KR101422555B1 - 기상 성장 방법 및 기상 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거할 시, 에칭 종점을 정확하게 검출하고, 반응실 내의 데미지를 억제하여, 수율, 생산성을 향상시키는 것이 가능한 기상 성장 방법 및 기상 성장 장치를 제공한다. 반응실 내로 웨이퍼를 도입하여 지지부 상에 재치하고, 지지부의 하방에 설치된 히터에 의해 가열하고, 웨이퍼가 소정 온도가 되도록 히터의 출력을 제어하고, 웨이퍼를 회전시키고, 웨이퍼 상으로 프로세스 가스를 공급함으로써 웨이퍼 상에 성막하고, 반응실로부터 웨이퍼를 반출하고, 반응실 내로 에칭 가스를 공급하여, 반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거하고, 히터의 출력이 소정량으로 제어될 때의 지지부 상의 온도인 제 1 온도의 변동, 또는 제 1 온도가 소정 온도가 되도록 제어되는 히터의 출력의 변동에 기초하여 에칭 종점을 검출한다.

Description

기상 성장 방법 및 기상 성장 장치{VAPOR PHASE GROWING METHOD AND VAPOR PHASE GROWING APPARATUS}
본 발명은, 예를 들면 반도체 웨이퍼의 이면으로부터 가열하면서 표면으로 반응 가스를 공급하여 성막을 행하기 위하여 이용되는 기상 성장 방법 및 기상 성장 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 저가격화, 고성능화의 요구에 수반하여, 성막 공정에서의 높은 생산성과 함께, 막 두께 균일성의 향상 등 고품질화가 요구되고 있다.
이러한 요구를 충족시키기 위하여, 매엽식의 기상 성장 장치가 이용되고 있다. 매엽식의 기상 성장 장치에서는, 예를 들면, 반응실 내에서 웨이퍼를 900 rpm 이상으로 고속 회전시키면서, 프로세스 가스를 공급하고, 히터를 이용하여 이면으로부터 가열하는 이면 가열 방식에 의해 웨이퍼 상에 성막이 행해진다.
이러한 성막 공정에서, 웨이퍼 상뿐 아니라, 웨이퍼의 지지 부재인 홀더 상에도 반응 생성물이 퇴적된다. 그리고, 반응실 내에 반응 생성물의 더스트가 비산하여 웨이퍼를 오염시켜, 수율이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 반응실 내가 정기적으로 에칭되어, 퇴적된 반응 생성물이 제거된다.
특허 문헌 1: 일본특허공개공보 평 11-67675 호
반응실 내의 에칭은, 예를 들면 홀더 상에 100 ~ 수 100μm 의 반응 생성물이 퇴적되는 등, 반응실 내의 상황을 고려한 다음 정기적으로 행해진다. 이 때, 통상, 반응실 내를 강온(降溫)시키고, 성막 처리된 웨이퍼를 반출하고, 반응실 내를 승온시킨 후, 에칭 가스가 도입된다.
그리고, 에칭 가스의 도입으로부터 목시(目視)로 반응 생성물이 제거되어 홀더 상의 색이 변할 때까지의 시간이 구해지고, 이에 확실히 반응 생성물을 제거하기 위한 오버 에칭의 시간을 더한 시간이, 미리 에칭 시간으로서 개산된다.
그러나, 목시로의 종점 검출로는 반드시 정확하다고는 할 수 없고, 반응실 내의 상황이 빈번하게 변화하는 환경에서는, 그 때마다 시간의 개산이 필요하게 된다. 또한, 오버 에칭에 의해, 예를 들면 SiC로 이루어지는 홀더가 에칭에 의한 데미지를 받는다는 문제가 있다. 또한, 생산성 향상의 관점으로부터 에칭 시간의 단축이 요구되고 있다.
따라서 본 발명은, 반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거할 시, 에칭 종점을 정확하게 검출하고, 반응실 내의 데미지를 억제하여, 수율, 생산성을 향상시키는 것이 가능한 기상 성장 방법 및 기상 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 기상 성장 방법은, 반응실 내로 웨이퍼를 도입하여 지지부 상에 재치(載置)하고, 지지부의 하방에 설치된 히터에 의해 가열하여, 웨이퍼가 소정 온도가 되도록 히터의 출력을 제어하고, 웨이퍼를 회전시키고, 웨이퍼 상으로 프로세스 가스를 공급함으로써 웨이퍼 상에 성막하고, 반응실로부터 상기 웨이퍼를 반출하고, 반응실 내로 에칭 가스를 공급하여, 반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거하고, 히터의 출력이 소정량으로 제어될 때의 지지부 상의 온도인 제 1 온도의 변동, 또는 제 1 온도가 소정 온도가 되도록 제어되는 히터의 출력의 변동에 기초하여 에칭 종점을 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일태양의 기상 성장 방법에 있어서, 성막 시에, 웨이퍼의 온도인 제 2 온도를 검출하고, 제 2 온도에 기초하여 상기 히터의 출력을 제어하고, 성막이 종료된 후, 검출되는 온도를 제 1 온도로 전환하고, 제 1 온도에 기초하여 히터의 출력을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일태양의 기상 성장 방법에 있어서, 반응실을 승온시키면서 에칭 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일태양의 기상 성장 방법에 있어서, 에칭 종점은, 반응 생성물이 제거되어 상기 지지부가 노출될 때의 상기 제 1 온도 또는 상기 히터의 출력의 변동에 의해 검출되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일태양의 기상 성장 장치는, 웨이퍼가 도입되는 반응실과, 반응실로 프로세스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와, 반응실로부터 가스를 배출하기 위한 가스 배출부와, 웨이퍼를 재치하는 지지부와, 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 제어부와, 반응실을 소정의 온도로 가열하기 위한 히터와, 웨이퍼의 온도를 검출하기 위한 제 1 온도 검출부와, 지지부의 온도를 검출하기 위한 제 2 온도 검출부와, 제 2 온도 검출부에서 검출된 온도의 변동, 또는 제 1 온도에 기초하여 제어되는 히터의 출력의 변동에 기초하여 에칭 종점을 검출하는 에칭 종점 검출 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거할 시, 에칭 종점을 정확하게 검출하고, 반응실 내의 데미지를 억제하여, 수율, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일태양에 따른 기상 성장 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일태양에 따른 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일태양에 따른 홀더 상의 반응 생성물의 퇴적을 도시한 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일태양에 따른 온도와 시간의 관계를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일태양에 따른 히터 출력과 시간의 관계를 나타낸 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일태양에 따른 온도와 시간의 관계를 나타낸 부분 확대도이다.
이하에, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
(실시예 1)
도 1에 본 실시예의 기상 성장 장치의 단면도를 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(w)가 성막 처리되는 반응실(11)에는 필요에 따라 그 내벽을 덮도록 석영 커버(11a)가 설치되어 있다.
반응실(11)의 상부에는, 소스 가스, 캐리어 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(12)와 접속된 가스 공급구(12a)가 형성되어 있다. 그리고 반응실(11) 하방에는, 예를 들면 2 개소에, 가스를 배출하고, 반응실(11) 내의 압력을 일정(예를 들면, 상압)하게 제어하기 위한 가스 배출부(13)와 접속된 가스 배출구(13a)가 설치되어 있다.
가스 공급구(12a)의 하방에는, 공급된 프로세스 가스를 정류하여 공급하기 위한 미세 관통홀을 가지는 정류판(14)이 설치되어 있다.
그리고 정류판(14)의 하방에는, 웨이퍼(w)를 재치하기 위한 지지부인, 예를 들면 SiC로 이루어지는 환상(環狀)의 홀더(15)가 설치되어 있다. 홀더(15)는, 회전 부재인 링(16) 상에 설치되어 있다. 링(16)은, 웨이퍼(w)를 소정의 회전 속도로 회전시키는 회전축을 개재하여, 모터 등으로 구성되는 회전 제어부(17)와 접속되어 있다.
링(16) 내부에는, 웨이퍼(w)를 가열하기 위한, 예를 들면 SiC로 이루어지는 인 히터(18), 아웃 히터(19)로 구성되는 히터가 설치되어 있고, 각각 소정의 승강 온도로 소정의 온도가 되도록 제어하는 온도 제어부(20)와 접속되어 있다. 그리고, 이들 인 히터(18), 아웃 히터(19)로부터 하방으로의 열을 반사하고, 웨이퍼(w)를 효율적으로 가열하기 위한 원반(圓盤) 형상의 리플렉터(21)가 설치되어 있다. 또한, 인 히터(18) 및 리플렉터(21)를 관통하도록, 웨이퍼(w)의 하면을 지지하고, 웨이퍼(w)를 상하로 이동시키는 압상 핀(22)이 설치되어 있다.
반응실(11)의 상부에는, 웨이퍼(w)의 중심부 및 주연부와, 홀더(15)의 온도 분포를 검출하기 위한 온도 검출부인 방사 온도계(23a, 23b, 23c)가 설치되어 있고, 온도 제어부(20)와 접속되어 있다.
이러한 기상 성장 장치를 이용하여, 예를 들면 φ200 mm의 웨이퍼(w) 상에 Si 에피택셜막이 형성된다.
도 2에 순서도를 나타낸다. 우선, 로봇 핸드(도시하지 않음) 등에 의해, 반응실(11)로 웨이퍼(w)를 반입하고, 압상 핀(도시하지 않음) 상에 재치하고, 압상 핀을 하강시킴으로써, 홀더(15) 상에 재치한다(단계 1).
그리고, 각각 온도 제어부(20)에 의해 방사 온도계(23a, 23b)로 측정되는 웨이퍼(w)의 온도가 예를 들면 1100℃가 되도록, 인 히터(18), 아웃 히터(19)를 예를 들면 1500 ~ 1600℃가 되도록 히터 출력을 제어하여 가열하고, 또한 회전 제어부(17)에 의해 웨이퍼(w)를, 예를 들면 900 rpm으로 회전시킨다(단계 2).
그리고, 가스 공급 제어부(12)에 의해 유량이 제어되어 혼합된 프로세스 가스가, 정류판(14)을 거쳐 정류 상태로 웨이퍼(w) 상에 공급된다. 프로세스 가스는, 예를 들면 소스 가스로서 디클로로 실란(SiH2Cl2)이, 예를 들면 H2 가스 등의 희석 가스에 의해 소정의 농도(예를 들면, 2.5%)로 희석되고, 예를 들면 50 SLM으로 공급된다.
한편, 잉여가 된 프로세스 가스, 반응 부생성물 등으로 이루어지는 배출 가스는, 가스 배출구(13a)로부터 가스 배출부(13)를 거쳐 배출되고, 반응실(11) 내의 압력이 일정(예를 들면, 상압)하게 제어된다.
이와 같이 하여, 웨이퍼(w) 상에 소정의 막 두께의 Si 에피택셜막이 형성된다(단계 3). 그리고, 반응실(11)을 예를 들면 800℃까지 강온시킨 후, 반응실(11)로부터 웨이퍼(w)가 반출된다(단계 4).
이와 같이, 성막이 반복됨으로써, 홀더(15) 상에는 도 3에 부분 확대도를 도시한 바와 같이 반응 생성물(24)이 퇴적된다. 거기서, 반응 생성물(24)이 소정 두께, 예를 들면 100 ~ 수 100μm 정도 퇴적되었다고 판단된 시점에서, 반응 생성물(24)을 에칭에 의해 제거한다.
우선, 예를 들면 SiC로 이루어지는 더미 웨이퍼(wd)를 반응실(11) 내로 반입하고, 홀더(15) 상에 재치한다(단계 5). 그리고, 검출되는 온도를, 방사 온도계(23a, 23b)로 측정되는 웨이퍼(w)의 온도로부터, 방사 온도계(23c)로 측정되는 홀더(15)의 온도로 전환한다(단계 6). 에칭 가스로서 HCl이, 예를 들면 H2 가스 등의 희석 가스에 의해 소정의 농도로 희석되어 공급된다(단계 7). 예를 들면, 도 4에 온도와 시간의 관계를 나타낸 바와 같이, 에칭 가스를 3 분간 플로우시킨 후, 에칭 가스를 흘리면서, 방사 온도계(23c)로 측정되는 홀더의 온도를, 예를 들면 100℃/min 정도로 상승시키도록, 온도 제어부(20)에 의해 인 히터(18), 아웃 히터(19)의 히터 출력을 제어하여, 예를 들면 1150℃까지 승온시킨다(단계 8).
이와 같이 하여, 홀더(15) 상에 퇴적된 반응 생성물이 에칭에 의해 제거되는데, 홀더(15)가 노출될 시, 소정의 온도로 제어하기 위한 히터 출력이, 예를 들면 도 5에 히터 출력과 시간의 관계의 부분 확대도를 나타낸 바와 같이, 특유의 형태(예를 들면, 일정, 혹은 리니어로 변동하고 있던 출력이, 일단 급하강하고 급상승함)로 변화한다. 거기서, 온도 제어부(20)에서, 상술한 특유의 형태가 되는 히터 출력 변동을 검출하고(단계 9), 에칭 종점으로 한다. 이 후, 반응실(11)을 강온시키고, 더미(wd)를 반출한다(단계 10).
이러한 특유의 형태는, 홀더(15) 상에 퇴적된 반응 생성물이 제거될 시, 방사 온도계(23c)에 의해 검출되는 홀더(15)의 온도(검출되는 파장 강도)가 변동하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다. 이 때, 보다 온도 변동을 정확히 검출하기 위하여, 방사 온도계로서, 상이한 파장의 강도비로 온도를 검출하는 이색 온도계를 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 홀더 상에 퇴적된 반응 생성물이 제거될 시 검출되는 홀더의 온도 변동에 의해, 에칭 종점이 정확하게 검출되기 때문에, 오버 에칭에 의한 반응실 내의 데미지를 억제하는 것이 가능해지고, 또한 에칭 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 따라서, 반응실 내의 반응 생성물이 확실히 제거되기 때문에 수율을 향상시킬 수 있고, 반응실 내의 데미지 억제에 의해 메인터넌스(maintenance) 빈도를 저하시키키고, 또한 에칭 시간의 단축에 의해 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에서 히터 출력 변동을 검출하고 있지만, 도 6에 온도와 시간의 관계의 부분 확대도를 나타낸 바와 같이, 히터 출력을 단계적으로 올리는, 또는 일정하게 하여 온도 변동 자체를 검출해도 된다.
또한, 본 실시예에서 종래와 같이, 반응실(11) 내를 소정 온도까지 승온시킨 후에 에칭 가스를 흘리는 것이 아니라, 승온시키면서 에칭 가스를 흘림으로써, 에칭 시간을 단축시킬 수 있다. 이는, 에칭 레이트(etching rate)는 승온에 수반하여 증대하지만, 승온 도중에 포화된다고 생각할 수 있다. 이 때문에, 승온시키면서 에칭 가스를 흘려도, 어느 정도의 에칭 레이트가 얻어진다는 점에서, 전체 에칭 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 승온시키면서의 에칭에서는, 에칭 레이트가 변동하기 때문에, 미리 에칭 종점에 도달하는 시간을 정확하게 예측하는 것은 곤란하지만, 본 실시예에서는 종점에 도달한 것이 검출되기 때문에, 에칭 레이트가 변동해도 문제가 없다.
또한, 본 실시예에서는 환상의 홀더(15)를 이용하고, 에칭 시에는 홀더(15) 상에 더미 웨이퍼(wd)를 재치했지만, 지지부로서 원판(圓板) 형상의 서셉터를 이용할 경우에는, 더미 웨이퍼(wd)를 재치할 필요는 없다.
이들 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼(w)에 에피택셜막 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, N 형에 베이스 영역, P 형 베이스 영역, 또는 절연 분리 영역 등에 100 μm 이상의 후막(厚膜) 성장이 필요한, 파워 MOSFET 또는 IGBT 등의 파워 반도체 장치의 에피택셜 형성 공정에 적용됨으로써, 양호한 소자 특성을 얻는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, Si 에피택셜막 형성의 경우를 예로 들었지만, 이 외에 SiC, GaN, GaAlAs 또는 InGaAs 등 화합물 반도체의 에피택셜층, 또는 폴리 Si층, 예를 들면 SiO2 층 또는 Si3N4층 등의 절연층의 형성 시에도 동일하게 적용하는 것도 가능하다. 또한, 본 실시예는 예를 들면 이 외의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
11 : 반응실
11a : 석영 커버
12 : 가스 공급부
12a : 가스 공급구
13 : 가스 배출부
13a : 가스 배출구
14 : 정류판
15 : 홀더
16 : 링
17 : 회전 제어부
18 : 인 히터
19 : 아웃 히터
20 : 온도 제어부
21 : 리플렉터
22 : 압상 핀
23a, 23b, 23c : 방사 온도계
24 : 반응 생성물

Claims (5)

  1. 반응실 내로 웨이퍼를 도입하여 지지부 상에 재치(載置)하고,
    상기 지지부의 하방에 설치된 히터에 의해 가열하고, 상기 웨이퍼가 소정 온도가 되도록 상기 히터의 출력을 제어하고,
    상기 웨이퍼를 회전시키고, 상기 웨이퍼 상으로 프로세스 가스를 공급함으로써 상기 웨이퍼 상에 성막하고,
    상기 반응실로부터 상기 웨이퍼를 반출하고,
    상기 반응실 내로 에칭 가스를 공급하여, 상기 반응실 내에 퇴적된 반응 생성물을 에칭에 의해 제거하고,
    상기 히터의 출력이 소정량으로 제어될 때의 상기 지지부 상의 온도인 제1 온도의 변동, 또는 상기 제1 온도가 소정 온도가 되도록 제어되는 상기 히터의 출력의 변동을 검출하고 상기 제1 온도의 변동 또는 상기 히터의 출력의 변동에 기초하여 에칭 종점을 검출하고,
    상기 에칭 종점은, 반응 생성물이 제거되어 상기 지지부가 노출될 때의 상기 제1 온도 또는 상기 히터의 출력의 변동에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    성막 시에, 상기 웨이퍼의 온도인 제2 온도를 검출하고,
    상기 제2 온도에 기초하여 상기 히터의 출력을 제어하고,
    상기 성막이 종료된 후, 검출되는 온도를 상기 제1 온도로 전환하고,
    상기 제1 온도에 기초하여 상기 히터의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응실을 승온시키면서 상기 에칭 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  4. 삭제
  5. 웨이퍼가 도입되는 반응실과,
    상기 반응실로 프로세스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와,
    상기 반응실로부터 가스를 배출하기 위한 가스 배출부와,
    상기 웨이퍼를 재치하는 지지부와,
    상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 제어부와,
    상기 반응실을 미리 설정된 온도로 가열하기 위한 히터와,
    상기 웨이퍼의 온도를 검출하기 위한 제1 온도 검출부와,
    상기 지지부의 온도를 검출하기 위한 제2 온도 검출부와,
    상기 제 2 온도 검출부에 의해 검출된 온도의 변동, 또는 상기 제 2 온도 검출부에 의하여 검출된 온도에 기초하여 제어되는 상기 히터의 출력의 변동에 기초하여 에칭 종점을 검출하는 에칭 종점 검출 기구
    를 구비하고,
    상기 에칭 종점은, 반응 생성물이 제거되어 상기 지지부가 노출될 때의 상기 제1 온도 또는 상기 히터의 출력의 변동에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
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