KR101526895B1 - 에피텍셜 성장방법 - Google Patents

Abstract

적어도 하부 돌출 형상의 상벽을 가지는 반응실 내에 단결정 기판을 배치하고 상기 반응실 내에 가스도입구로부터 원료가스 및 캐리어가스를 도입하여 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 매엽식 에피텍셜 성장방법으로서, 가스도입구로부터 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량에 따라 상기 반응실의 상벽의 곡율반경 및/또는 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 조정한 후에 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 에피텍셜 성장방법을 제공한다. 이에 의해, 예를 들면 에피텍셜 웨이퍼의 품질이나 생산성의 향상 등 캐리어가스의 유량의 정도에 따라 부여되는 효과를 얻을 수 있음과 동시에 막두께 형상을 붕괴하지 않고 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층할 수 있는 매엽식 에피텍셜 성장방법이 제공된다.

Description

에피텍셜 성장방법{EPITAXIAL GROWTH METHOD}

본 발명은 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 매엽식 에피텍셜 성장방법에 관한 것이다.

에피텍셜 성장기술은 바이폴라 트랜지스터나 MOSLSI 등의 집적회로의 제조에 사용되는 단결정 박막층을 기상성장시키는 기술이며, 청정한 반도체 단결정 기판 상에 기판의 결정방위에 맞춰 균일한 단결정 박막을 성장시키거나 도펀트 농도차가 큰 접합의 급격한 불순물 구배를 형성할 수 있기 때문에 매우 중요한 기술이다.

이와 같은 에피텍셜 성장을 행하기 위한 장치로는 종형(팬케이크형), 배럴형(실린더형), 횡형의 3종류가 일반적이다. 이들 성장장치의 기본적인 원리는 공통적이다. 이 성장장치는 단결정 기판을 재치하기 위한 서셉터를 내부에 구비한 반응실이나 반응실의 외부에 설치되는 할로겐램프 등으로 이루어진 가열수단 등을 구비하여 구성되어 있으며 종형 중에서 1장씩 처리하는 장치를 매엽식 에피텍셜 성장장치라 한다.

여기서, 이 매엽식 에피텍셜 성장장치에 대해 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 종래부터 사용되었던 일반적인 매엽식 에피텍셜 성장장치의 일 예를 나타낸 개략도이다.

이 매엽식 에피텍셜 성장장치(101)는 표면에 에피텍셜층이 적층되는 단결정 기판(102)이 내부에 배치되는 반응실(103)을 가지며, 이 반응실(103)에 원료가스·캐리어가스를 도입하기 위한 가스도입구(104)와 가스를 배출하는 가스배출구(105)가 설치되어 있다. 또한, 반응실(103) 내에는 단결정 기판(102)을 재치하는 서셉터(106)를 구비한다. 또한 반응실(103)의 상벽(107)은 석영유리로 이루어져 있다.

또한, 적어도 반응실(103)의 외부에는 단결정 기판(102)을 가열하는, 예를 들면 할로겐램프 등의 가열수단(108)을 구비하고 있다.

이 매엽식 에피텍셜 성장장치(101)를 이용하여 단결정 기판(102) 상에 에피텍셜층을 형성하는 경우는 서셉터(106)에 형성된 우묵한 부분에 단결정 기판(102)을 배치하고 서셉터(106)를 지지하는 지지축(109) 및 이를 회전(자전)시키는 도시하지 않은 회전기구에 의해 단결정 기판(102)을 회전시키면서 가열수단(108)으로 단결정 기판(102)을 소정의 온도로 가열한다. 또한, 반응실(103) 내에 예를 들면 실리콘 단결정층을 에피텍셜 성장시키는 것이면 수소 등의 캐리어가스로 희석한 트리클로로실란 등의 원료가스를 소정시간·소정유량으로 가스도입구(104)로부터 공급함으로써 행한다.

하지만 이와 같은 에피텍셜 성장장치(101)를 이용하여 에피텍셜 성장을 행하면 단결정 상에 적층되는 에피텍셜층의 막두께가 균등하지 않고 막두께 형상에 문제가 발생했었다.

이는 가스도입구(104)로부터 반응실(103) 내에 도입된 원료가스는 단결정 기판(102) 상을 통과할 때 에피텍셜층의 형성을 위해 소비되기 때문에 가스도입구(104)에서 가스배출구(105)의 방향을 향하여 원료가스의 농도가 저하하기 때문이라고 생각된다.

한편, 일본특표 2001-512901호 공보에는 도 8의 에피텍셜 성장장치(101)와는 달리 반응실의 상벽(107')이 평탄하지 않고 하부 돌출 형상으로 이루어진 에피텍셜 성장장치(101')를 사용하여 에피텍셜 성장하는 방법이 개시되어 있다. 도 9에 이 매엽식 에피텍셜 성장장치(101')의 일예가 나타나 있다.

이와 같은 에피텍셜 성장장치(101')와 같이 상벽(107')이 하부 돌출 형상으로 이루어진 반응실 내에 단결정 기판을 배치하여 에피텍셜 성장시킴으로써 반응실의 중앙부에서의 공간을 좁게 하고 에피텍셜 반응을 효과적으로 촉진시켜 이에 의해 에피텍셜층의 막두께의 균일화를 도모하는 것이 시도되고 있다.

하지만 이와 같은 에피텍셜 성장장치(101')를 사용해도 우수한 막두께 형상(막두께 분포)을 얻을 수 없는 경우가 발생하여 불충분하였다.

그러나, 막두께 분포에 가장 큰 영향을 미치는 것이 캐리어가스의 유량이며, 성장장치별로 최적의 캐리어가스 유량을 설정하는 것이 필요하다.

또한, 상기와 같이 막두께 형상은 반응실의 상벽으로부터도 영향을 받는다는 것이 알려져 있다. 또한, 이 반응실의 상벽은 개체차(個體差)가 크고 미시적으로 보면 다양한 형상을 하고 있다. 따라서, 동일 기종을 사용해도 반응실의 상벽의 개체차가 있기 때문에 각 성장장치의 막두께 형상에 대한 최적의 캐리어가스 유량은 다르다.

또한, 막두께 형상 이외의 에피텍셜 웨이퍼의 품질 등과 캐리어가스의 유량과의 관계에 대해서 설명하면 예를 들면 이면 할로나 이면 나노토폴로지의 품질을 우선시한 경우, 반응실에 도입되는 캐리어가스(예를 들면, 수소)의 유량을 크게 할 필요가 있다. 그 결과, 에피텍셜층에서 단결정 기판의 외연 부근의 막두께가 특히 얇아지게 되어(외주 처짐이 발생), 평탄화가 악화한다. 한편, 생산성을 향상시키기 위해서는 캐리어가스 유량을 작게 하고 반응실 내에 쌓이는 부생성물을 저감할 필요가 있으나 이 경우 막두께 형상은 외주부분이 두꺼워지며 이 또한 평탄화가 악화하는 것이 알려져 있다.

상기 막두께 형상 이외의 에피텍셜 웨이퍼의 품질의 좋고나쁨이나 생산성은 반드시 에피텍셜층의 막두께 형상의 좋고나쁨과 일치하지 않으며 이들을 최적의 상태로 양립시키는 것은 곤란하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로 예를 들면 에피텍셜 웨이퍼의 품질이나 생산성의 향상 등 캐리어가스의 유량의 정도에 의해 부여되는 효과를 얻을 수 있음과 동시에 막두께 형상이 붕괴되지 않고 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층할 수 있는 매엽식 에피텍셜 성장방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 적어도, 하부 돌출 형상(下凸)의 상벽을 가지는 반응실 내에 단결정 기판을 배치하고 상기 반응실 내에 가스도입구로부터 원료가스 및 캐리어가스를 도입하여 상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 매엽식(枚葉式) 에피텍셜 성장방법으로서,

상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량에 따라 상기 반응실의 상벽 곡율반경 및/또는 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 조정한 후에 상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법을 제공한다.

본 발명자는 막두께 형상 이외의 에피텍셜 웨이퍼의 품질이나 생산성의 향상과 에피텍셜층의 막두께 분포의 향상의 양립을 도모하는 방법에 대해 예의연구한 결과 반응실의 상벽에 주목하여, 이를 캐리어가스의 유량에 따라 조정하는 것이 유효하다는 것을 발견했다. 구체적으로는 본 발명과 같이 반응실의 상벽의 곡율반경이나 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단의 높이 방향에서의 차이의 조정이 중요하다는 것을 발견했다.

종래와 같은 생산성을 우선시한 방법의 경우 최외주부의 처짐은 악화하지만 이와 같이, 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량에 따라 반응실의 상벽의 곡율반경 및/또는 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 조정한 후에 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하면 각 유량의 캐리어가스에 의해 부여되는 생산성 또는 이면 품질 등의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 막두께 분포를 가지는 우수한 에피텍셜층을 적층하는 것이 가능해 진다.

이 경우, 상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층할 때, 하나 이상의 관통홀이 형성된 서셉터 상에 단결정 기판을 배치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면 단결정 기판의 이면의 자연산화막을 제거할 수 있게 되며 할로의 형성을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 이 때, 상기 단결정 기판을 직경 300mm이상의 것으로 할 수 있다.

단결정 기판이 직경 300mm이상의 비교적 큰 것인 경우 에피텍셜층의 막두께 분포는 특히 불균일해지기 쉽기 때문에 본 발명의 에피텍셜 성장방법은 특히 유효하다.

또한, 상기 원료가스를 트리클로로실란으로 하고, 캐리어가스를 수소로 할 수 있다.

이와 같이 원료가스를 트리클로로실란으로 하고, 캐리어가스를 수소로 하면 단결정 기판 상에 고품질의 실리콘 단결정층을 적층할 수 있다.

그리고 상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 70slm보다 많게 할 때 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 4500mm이상 7500mm미만, 및/또는 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 0mm이상 2mm이하로 할 수 있다.

이와 같이 하면 에피텍셜 성장시에 예를 들면 하나 이상의 관통홀이 형성된 서셉터 상에 단결정 기판을 배치한 경우라도 단결정 기판의 이면의 나노토폴로지의 악화를 보다 효과적으로 방지할 수 있고 이면이 보다 고품질인 에피텍셜 웨이퍼를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 에피텍셜층의 막두께 분포가 균일한 고품질 에피텍셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.

또한, 상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 60slm미만으로 할 때 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 3000mm보다 크고 4500mm미만, 및/또는 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 2.5mm이상으로 할 수 있다.

이와 같이 하면 반응실 내에 반응부생성물이 부착하기 어렵고 반응실 내의 클리닝 빈도를 억제하는 것이 가능함과 동시에 에피텍셜막의 막두께 분포가 균일한 고품질 에피텍셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.

본 발명의 에피텍셜 성장방법이라면, 예를 들면 에피텍셜 웨이퍼의 이면의 품질이나 생산성의 향상 등의 캐리어가스의 유량에 따라 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있음과 동시에 막두께 균일성이 높은 에피텍셜층을 단결정 기판 상에 적층할 수 있어서 고품질 에피텍셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 에피텍셜 성장방법을 실시할 때 사용할 수 있는 매엽식 에피텍셜 성장장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 2의 (A)는 종래법에 의해 에피텍셜 성장을 행한 경우의 에피텍셜층의 적층 모습의 일 예를 나타내는 설명도이고, (B)는 반응실의 상벽에 대해 조정을 행해 에피텍셜 성장을 행한 경우의 에피텍셜층의 적층 모습의 일 예를 나타내는 설명도이다.
도 3은 캐리어가스 유량이 80slm인 경우의 에피텍셜층의 막두께 분포(Uniformity)의 측정결과의 일 예를 나타내는 그래프 및 표이다.
도 4는 캐리어가스 유량이 50slm인 경우의 에피텍셜층의 막두께 분포(Uniformity)의 측정결과의 일 예를 나타내는 그래프 및 표이다.
도 5는 캐리어가스 유량이 80slm로 표준사양인 경우의 각 측정점에서의 Deviation의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 6은 캐리어가스 유량이 80slm이고 R=4500mm, H=1.5mm인 경우의 각 측정점에서의 Deviation의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 7은 캐리어가스 유량이 50slm이고 R=3556mm, H=4.5mm인 경우의 각 측정점에서의 Deviation의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일반적인 매엽식 에피텍셜 성장장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 9는 종래의 매엽식 에피텍셜 성장장치의 다른 일 예를 나타내는 개략도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명자는 도 9에 나타낸 바와 같은 반응실의 상벽이 하부 돌출 형상인 매엽식 에피텍셜 성장장치를 사용하여 종래의 에피텍셜 성장방법으로 단결정 기판 상에 적층한 에피텍셜층의 막두께 분포에 대해 조사했다. 또한, 여기서는 원료가스로 트리클로로실란을, 캐리어가스로 수소를 사용하여 실리콘 단결정 기판 상에 실리콘 단결정층을 적층했다.

조사 결과, 실리콘 단결정층은 그 종단면이 도 2(A)에 나타낸 바와 같은 형상으로 불균일한 막두께 분포를 갖고있다는 것을 알 수 있었다. 즉, 실리콘 단결정층은 그 종단면 형상으로 알 수 있듯이 실리콘 단결정 기판의 중심부 및 외주부에서 비교적 두껍게 적층되어 있으며, 한편 그 중심부와 외주부 사이에, 및 최외주부에서는 층이 얇았다. 특히, 최외주부의 불충분한 적층에 의해 큰 외주 처짐이 발생했다.

본 발명자는 이와 같이 단결정 기판의 특히 최외주부에서 에피텍셜 성장이 불충분하여 외주 처짐이 발생하는 것은 반응실의 크기나 상벽의 형상이 적절하지 않아서 트리클로로실란과 수소의 반응이 개시되어 에피텍셜 성장이 일어나기 시작하는 위치가 단결정 기판의 최외주부보다도 중심측이 되어 최외주부에 충분히 에피텍셜층이 적층되기 어렵게 되어 있는 것이 원인이라고 생각했다.

또한, 반응실의 상벽의 형상이나 반응실의 크기, 즉 반응실의 상벽의 곡율반경(R)이나 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)를 조정함으로써 이 원료가스인 트리클로로실란의 반응개시위치를 예를 들면 단결정 기판의 보다 외주측에 가깝게 함으로써 단결정 기판의 최외주부 부근에서도 충분히 에피텍셜층을 적층시켜 외주 처짐이 발생하는 것을 현저하게 억제할 수 있다는 것을 발견했다.

도 2(B)에 본 발명과 같이 반응실의 상벽에 대해 조정을 행한 후에 에피텍셜 성장을 행하는 경우의 에피텍셜층의 적층 모습의 일 예가 나타나 있다. 이와 같이, 반응실의 상벽의 곡율반경(R)이나 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)를 조정함으로써 최외주부에 충분히 에피텍셜층이 적층된 형상이 되어 종래와 같은 큰 외주 처짐도 없고 막두께 분포를 개선하는 것이 가능하다는 것을 발견하고 본 발명을 완성했다.

이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 에피텍셜 성장방법을 실시할 때 사용할 수 있는 매엽식 에피텍셜 성장장치의 일 예를 도 1에 나타내고 이 에피텍셜 성장장치의 개략에 대해 설명한다.

도 1의 매엽식 에피텍셜 성장장치(1)는 반응실(3)을 가지고 있으며, 이 반응실(3) 내에는 단결정 기판(2)이 서셉터(6) 상에 배치되어 있다. 또한, 에피텍셜 성장을 위한 원료가스나 캐리어가스를 반응실(3) 내에 도입하기 위한 가스도입구(4) 및 반응실(3)로부터 이들 가스가 배출되는 가스배출구(5)가 구비되어 있다.

또한, 반응실(3)의 외부에는 가열수단(8)이 배설되어 있으며 에피텍셜 성장을 행할 때 단결정 기판(2), 반응실(3) 내를 가열할 수 있다. 이 가열수단(8)은 특별히 한정되지 않으며 예를 들면 할로겐램프 등을 사용할 수 있다.

상기 반응실(3)을 형성하는 부재에서 상벽(7)은 석영유리로 이루어져 있으며, 하부 돌출 형상이다. 그리고, 후술하는 바와 같이 이 하부 돌출 형상의 상벽(7)은 적층되는 에피텍셜층의 막두께 분포가 균일해지도록 에피텍셜 성장 시에 가스도입구(4)로부터 도입되는 캐리어가스의 유량에 따른 적절한 곡율반경이거나 그 하단이 가스도입구(4)의 상단에서 적절한 높이에 위치되어 배치되어 있다.

또한, 반응실(3)을 형성하는 부재 이외의 부분은 주로 석영유리로 이루어져 있으나 그 재질, 형상 등은 특별히 한정되지 않으며 예를 들면 일반적인 에피텍셜 성장장치와 동일한 것을 사용할 수 있다.

또한, 서셉터(6)는 지지축(9)에 부착되어 있다. 지지축(9)에는 이를 회전(자전)시키기 위한 기구(미도시)를 구비하고 있으며 회전 가능하게 되어 있다. 즉, 지지축(9)을 회전시킴으로써 서셉터(6) 및 그 위에 배치된 단결정 기판(2)을 회전시키는 것이 가능하다.

이하, 상기와 같은 매엽식 에피텍셜 성장장치(1)를 사용한 본 발명의 에피텍셜 성장방법에 대해 설명한다.

여기서는 일 예로 에피텍셜층을 적층시키는 단결정 기판으로 실리콘 단결정 기판을, 그리고 원료가스로 트리클로로실란, 캐리어가스로 수소를 사용하여 실리콘 단결정층을 적층하는 예에 대해 설명한다. 이들은 통상적으로 자주 사용되는 것이며 유용한 에피텍셜실리콘 단결정 기판을 제공할 수 있다. 당연히 본 발명은 이에 한정되지 않으며 원료가스 등 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다.

우선, 반응실(3) 내에 배치된 서셉터(6)에 실리콘 단결정 기판(2)을 배치한다.

이 실리콘 단결정 기판은 예를 들면 직경 300mm이상의 것으로 할 수 있다. 직경이 비교적 크면 종래법에서는 최외주부의 외주 처짐이 발생하기 쉽기 때문에 특히 외주 처짐을 억제하기 위해서는 본 발명의 에피텍셜 성장방법은 매우 효과적이다. 다만, 본 발명은 직경 300mm이상의 것으로 한정되는 것이 아니며 이보다도 작은 직경의 것에 대해서 실시할 수도 있다.

또한, 이 때, 상술한 바와 같이 실리콘 단결정 기판(2)을 배치하는 서셉터(6)로는 예를 들면 하나 이상의 관통홀이 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 하나 이상의 관통홀이 형성된 것을 사용함으로써 조업 중에 실리콘 단결정 기판(2)의 이면의 자연산화막이 제거되고 이 자연산화막의 분해에 의해 생성물을 그 관통홀에서 배출시킬 수 있기 때문이다. 이와 같은 관통홀을 서셉터(6)의 전면에 특히 복수개 설치함으로써 실리콘 단결정 기판(2)의 이면 전면에서 효과적으로 자연산화막을 제거할 수 있다.

또한, 조업시는 서셉터(6)를 지지하는 지지축(9)을 미도시의 회전기구로 자전시킴으로써 서셉터(6) 및 그 위에 배치되어 있는 실리콘 단결정 기판(2)을 회전시킨다.

다음으로, 반응실(3)의 외부에 구비된 할로겐램프 등의 가열수단(8)에 의해 가열을 행한다. 또한, 이 때 고온계 등에 의해 실리콘 단결정 기판(2)의 온도를 제어하면서 가열을 행하면 좋다.

또한, 생산성 등의 목적에 따른 소정 유량으로 캐리어가스인 수소와 원료가스인 트리클로로실란을 가스도입구(4)로부터 반응실(3) 내에 도입하고 실리콘 단결정 기판(2) 상에 실리콘 단결정층을 적층한다. 미반응의 가스 등은 가스배출구(5)에서 배출된다(또한, 이상을 본 시험이라 한다).

다만, 본 발명에서는 에피텍셜 성장을 행하기 전에 반응실(3)의 상벽(7)의 곡율반경(R)이나 가스도입구(4)의 상단과 반응실(3)의 상벽(7)의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)를 반응실(3) 내에 도입되는 수소의 유량에 대응하여 미리 조정해 둔다.

이와 같이 반응실(3)의 상벽(7)에 대해 캐리어가스인 수소의 유량에 따라 적절히 조정한 후에 에피텍셜 성장을 행하면 반응실(3) 내에서 트리클로로실란의 열분해반응이나 수소와의 반응에 의해 실리콘 단결정 기판(2) 상에 실리콘 단결정층을 적층시킬 때에 실리콘 단결정 기판(2)의 최외주부에서 적극적으로 에피텍셜층을 적층시킬 수 있으며, 종래와 같은 큰 외주 처짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 실리콘 단결정 기판(2)의 외주부에서 중심부에 걸쳐서도 종래에 비해 균일하게 에피텍셜층을 적층시킬 수 있다. 그 이유는 상벽(7)의 높이 위치가 적절해짐으로써 원료가스가 균일하게 실리콘 단결정 기판(2)에 공급되기 때문이라고 생각된다.

즉, 에피텍셜층의 막두께 분포가 전면에서 균일한 우수한 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 얻을 수 있다.

또한, 설정한 캐리어가스의 유량에 의한 효과(고유량이라면 단결정 기판의 이면의 품질, 저유량이라면 반응실 내의 세정빈도의 억제 및 이에 의한 생산성 향상 등)도 얻을 수 있다.

또한, 상기 캐리어가스의 유량에 따른 반응실(3)의 상벽(7)에 대한 조정은 예를 들면 상기 본 시험보다도 전에 미리 시험을 행함으로써 그 조정 정도를 결정할 수 있다. 이 예비시험에 대해 상세히 설명한다.

에피텍셜 성장장치에서 본 시험과 같이 캐리어가스의 유량을 목적에 따른 소정의 유량으로 설정하고, 원료가스 및 캐리어가스를 반응실 내에 도입하여 실리콘 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 공정을 상기 R이나 H를 변경하여 반복하여 행하고 각각의 R이나 H의 값의 조건으로 적층된 에피텍셜층을 가지는 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 얻는다. R이나 H의 변경은 예를 들면 R이나 H가 다른 상벽(7)을 구성하는 부재를 복수 패턴 준비하고 이들을 교환함으로써 행할 수 있다.

다음으로, 이 얻어진 각 에피텍셜 실리콘 단결정 기판의 에피텍셜층의 막두께 분포를 측정한다. 그리고, 그 측정결과에서 상기 캐리어가스의 소정의 유량에 대해 예를 들면 우수한 막두께 분포로 에피텍셜층을 적층시키는데 적절한 R이나 H를 선택한다.

그리고 이와 같이 선택한 적절한 R이나 H로 조정한 후에, 실제로 상기 본 시험에서 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 제조할 수 있다.

또한, 본 시험(또한, 예비시험)에서의 캐리어가스의 설정유량은 예를 들면 생산성이나 단결정 기판의 이면의 품질 등의 목적에 따라 설정할 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이 단결정 기판의 이면의 품질을 유지하는 것이면 고유량으로 설정하면 좋다. 또한, 원료가스의 부생성물에 의한 성장장치의 오염을 피하고 생산성을 향상시키는 것이라면 캐리어가스를 저유량으로 설정하면 좋다. 고유량으로 설정함으로써 단결정 기판의 이면에서 할로의 형성, 나노토폴로지의 악화를 방지할 수 있다.

이하에서는 보다 구체적으로 상기 예비시험에 대해 예를 들어 설명한다.

여기서는 메이커의 표준사양으로 반응실의 상벽의 곡율반경(R)이 3556mm, 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)가 1.5mm인 매엽식 에피텍셜 성장장치(Applied Materials, Inc.제 장치 Centura)를 사용한 경우에 대해 설명한다.

도 3-4, 도 5-7에 상기 R이나 H를 의도적으로 변경하여 에피텍셜 성장을 행하여 얻은 에피텍셜층의 막두께 분포(직경상)의 측정결과의 일 예를 나타낸다.

여기서 도 3은 원료가스인 트리클로로실란의 유량을 16slm, 캐리어가스인 수소의 유량을 70slm보다 많은 고유량(여기서는 80slm)으로 설정한 경우의 에피텍셜층의 Uniformity에 대해 나타낸 것이다. 우선, 도 3 또한 도 5, 6에 대해 이하에서 설명한다.

또한, 에피텍셜층의 막두께 분포의 측정에 있어서 우선 에피텍셜층의 두께를 FT-IR에 의한 계면반사와 표면반사와의 광로의 길이 차이로부터 측정했다. 측정할 에피텍셜 실리콘 단결정 기판은 각 조건에 대해 1장이며, 측정점은 단결정 기판의 양반경방향(직경상)으로 합계 33점이다.

또한, 최외주부 5mm는 측정영역에서 제외했다.

이와 같이 하여 각 측정점에서의 에피텍셜층의 두께를 측정하고 이 측정치로부터 각 측정점에서의 Deviation를 구하고 또한 기판 1장에서 각 측정점에서의 막두께가 최대인 것과 최소인 것으로부터 에피텍셜층의 막두께 분포의 좋고나쁨의 지표가 되는 Uniformity를 구했다. 이 Uniformity의 값이 작은 편이 균일하고 양호한 막두께 분포를 가지는 것을 의미한다.

Deviation 및 Uniformity를 구하는 식은 이하에 나타낸 바와 같다.

도 3에 나타낸 바와 같이 표준사양(R=3556mm, H=1.5mm)에서는 Uniformity는 2.3%이지만, 예를 들면 R을 4500mm이상 7500mm미만으로 변경하고 또한 H를 0mm이상 2mm이하로 함으로써 비교적 Uniformity를 작은 값(1.37%이하)으로 할 수 있다는 것을 알았다. 특히, R을 4500mm이면서 H를 1~1.5mm로 변경한 경우에는 Uniformity를 0.4~0.85%라는 1%미만의 작은 값으로 억제할 수 있으며, 표준사양의 경우에 비해 현저히 균일하고 양호한 막두께 분포를 가지는 에피텍셜층이 되어 있는 것을 알았다.

도 5-7은 각 측정점에서의 Deviation의 일 예를 나타낸 것이나, 도 5는 표준사양(R=3556mm, H=1.5mm)일 때, 도 6은 R=4500mm, H=1.5mm일 때의 것이다. 도 5, 6으로도 알 수 있듯이, R이나 H를 변경함으로써 다른 에피텍셜층의 막두께 분포를 얻을 수 있다. 이에 의해 에피텍셜층의 막두께의 개선을 도모할 수 있다.

또한, 각 조건에서 얻은 에피텍셜 실리콘 단결정 기판에 대해 최외주부의 외주 처짐을 조사한 결과 도 3, 6의 결과와 같은 경향을 볼 수 있었으며, 즉 R=4500mm, H=1.5mm일 때가 가장 우수한 결과였다.

또한, 이 외주 처짐의 조사는 ADE PhaseShift사제의 평탄성 측정기(WaferSight)로 계측하였다. 이 측정기에 의해 에피텍셜 웨이퍼 표면의 변위량(요철)에 대해 웨이퍼 반경 방향으로 2계미분을 행하고 표면 변위의 가속도적인 변화가 웨이퍼 반경의 어느 위치에서 발생하는지를 알 수 있다.

한편, 도 4는 원료가스인 트리클로로실란의 유량을 16slm, 캐리어가스인 수소의 유량을 60slm미만의 저유량(여기서는 50slm로 함)으로 설정한 경우에 대한 것이다.

도 4에 나타난 바와 같이 표준사양(R=3556mm, H=1.5mm)에서는 Uniformity는 1.8%이지만, 예를 들면 H를 2.5mm이상으로 조정하고 또한 R을 3000mm보다 크고 4500mm미만으로 함으로써 비교적 Uniformity를 작은 값(1.6%이하)으로 할 수 있다. 특히, R을 3556mm로 한 상태에서, H를 3~4.5mm로 변경한 경우에는 Uniformity를 0.51~1.1%로 할 수 있어서 우수한 막두께 분포를 가지는 에피텍셜층을 얻었다.

또한, 도 7은 R=3556mm, H=4.5mm일 때의 각 측정점에서의 Deviation를 나타낸 것인데, 이 그래프로도 우수한 막두께 분포가 된다는 것을 알 수 있다.

또한, 최외주부의 외주 처짐에 대한 조사를 행한 결과 역시 R=3556mm, H=4.5mm일 때 가장 외주 처짐의 크기가 작았다.

이상과 같은 예비시험 등에 의해 본 시험에서의 캐리어가스의 설정 유량에 따라 목적에 맞는 막두께 분포을 얻을 수 있는 반응실의 상벽의 곡율반경(R)이나 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)을 구해두는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 바와 같이 본 시험으로 원하는 생산성이나 단결정 기판의 이면의 품질 등을 얻기 위한 소정의 캐리어가스의 유량에 따라 적절히 반응실의 상벽의 곡율반경(R)이나 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이(H)를 조정한 후에 실리콘 단결정 기판(2)에 에피텍셜 성장을 행한다. 그리고, 이에 의해 단결정 기판의 최외주부에서의 외주 처짐이 종래법과는 달리 현저히 억제되어 전면에서도 균일한 에피텍셜층을 적층하는 것이 가능해진다. 즉, 생산성이나 기판의 이면의 품질 등과 에피텍셜층의 양호한 막두께 분포를 모두 겸비한 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 얻을 수 있다.

예를 들면, 상기 예비시험에서의 구체예를 이용하여 설명하면 캐리어가스인 수소의 유량을 비교적 고유량인 70slm이상(여기서는 80slm로 함)으로 하고 이에 따라 R을 4500mm이상 7500mm미만(여기서는 4500mm로 함), H를 0mm이상 2mm이하(여기서는 1.5mm로 함)로 조정하고 이 조건하에서 에피텍셜 성장을 시키면 이면의 품질이 우수할 뿐만 아니라 도 3에 나타낸 Uniformity와 같은 균일한 에피텍셜층을 가지는 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 얻을 수 있다.

혹은, 캐리어가스인 수소의 유량을 비교적 저유량인 60slm이하(여기서는 50slm로 함)로 하고 이에 따라 R을 3000mm보다 크고 4500mm미만(여기서는 3556mm로 함), H를 2.5mm이상(여기서는 4.5mm로 함)으로 조정하고 이 조건하에서 에피텍셜 성장을 행하면 반응실 내의 세정빈도가 작고 생산성이 높게 에피텍셜 성장을 행할 수 있을 뿐만 아니라 도 4에 나타낸 Uniformity와 같이 균일한 에피텍셜층을 가지는 에피텍셜 실리콘 단결정 기판을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며 동일한 작용효과를 나타내는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

상기 예에서는 캐리어가스의 유량이나 반응실의 상벽의 곡율반경(R), 가스도입구의 상단과 반응실의 상벽의 하단의 높이 방향에서의 차이(H)에 대해 특정한 수치를 들어 설명했으나 물론 이에 한정되는 것이 아니며 적절히 이들 수치를 변경하여 본 발명을 실시할 수 있다.

Claims (9)

1. 적어도, 하부 돌출 형상의 상벽을 가지는 반응실 내에 단결정 기판을 배치하고 상기 반응실 내에 가스도입구로부터 원료가스 및 캐리어가스를 도입하여 상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 매엽식 에피텍셜 성장방법으로서,
   상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량에 따라
   상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 조정하거나,
   상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 조정하거나,
   또는 상기 반응실의 상벽의 곡율반경 및 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 조정한 후에 상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 단결정 기판 상에 에피텍셜층을 적층할 때 하나 이상의 관통홀이 형성된 서셉터 상에 단결정 기판을 배치하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 단결정 기판을 직경 300mm이상의 것으로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 단결정 기판을 직경 300mm이상의 것으로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원료가스를 트리클로로실란으로 하고, 캐리어가스를 수소로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 70slm보다 많게 할 때,
   상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 4500mm이상 7500mm미만으로 하거나,
   상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 0mm이상 2mm이하로 하거나,
   또는 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 4500mm이상 7500mm미만 및 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 0mm이상 2mm이하로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 70slm보다 많게 할 때,
   상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 4500mm이상 7500mm미만으로 하거나,
   상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 0mm이상 2mm이하로 하거나,
   또는 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 4500mm이상 7500mm미만 및 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 0mm이상 2mm이하로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 60slm미만으로 할 때,
   상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 3000mm보다 크고 4500mm미만으로 하거나,
   상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 2.5mm이상으로 하거나,
   또는 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 3000mm보다 크고 4500mm미만 및 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 2.5mm이상으로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
9. 제 5항에 있어서,
   상기 가스도입구로부터 상기 반응실 내에 도입되는 캐리어가스의 유량을 60slm미만으로 할 때,
   상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 3000mm보다 크고 4500mm미만으로 하거나,
   상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 2.5mm이상으로 하거나,
   또는 상기 반응실의 상벽의 곡율반경을 3000mm보다 크고 4500mm미만 및 상기 가스도입구의 상단과 상기 반응실의 상벽의 하단과의 높이 방향에서의 차이를 2.5mm이상으로 하는 것을 특징으로 하는 에피텍셜 성장방법.
   
   
   

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