키는 등에 의해 수율이 저하되는 등의 문제를 야기한다.
그래서, 반응실 내의 퇴적물을, 정기적으로 클리닝 가스를 이용하여 제거할 필요가 있다(예컨대, 특허문헌 1 등을 참조). 그러나, 일단 장치를 멈추어 클리닝을 행함으로써, 생산성이 크게 저하되어 버린다. 또한, 그 때, 특히, SiC막의 성막 공정에 있어서, 클리닝 가스로서, ClF3 가스 등의 반응성이 높은 가스를 이용할 필요가 있고, 이것과 폭발적으로 반응하는 H2 가스를 완전히 배출하는 등, 안전에 대한 배려가 필요하게 된다.
일본 특허 공개 제2007-67422호 공보
그래서, 본 발명은, 생산성을 저하시키지 않고, 반응실 내의 퇴적물을 억제 혹은 효과적으로 제거하고, 수율의 향상을 도모할 수 있는 반도체 제조 장치, 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장치의 클리닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 일 양태인 반도체 제조 장치는, 웨이퍼가 성막 처리되는 반응실과, 반응실의 상부에 설치되고, 프로세스 가스를 반응실의 내부로 도입하는 프로세스 가스 공급 기구와, 반응실의 하부에 설치되며, 반응실로부터 가스를 배출하는 가스 배출 기구와, 웨이퍼를 유지하는 지지 부재와, 지지 부재의 외주에 설치되고, 지지 부재의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 클리닝 가스를 분출하는 클리닝 가스 공급 기구와, 웨이퍼를 가열하는 히터와, 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 구동 기구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 장치에 있어서, 클리닝 가스 공급 기구는, 반응실의 아래쪽으로부터 클리닝 가스를 공급하는 공급 유닛과, 클리닝 가스를 분출하는 분출구와, 공급 유닛으로부터 분출구까지의 유로를 갖는 공급 링을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 제조 방법은, 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하고, 웨이퍼의 표면에 프로세스 가스를 공급하며, 웨이퍼를 회전시키면서 가열하여 웨이퍼의 표면에 성막하고, 잉여의 프로세스 가스 및 반응 부생성물을, 웨이퍼의 외주로부터 아래쪽으로 배출하며, 지지 부재의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 클리닝 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 양태인 반도체 제조 방법에 있어서, 클리닝 가스는, HCl 가스를 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 양태인 반도체 제조 장치의 클리닝 방법은, 클리닝 가스를, 웨이퍼가 성막 처리되는 반응실의 상부로부터 공급하고, 상기 웨이퍼를 지지하는 상기 지지 부재의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 공급하여, 상기 반응실 내의 퇴적물을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 제조 공정에 있어서, 생산성을 저하시키지 않고, 반응실 내의 퇴적물을 억제 혹은 효과적으로 제거하여 수율의 향상을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 성막 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 클리닝 가스의 분출 상태를 나타낸 부분 단면 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 클리닝 가스의 분출 방향을 나타낸 부분 단면 확대도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1에 본 실시형태의 반도체 제조 장치인 성막 장치의 단면도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 예컨대 Φ150 ㎜의 SiC 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 설치되어 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.
링(16)의 외주측에는 클리닝 가스를 공급하기 위한 공급 링(22)이 배치되어 있다. 공급 링(22)의 외주측에는 클리닝 가스를 분출하기 위해서, 등간격으로 복수의 개구부(22a)가 마련되어 있다. 이 개구부(22a)는, 웨이퍼(w) 외주로부터의 배출 가스를 저해하지 않도록 서셉터(15)의 상단보다 아래쪽에 마련되어 있다. 공급 링(22) 내에는 가스 유로(22b)가 마련되어 있다. 가스 유로(22b)에는 예컨대 2지점에 도입구(22c)가 마련되어 있고, 가스 플로우 미터(도시하지 않음) 등을 갖는 공급 유닛(23)이 접속되어 있다.
이러한 반도체 제조 장치를 이용하여, 웨이퍼(w) 상에 SiC 에피택셜막이 형성된다.
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.
그리고, 인 히터(18a), 아웃 히터(18b)를 각각 온도 제어 기구(19)에 의해 소정의 온도로 함으로써, 웨이퍼(w)가 예컨대 1650℃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, 몰비로 3:1이 되도록 혼합된 실란 가스(SiH4), 프로판 가스(C3H8)가, 아르곤 가스(Ar)에 의해 소정의 농도로 희석되어, 예컨대 50 SLM(Standard Liters per Minute)으로 공급된다.
한편, 잉여의 프로세스 가스, 반응 부생성물인 H2 등으로 이루어진 배출 가스는, 석영 커버(11a)와 서셉터(15)의 사이에서 아래쪽으로 배출된다. 또한, 석영 커버(11a)를 마련하지 않는 경우, 반응실(11)과 서셉터(15)의 사이에서 배출된다.
동시에, 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대 염화수소 가스(HCl)와, 희석 가스인 아르곤 가스(Ar)의 혼합 가스로 이루어진 클리닝 가스가, 클리닝 가스 공급 유닛(23)으로부터 도입된다. 그리고, 공급 링(22)의 도입구(22c), 가스 유로(22b)를 거쳐 개구부(22a)로부터 외주 방향으로 분출된다(가스 흐름 s). 이 때, 클리닝 가스의 유량은, 배출 가스 흐름 t에 영향을 주지 않기 위해, 전체 배출량의 10 vol% 이하가 되도록 조정되어 있다.
통상, 600℃∼700℃ 정도에서 소스 가스인 실란 가스(SiH4)는 분해되기 때문에, 미반응의 실란 가스(SiH4)는, 비교적 저온의 웨이퍼 주변부 등에서도 열분해된다. 그리고, 열분해된 Si나, 다른 반응 부생성물이, 저온의 배기계[반응실(11)의 하부 내벽, 가스 배출구(13a), 가스 배출 기구의 펌프 등]에서 퇴적되어 버린다.
그러나, 전술한 바와 같이, 웨이퍼(w)의 외주 아래쪽에서 클리닝 가스를 공급함으로써 Si가, HCl 등과 반응하여 가스화하기 때문에, 배기계에의 퇴적을 억제할 수 있다.
또한, 잉여의 클리닝 가스, 가스화한 Si(SiCl4, SiH2Cl2, SiHCl3 등)를 첨가한 배출 가스는, 가스 배출구(13a)로부터 가스 배출 기구(13)를 통해 배출되며, 반응실(11) 내의 압력이 일정(예컨대, 상압)하게 제어된다.
이와 같이 하여, 웨이퍼(w) 상에 SiC 에피택셜막을 성장시킨다.
이와 같이, 성막시에, 웨이퍼(w)의 외주 아래쪽에서, 클리닝 가스를 분출시킴으로써, 성막 장치를 정지시키지 않고도, 배기계에의 퇴적을 억제할 수 있다. 따라서, 생산성을 저하시키지 않고, 퇴적물에 의한 파티클의 발생을 억제하며, 펌프 등의 막힘을 억제하여, 반응실 내의 압력을 고정밀도로 제어할 수 있게 되어, 수율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
(실시형태 2)
본 실시형태에 있어서, 실시형태 1과 동일한 반도체 제조 장치가 이용되지만, 반응실의 클리닝 중에, 웨이퍼(w)의 외주 아래쪽에서 클리닝 가스를 분출시키는 점에서 실시형태 1과 상이하다.
실시형태 1과 같이, 성막시에, 웨이퍼(w)의 외주 아래쪽에서 클리닝 가스를 분출시킴으로써, 성막 장치를 정지시키지 않고도, 배기계에의 Si의 퇴적을 억제할 수 있다. 그러나, 웨이퍼(w)와 거의 동일한 온도가 되는 서셉터 등에는 웨이퍼(w) 상과 마찬가지로 SiC가 퇴적된다. 또한, 배기계에서도, HCl 등으로 제거할 수 없는 SiC나, Si, C를 포함하는 반응 부생성물이 퇴적된다. 그리고, 퇴적물을 제거하기 위해서 반응실의 클리닝이 행해진다.
통상, 반응실의 클리닝은, 프로세스 가스와 마찬가지로 클리닝 가스를 공급함으로써 행해지지만, 본 실시형태에 있어서는, 위쪽의 가스 공급구(12a)로부터 뿐만 아니라, 공급 링(22)의 개구부(22a)로부터 예컨대 ClF3 가스를 공급한다.
이 때, 성막은 행해지고 있지 않기 때문에, 개구부(22a)로부터의 가스 분출은, 배출 가스 흐름에 미치는 영향은 고려할 필요는 없고, 성막시의 분출보다 유량을 늘릴 수 있어, 예컨대 전체 배출량의 10 vol% 이상으로 할 수 있어, 보다 효과적으로 퇴적물을 제거할 수 있다.
이와 같이, 클리닝시에, 웨이퍼(w)의 외주 아래쪽에서, 클리닝 가스를 분출시킴으로써, 배기계에의 퇴적물을 보다 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 퇴적물에 의한 파티클의 발생을 억제하고, 펌프 등의 막힘을 억제하여, 반응실 내의 압력을 고정밀도로 제어하는 것이 가능해져, 수율의 향상을 도모할 수 있게 된다.
이들 실시형태에서는, 공급 링에 있어서 클리닝 가스를 분출시키는 개구부는, 등간격으로 복수 마련되어 있지만, 수평 방향으로 연속된 슬릿형이어도 좋다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 공급 링(32)의 개구부(32a)로부터의 분사 방향은, 분기부(32d) 등을 마련함으로써, 소정 방향으로 할 수 있다. 이 경우, 분사 방향은, 수평으로부터 아래쪽으로 45°까지의 범위이면 좋다.
또한, 클리닝 가스의 희석 가스로서, 아르곤 가스(Ar)를 이용하고 있지만, 프로세스 가스의 희석 가스와 동일한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 프로세스 가스에 수소 가스(H2)를 이용할 때에는, 클리닝 가스에도 수소 가스(H2)를 이용하는 것이 바람직하다.
이들 실시형태에 따르면, 반도체 웨이퍼(w)에 SiC 에피택셜막 등의 막을 높은 생산성으로 형성하는 것이 가능해진다. 그리고, 웨이퍼의 수율 향상과 함께, 파워 반도체, 광 반도체 등의 에피택셜 형성 공정에 적용됨으로써, 양호한 소자 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, SiC 단결정층(에피택셜막) 형성의 경우를 설명하였지만, 본 실시형태는, Si 단결정층, 폴리 Si층 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 22, 32 : 공급 링
22a, 32a : 개구부 22b : 가스 유로
22c : 도입구 23 : 공급 유닛
32d : 분기부

Claims (7)

  1. 웨이퍼가 성막 처리되는 반응실과,
    상기 반응실의 상부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 표면에 공급되는 프로세스 가스를 상기 반응실의 내부로 도입하는 프로세스 가스 공급 기구와,
    상기 반응실의 하부에 설치되고, 상기 반응실로부터 가스를 배출하는 가스 배출 기구와,
    상기 웨이퍼를 유지하는 지지 부재와,
    상기 지지 부재의 외주에 설치되고, 상기 웨이퍼의 표면에 공급되어 잉여가 되어 상기 웨이퍼의 외주로부터 배출되는 상기 프로세스 가스가 열분해된 반응 부생성물이 배기계 내에 퇴적되는 것을 억제하기 위해, 상기 지지 부재의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 상기 반응 부생성물과 반응하여 가스화하는 클리닝 가스를 분출하는 클리닝 가스 공급 기구와,
    상기 웨이퍼를 가열하는 히터와,
    상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 구동 기구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 클리닝 가스 공급 기구는,
    상기 반응실의 아래쪽으로부터 상기 클리닝 가스를 공급하는 공급 유닛과,
    상기 클리닝 가스를 분출하는 분출구와,
    상기 공급 유닛으로부터 상기 분출구까지의 유로를 갖는 공급 링
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  3. 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하는 단계와,
    상기 웨이퍼의 표면에, 프로세스 가스를 공급하는 단계와,
    상기 웨이퍼를 회전시키면서 가열하여 상기 웨이퍼의 표면에 성막하는 단계와,
    상기 웨이퍼의 표면에 공급되어 잉여가 되어 상기 웨이퍼의 외주로부터 배출되는 상기 프로세스 가스가 열분해된 반응 부생성물이 배기계 내에 퇴적되는 것을 억제하기 위해 상기 지지 부재의 상단보다 아래쪽에서, 외주 방향으로 상기 반응 부생성물과 반응하여 가스화하는 클리닝 가스를 공급하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 클리닝 가스는, HCl 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 웨이퍼가 성막 처리되는 반응실과,
    상기 반응실의 상부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 표면에 공급되는 프로세스 가스를 상기 반응실의 내부로 도입하는 프로세스 가스 공급 기구와,
    상기 반응실의 하부에 설치되고, 상기 반응실로부터 가스를 배출하는 가스 배출 기구와,
    상기 웨이퍼를 유지하는 지지 부재와,
    상기 웨이퍼의 표면에 공급되어 잉여가 되어 상기 웨이퍼의 외주로부터 배출되는 상기 프로세스 가스가 열분해된 반응 부생성물이 배기계 내에 퇴적되는 것을 억제하기 위해서, 상기 지지 부재의 외주에서 상기 지지 부재의 상단보다 아래쪽의 위치로부터만 외주 방향으로 상기 반응 부생성물과 반응하여 가스화하는 클리닝 가스를 분출하는 클리닝 가스 공급 기구와,
    상기 웨이퍼를 가열하는 히터와,
    상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 구동 기구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  7. 반응실 내로 웨이퍼를 반입하여 지지 부재 상에 배치하는 단계와,
    상기 웨이퍼의 표면에, 프로세스 가스를 공급하는 단계와,
    상기 웨이퍼를 회전시키면서 가열하여 상기 웨이퍼의 표면에 성막하는 단계와,
    상기 웨이퍼의 표면에 공급되어 잉여가 되어 상기 웨이퍼의 외주로부터 배출되는 상기 프로세스 가스가 열분해된 반응 부생성물이 배기계 내에 퇴적되는 것을 억제하기 위하여, 상기 지지 부재의 상단보다 아래쪽의 위치로부터만, 외주 방향으로 상기 반응 부생성물과 반응하여 가스화하는 클리닝 가스를 공급하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
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