KR101599431B1 - Ｃｖｄ 방법 및 ｃｖｄ 반응기 - Google Patents

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아익스트론 에스이
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Abstract

본 발명은 서셉터(2)에 접하는 하나 이상의 기판들(21) 상에 특히 복수의 성분들로 구성된 반도체 층들을 증착시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 프로세스 가스들은, 가스 흡기 요소(8)의 유동 채널들(15, 16; 18)을 통해 캐리어 가스와 함께 상기 프로세스 챔버(1) 내로 도입되는데, 상기 캐리어 가스는 상기 서셉터(2)에 대해 실질적으로 평행한 상기 프로세스 챔버(1)로 침투하여 가스 배기 요소(7)를 통해 배기되고, 적어도 상기 기판 표면 상의 영역들 및 상기 가스 배기 요소(7)의 표면 상의 영역들 내에서 분해 산물들이 코팅으로서 프로세스 가스들을 형성하는데, 상기 가스 배기 요소(7)는 하류 에지(21)로부터 간격(D)을 두고 상기 서셉터(2)의 하류에 배치된다. 순차적인 단계들에서 상기 가스 배기 요소(7)의 교체 또는 중간 세정 없이 오염 없는 층들을 증착시키기 위해, 본 발명에 따라 상기 간격(D)은, 상기 제2 프로세스 온도에서 상기 가스 배기 요소(7)의 코팅으로부터 증발된 분해 산물들이 상기 기판(21)에 도달하는 것을 방지할 수 있도록 크다.

Description

ＣＶＤ 방법 및 ＣＶＤ 반응기{CVD METHOD AND CVD REACTOR}
본 발명은 서셉터 상에서 지지되는 하나 이상의 기판들 상에 특히 복수의 성분들로 구성된 반도체 층들을 증착시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 서셉터는 프로세스 챔버의 벽 부분을 형성하고, 상기 벽 부분은 가열 기구에 의해 프로세스 온도로 가열되고, 가스 혼합 시스템에 의해 제공된 프로세스 가스들은, 가스 흡기 요소의 유동 채널들을 통해 캐리어 가스와 함께 상기 프로세스 챔버 내로 도입되는데, 상기 캐리어 가스는 상기 서셉터에 대해 실질적으로 평행한 상기 프로세스 챔버를 통해 흘러 가스 배기 요소를 통해 배기되고, 상기 프로세스 가스들은, 가열된 기판의 적어도 표면 상에서 열분해 방식으로 분해 산물들로 분해되고, 상기 기판 표면 상의, 그리고 상기 서셉터의 하류 에지로부터 간격을 두고 하류에 위치된 상기 가스 배기 요소의 표면 상의, 적어도 특정 영역들 내에 코팅을 형성하기 위해, 상기 분해 산물들은 성장하고, 제1 프로세스 단계는 제1 프로세스 온도에서 수행되고, 상기 제1 프로세스 단계 이후에 분해 산물들의 성장에 의해 코팅된 상기 가스 배기 요소의 중간 세정 또는 중간 교체 없이, 제2 프로세스 단계는 제2 프로세스 온도에서 수행되며, 상기 제2 프로세스 온도는 상기 제1 프로세스 온도보다 더 높다.
나아가 본 발명은 하나 이상의 기판들 상에 특히 복수의 성분들로 구성된 반도체 층들을 증착시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는, 상기 기판이 지지되며 프로세스 챔버의 벽 부분을 형성하는, 서셉터를 포함하고, 가스 공급 라인들을 이용하여 가스 혼합 시스템에 연결되는, 가스 흡기 요소를 포함하는데, 상기 프로세스 챔버의 벽 부분은 가열 기구에 의해 프로세스 온도로 가열되고, 상기 가스 혼합 시스템에 의해 제공되는 프로세스 가스들은, 상기 가스 흡기 요소의 유동 채널들을 통해 캐리어 가스와 함께 상기 프로세스 챔버 내로 도입될 수 있고, 상기 서셉터에 대해 실질적으로 평행한 상기 프로세스 챔버를 통해 상기 캐리어 가스가 흐르는 방식으로, 상기 유동 채널들은 그리고 상기 가스들이 상기 프로세스 챔버를 빠져나가는 상기 가스 배기 요소는, 상기 프로세스 챔버 내에 배열되고, 상기 서셉터는, 그리고 상기 서셉터로부터 하류에 그리고 상기 서셉터의 하류 에지로부터 간격을 두고 위치된 상기 가스 배기 요소는, 상기 가열 기구에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 가열될 수 있되, 상기 가열은, 적어도 상기 기판의 표면 상에서 상기 프로세스 가스들이 분해 산물들로 분해되어, 상기 기판의 및 상기 가스 배기 요소의 고온(hot) 표면들 상에, 적어도 특정 영역 내에 열분해 방식으로 코팅을 형성하도록 상기 분해 산물들이 성장하는 방식으로 가열될 수 있다.
DE 100,43,600 A1, EP 1,060,301 B1 및 EP 1,240,366 B1에 일반적인 종류의 장치가 기술된다. 상기 장치들은, 환경에 대하여 기밀 방식으로 폐쇄된, 반응기 하우징을 포함한다. 상기 반응기 하우징 내에 프로세스 챔버가 존재한다. 상기 프로세스 챔버는 원형 실린더인 형태를 갖는다. 흑연으로 구성된 멀티부 서셉터에 의해 프로세스 챔버의 디스크 형태의 바닥이 형성되는데, 상기 서셉터는 프로세스 챔버와 대면하는 상기 서셉터의 측면 상에, 중심을 둘러싸게 배치된 복수의 리세스들을 구비하고, 그 내부에 디스크 형태의 기판 홀더들이 둘러싸이고 각각의 기판 홀더의 표면 상에 코팅될 지판이 지지된다. 가스 흐름에 의한 가스 쿠션 상에서 지지되어서, 기판 홀더들이 회전 구동된다. 중앙 필러 상에 안착된 서셉터는, 마찬가지로 프로세스 챔버의 대칭 축을 중심으로 회전될 수 있다. 수평 평면으로 연장되는 서셉터 위에, 마찬가지로 흑연으로 구성된 프로세스 챔버 천장이 있다. 프로세스 챔버 천장의 중심에는 공급 라인들에 의해 가스 혼합 시스템에 연결되는 가스 흡기 요소가 있는데, 상기 가스 혼합 시스템에 의해 가스 흡기 요소의 배기 채널들은 캐리어 가스를 그리고 상기 캐리어 가스에 의해 수송되는 프로세스 가스들을 공급받는다. 한편으로는, 프로세스 가스들은 유기금속 물질, 예를 들어 TMGa, TMIn 또는 TMAl일 수 있다. 다른 프로세스 가스는 수소화물, 예를 들어 비화수소, 인화수소 또는 암모니아이다. 상기 프로세스 가스들을 이용하여 기판 표면 상에 반도체 층들이 증착되는데, 상기 반도체 층들은 Ga, In, Al, P, As 또는 N으로 구성될 수 있다. 출발 물질들의 적절한 채택에 의해, 상기 장치를 이용하여 III-V 반도체 층들 뿐만 아니라 II-VI 반도체 층도 증착될 수 있다. 나아가 더 많이 희석된 적절한 출발 물질들을 추가함으로써, 증착된 반도체 층들이 도핑될 수 있다.
캐리어 가스와 함께 프로세스 챔버의 중심 내로 도입된 프로세스 가스들은, 프로세스 챔버를 통해 프로세스 챔버 천장 및 프로세스 챔버 바닥에 평행한 수평 방향으로 흐른다. 프로세스 챔버 바닥은, 그리고 선택적으로는 프로세스 챔버 천장도, 프로세스 온도로 가열된다. 이러한 가열은 RF 가열기에 의해 이루어진다. 이를 위해, 서셉터 밑에, 수냉식 가열 나선형 권선들이 있다. 뜨거운 표면들 상에서 그리고 특히 뜨거운 기판 표면 상에서, 프로세스 가스들은 분해 산물들로 열분해 방식으로 분해된다. 동적으로 제어된 온도 범위 내에서 가장 높은 결정 품질이 수득될 수 있으므로, 상기 프로세스는 이러한 온도 범위 내에서 기판 상의 반도체 층들의 성장이 일어나는 방식으로 수행된다. 상기 프로세스 동안에 기판을 둘러싼 서셉터의 표면 영역들 상에서, 프로세스 챔버 천장의 밑면 상에서, 그리고 프로세스 챔버의 하류 벽을 형성하는 가스 배기 요소 상에서, 기생 코팅이 성장되는 것을 방지하지 못할 수 있다.
논의 중인 상기 장치 내에서 일어나는 열 처리 프로세스들은, 상이한 크기의 프로세스 온도들을 요구한다. 일반적인 방법에서, 제1 프로세스 단계에서 기판 상에 제1 물질의 제1 층이 증착된다. 상기 증착은, 예를 들어 500℃로부터 800℃까지의 범위 내일 수 있는, 낮은 프로세스 온도에서 이루어진다. 하나 이상의 퍼지 단계들 이후에, 그리고 선택적으로 또한 추가적인 중간 단계들 이후에, 프로세스 온도가 상당히 더 높은, 예를 들어 적어도 1,000℃ 인, 제2 프로세스 단계가 수행된다. 제2 프로세스 단계에서, 제1 층 상에 또는 추가적인 중간 층들 상에 제2 물질층이 증착된다. 제1 프로세스 단계에서 분해 산물들로 코팅되었던 가스 배기 요소는, 제1 프로세스 단계 및 제2 프로세스 단계 사이의 과도기(intervening period)에 세정되거나 교체되지 않는다. 제2 프로세스 단계에서 증착된 층의 후속적인 분석에서, 제1 프로세스 단계에서 프로세스 챔버 내로 도입되었던 프로세스 가스들의 분해 산물들의 흔적이 발견되었다.
나아가 일반적 장치를 사용하여, 예를 들어 1,600℃의 매우 높은 프로세스 온도를 이용하여 수행되는 프로세스 단계로부터 시작되는, 증착 방법이 또한 수행될 수 있다. 상기 프로세스 단계는 열 처리 단계일 수 있다. 단계들 사이에 교체되었던 기판들 상에의 이전의 증착 프로세스에서, 만일 낮은 온도에서 성장 단계가 수행되었다면, 가스 배기 요소의 기생 코팅이 있었을 것이다. 만일 기판이 교체되었을 때 가스 배기 요소가 교체되지 않았다면, 오염된 가스 배기 요소가 열 처리 프로세스 동안에 후속하는 코팅 작업에 대해 나타나게 된다. 또한 이러한 프로세스 절차에 대해서도, 층의 성장이 일어나는 낮은 온도에서의 제1 프로세스 단계의 뒤에, 높은 프로세스 온도에서의 제2 프로세스 단계가 뒤따른다. 또한 여기에서, 증착된 층들의 후속적인 분석에 의해, 이전의 프로세스 단계들로부터의 분해 산물들이 형성되어 이후에 증착되는 층들 내로 통합되었음이 확인(establish)되었다.
종래 기술에 속하는 EP 0,449,821도 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 CVD 반응기 내에서는 코팅될 기판들이 지지되는 서셉터가 아래로부터 가열된다. 덮개에 의해 최상부에서 폐쇄되는 프로세스 챔버를 프로세스 가스가 수평 방향으로 관통해 흐른다. 가스 배기 말단에서의 반응성 가스의 재순환을 방지하기 위하여, 가스가 흐르는 좁은 채널들을 정의하는 안정기 베인(stabilizer vane)들이 제공된다.
EP 0,252,667는 프로세스 챔버를 포함하는 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 프로세스 챔버의 바닥은, 상부에 기판이 지지되는 회전 가능한 서셉터를 형성한다. 프로세스 가스는 수평 방향으로 프로세스 챔버를 통해 흐르고, 추가적인 불활성 가스의 도입에 의해 서셉터의 방향으로 위로부터, 상기 프로세스 가스가 가압(urge)된다. 이러한 방식으로, 코팅될 기판 위에 가스의 층류(laminar flow)가 형성된다.
US 5,891,251는 아래로부터 가열되는 프로세스 챔버를 포함하는 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 가열을 통해 유동이 수평하게 일어난다. 또한 여기에서는, 프로세스 가스의 유동 패턴에 영향을 주기 위한 추가적인 불활성 가스 스트림들이 제공된다.
US 5,951,772은 프로세스 챔버를 포함하는 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 프로세스 챔버의 바닥은 램프에 의해 아래로부터 가열되는 서셉터를 형성한다. 상기 서셉터 위에 샤워헤드 형의 가스 흡기 요소가 있다. 상기 프로세스 챔버의 벽들은 가열된다. 상기 서셉터보다 더 낮은 높이 상에, 펌프를 이용해 프로세스 챔버 밖으로 프로세스 가스를 빨아들이기 위한 가스 배기부가 있다.
US 2002/0000196 A1은 프로세스 챔버를 포함하는 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 프로세스 챔버는 샤워헤드 형 가스 흡기 요소 그리고 아래로부터 가열되는 코팅될 기판을 갖는다.
US 2003/0136365 A1는 가스 배기 튜브를 도시한다. 상기 가스 배기 튜브는, 가열 슬리브를 구비하는 내부 튜브를 갖는다.
US 2005/0011441 A1는 코팅될 기판을 지지하는 서셉터를 포함하는 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 기판은 아래로부터 가열된다. 상기 서셉터보다 더 낮은 높이에 놓인 가스 배기부가 제공된다.
US 2006/0225649 A1은 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 CVD 반응기는 샤워헤드 형 가스 흡기 요소, 그리고 프로세스 챔버의 바닥을 형성하는 서셉터를 포함하고, 상기 서셉터 상에서 기판이 지지된다. 가스 배기 고리(annulus)가 제공되는데 상기 가스 배기 고리는 갭을 형성하는 간격을 두고 상기 서셉터를 둘러싼다.
US 2009/0044699 A1은 가스 배기 시스템 내에서의 폴리머 형성의 문제점을 논한다. 상기 가스 배기 시스템에 위치된 가열기를 이용하여, 폴리머들의 화학 결합이 깨질 것이다.
US 2009/0114155 A1는 CVD 반응기 및 응결 트랩에 관한 것으로, 상기 응결 트랩은 가스 배기 흐름 내에 위치되어 가열될 수 있다.
JP 08078338 A은 CVD 반응기를 기술하는데, 상기 CVD 반응기 내에서 기판은 현수된 상태(suspended state)로 유지되므로, 상기 기판은 양면으로부터 코팅될 수 있다.
JP 10306375 A는 CVD 반응기에 대한 특수한 가스 혼합 시스템을 기술하는데, 상기 시스템의 밸브 배열은 프로세스 챔버 내의 압력 변동이 감소되도록 선택된다.
본 발명의 목적은, 가스 배기 요소의 중간 교체나 중간 세정 없이, 연속적인 프로세스 단계들 내에서 오염 없는 층들을 증착시킬 수 있는 구성들을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항들에 명시된 본 발명에 의해 충족된다. 종속항들은, 인용된 제1 항 및 제8 항의 유리한 개선점들을 나타낸다. 그러나 추가적으로, 상기 종속항들은 문제점의 독립적인 해결책들도 또한 제공할 수 있고, 임의의 원하는 방식으로 서로 결합될 수도 있다.
본 발명은, 관측된 층 오염이 가스 배기 요소의 코팅 내에 오염의 기원이 있다는 실험 및 모델 계산 과정 중에 얻어진 인식에 기초한다. 이를 위해, 매우 고-도핑된 테스트 층들을 사용한 일련의 실험들에서 오염이 조사되었다. 기판 및 제1 층 사이의 계면에 비하여 기판 및 제2 층 사이의 계면에서, 오염의 정도가 객관화되었다. 실험 과정 중, 가스 배기 요소의 표면 온도도 상당히 변한다는 것을 알 수 있었다. 또한 EP 1,240,366 B1에 의해 기술된 바와 같은 장치 상에서도 이러한 관측이 이루어졌는데, 상기 장치에 있어서, 가스 배기 요소가 기판을 교체하기 위해 더 낮추어질 수 있고, 그리고 이를 위해 서셉터로부터 이격된다. 서셉터 및 가스 배기 요소 사이의 이러한 종류의 좁은 간격은, EP 1,060,301 B1의 도 1에도 도시된다. 논의 중인 유동 반응기들에서, 프로세스 가스들은 수평 방향으로 프로세스 챔버를 통해 흐른다. 상기 서셉터 및 가스 배기 요소 사이에 유동 배리어가 형성된다. 더 낮은 프로세스 온도에 대해 가스 배기 요소의 표면 상에서 기생적으로 성장하는 분해 산물들은, 제2 프로세스 단계에서 가스 배기 요소의 표면으로부터 증발되는 경향이 있는데, 제2 프로세스 단계에서 그때까지(hitherto) 서셉터와 함께 가스 배기 요소도 상당히 더 높은 온도로 가열된다. 이에 따라 가스 상태에 접어든 성분들은 전 방향으로, 이로써 가스 흐름에 대항하여서도, 확산된다. 제2 프로세스 단계에서 증착된 층들의 원치 않은 오염에 대해 또는 이후에 증착되는 층들의 원치 않는 오염에 대해, 이러한 대향류 확산이 책임이 있다는 것이 인지되었다. 심지어는 단지 고온에서 수행되는 열 처리 단계의 경우에도, 열 처리된 기판 표면의 오염이 존재하는데, 높은 프로세스 온도에서 가스 배기로부터 증발된 분해 산물들이 프로세스 챔버 내로 바로 기판까지 확산되어 기판에 스스로 부착되기 때문이다.
상기 단점들에 대응하기 위한 본 발명에 따른 조치들은, 분해 산물들이, 또는 상기 가스 배기 요소 상의 코팅으로부터 증발되는 분해 산물들의 파편들이나 응집들이 역류 확산 또는 재순환에 의해 상기 기판에 도달하는 것을 방지할 수 있도록, 상기 서셉터의 하류 에지 그리고 상기 가스 배기 요소 사이의 간격 내에 있어서의 상기 장치의 구조가 충분히 크게 만들어진다는 것에 있다. 나아가, 본 발명에 따른 상기 조치는 상기 가스 배기 요소의 별도의 온도 제어에 관한 것이다. 상이한 프로세스 온도들을 사용하는 상기 프로세스 단계들 동안에 상기 가스 배기 요소의 표면 온도들을 단지 무의미한 정도로만 서로 상이하게 하는 방식으로, 상기 온도 제어가 이루어진다. 상응하는 방식으로, 분해 산물들이 또는 상기 가스 배기 요소 상의 코팅으로부터 증발되는 분해 산물들의 파편들이나 응집들이 역류 확산 또는 재순환에 의해 상기 기판에 도달하는 것을 방지하기 위해 상기 서셉터의 하류 에지 및 상기 가스 배기 요소 사이의 간격이 충분히 커지도록, 상기 가스 상태, 온도, 압력 및 기타 등등의 조건들이 조정되는 방식으로 상기 방법이 수행된다. 이를 위해 나아가, 대안적으로 또는 선택적으로, 두 개의 프로세스 단계들 동안 상기 가스 배기 요소의 표면 온도들이 단지 무의미한 정도로만 서로 상이하도록, 상기 프로세스 단계들 동안 상기 가스 배기 요소의 온도가 제어될 수 있다. 상기 온도 범위는 상기 단계들 동안 내내 100 ℃ 또는 그 이상일 수 있다. 상기 온도 범위는, 상기 가스 배기 요소 상의 코팅의 화학적 및 물리적 특성에 좌우된다. 만일 상기 서셉터에 가장 근접한 표면이 상기 서셉터로부터의 간격이 상기 확산 길이의 세 배인 것이 최적이다. 여기서는 상기 유동 속도에 좌우되는 역류 확산 길이가 해당한다. 증발된 분해 산물들의 상기 가스 상 농도가 1/e로 줄어드는 경로에 의해 이러한 역류 확산 길이가 정의된다. 상기 서셉터 밑에 배치된 하나 이상의 가열 나선들에 의해, 특히 외부 가열 권선에 의해, 상기 가스 배기 요소의 온도 제어가 이루어진다. 이러한 방식으로, 상기 가스 배기 요소는 별도로 능동적으로 가열된다. 이를 위해, 고리형 방식으로 상기 프로세스 챔버를 둘러싸는 상기 가스 배기 요소의 바로 근방 내에, 상기 가열 권선이 존재한다. 상기 가스 배기 요소는 전기 전도성 물질로 이루어지므로, RF-코일들에 의해 생성된 와전류를 이용하여 가열될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 수평 평면으로 연장되는 상기 서셉터보다 수직적으로 더 낮게 배치되도록 상기 가스 배기 요소가 제공된다. 상기 가스 배기 요소의 위치설정 및 능동적인 가열에 의해, 상기 가스 배기 요소의 표면은 상기 프로세스의 수행과는 실질적으로 독립적으로 온도에 관하여 제어될 수 있다. 따라서, 상기 가스 배기 요소의 표면 온도는, 상기 서셉터의 표면 온도보다 상당히 적게 변동된다. 상기 서셉터의 표면 온도는 상이한 프로세스 단계들 내내 500 ℃보다 더 많이 상이할 수 있다. 전술한 종류의 상기 서셉터의 온도 변동의 경우에 단지 최대 100 ℃의 온도 내에서만 변동되는 방식으로, 상기 가스 배기 요소는 능동적으로 가열된다. 상기 표면에서 열분해 방식의 분해에 의해 분해 산물들이 성장할 뿐 아니라 가스 상 반응들도 또한 이루어지는, 균질 가스 상 반응을 이용한 프로세스에서, 상기 가스 배기 요소는 부가물 형성 온도보다 높은 온도를 가져야 한다. 이것은, 상기 프로세스들 내에서 능동적으로 가열되는 프로세스 챔버 천장에 대해서도 요구된다. 이러한 종류의 프로세스들에서 복수의 중간 단계들을 거쳐, 특히 유기금속 성분들은 기본 금속으로, 예를 들어, 갈륨, 인듐 또는 알루미늄으로 분해된다. 하지만 보통의 프로세스 온도들에서, 상기 금속들의 낮은 증기 압력에 기인하여 상기 금속들은 휘발성이 아니다. 따라서 상기 가스 상 내에서 핵형성이 이루어진다. 상기 핵형성은 부산물 형성을 초래한다. 상기 부산물 형성은 방지되어야 한다. 이를 위해, 상기 프로세스 챔버 내에 어떠한 냉각지대도 발생하지 않는다는 것이 보장될 필요가 있다. 석영으로 구성된 지지 판 상에 흑연으로 구성된 상기 서셉터가 장착된다. 상기 서셉터의 하류 에지 상에 상기 지지 판의 에지가 고정된다. 마찬가지로 흑연으로 구성되는 상기 가스 배기 고리는, 상기 지지 판의 에지에 직접적으로 인접한다. 상기 고리는 석영 판의 높이에서 입을 갖는 개구들을 포함하는데, 상기 개구들을 통해 상기 가스 배기 요소의 수집 체적 내로 상기 캐리어 가스가 흐를 수 있다. 진공 펌프에 연결된 배출 채널에, 상기 가스 배기 체적이 연결된다. 본 발명에 따른 CVD 반응기의 경우에, 종래 기술에서 실무적으로 알려진 바와 같은 가스 흡기 요소들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 원형 프로세스 챔버의 중심 내에 위치된 가스 흡기 요소가 사용될 수 있다. 상기 가스 흡기 요소는 적어도 두 개의 유동 채널들을 갖는데, 상기 유동 채널들은 서로 이격되어, 상기 유동 채널들을 통해 유기금속 물질 및 수소화물이 상기 프로세스 챔버에 도달한다. 공급 라인들, 질량 유동 제어기들 및 밸브들을 통해 상기 유동 채널들은 저장조들과 연결되고, 상기 저장조들 내에 캐리어 가스 및 프로세스 가스들이 저장된다. 수소, 질소 또는 불활성 가스가 캐리어 가스로서 사용된다. 중앙 가스 흡기 요소의 대안으로서, 예를 들어 EP 0,687,749 B1에 기술된 바와 같은 샤워헤드 형태의 가스 흡기 요소도 사용될 수 있다. 상기 가스 흡기 요소는 프로세스 챔버의 천장을 형성하고, 전체 영역 위에 균일하게 분포된 복수의 배기 개구들을 갖는데, 상기 개구들로부터 프로세스 챔버 내로 상기 프로세스 가스들이 유입될 수 있다. 여기에서 상이한 가스 배기 개구들을 통해 상기 프로세스 챔버 내로, 다양한 프로세스 가스들이 유입될 수 있다. 또한 여기에서, 상기 서셉터의 표면에 대해 실질적으로 평행하게 이동하는 가스 흐름이 생성된다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 기술될 것이다.
도 1은 장치의 예시적인 제1 실시예를 통한 반 횡단면도를 도시한다,
도 2는 도 1의 선(II-II)에 대한 단면도를 도시한다,
도 3은 상이하게 구성된 가스 흡기 요소를 구비한 예시적인 제2 실시예의 도 1에 상응하는 도면을 도시한다, 그리고
도 4는 가스 혼합 시스템과 함께 프로세스 챔버의 주요 부품들이 대략적인 도해 방식으로 도시된 예시적인 다른 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 장치의 공급에 적합한 가스 혼합 시스템(22)은, 유기금속 물질에 대한 저장조(23), 캐리어 가스에 대한 저장조(24) 그리고 수소화물에 대한 저장조(25)를 포함한다. 유기금속 물질은 TMGa, TMIn, TMAl 등등일 수 있다. 캐리어 가스는 수소, 질소 또는 불활성 가스일 수 있다. 수소화물은 AsH3, PH3 또는 NH3일 수 있다. 추가적인 프로세스 가스들의 저장을 위한 그리고 특히 도펀트들의 저장을 위한 선택적이고 추가적인 저장조들은 도시되지 않는다. 질량 유동 제어기들(26)을 이용하여 프로세스 가스들 및 캐리어 가스가 계량되는데, 상기 질량 유동 제어기들(26)의 밸브들은 상류에 위치한다. 최적으로는, 도시되지 않은 통기(vent)/구동(run) 시스템을 이용하여 상기 공급이 이루어진다. 공급 라인들(27, 28)은 가스 흡기 요소 내에서 종료된다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 회전 대칭 프로세스 챔버(1)의 중심에 가스 흡기 요소(8)가 배치된다. 흑연으로 만들어진 서셉터(2)에 의해 복수의 표면 리세스들을 갖는 프로세스 챔버(1)의 바닥이 형성되는데, 각각의 경우에 원형 기판 홀더(6)가 상기 표면 리세스들에 둘러싸인다. 가스 공급 라인(12)을 경유하여 노즐들을 통해 리세스 내로 지지 가스가 도입되고, 이로써 가스 쿠션 상에서 기판 홀더(6)가 지지되면서(bearingly) 회전된다. 개별적인 기판 홀더들(6)은 프로세스 챔버(1)의 중앙을 원형 배열로 둘러싼다.
서셉터(2)는 석영으로 이루어진 지지 판(13) 상에 안착된다. 반경 방향으로 하류 에지(2')를 넘어(beyond), 바깥쪽으로 지지 판(13)의 에지 부분이 연장된다. 확산 장벽을 형성하는 석영 판(13)의 에지 부분은 프로세스에 대해 적절한 치수를 나타내는 거리(D)만큼 서셉터(2)의 에지 부분(2')을 넘어 연장된다.
분배 판(14) 상에 석영 판(13)이 장착되는데, 상기 분배 판(14)에 의해서 지지 가스들이 서셉터(2)로 이송된다. 참조 번호 15로 표시되는 컬럼은, 서셉터(2)가 그 축을 중심으로 회전 구동될 수 있도록 구성될 수 있다.
서셉터(2) 밑에 그리고 판들(13, 14) 밑에, 나선형으로 배치된 RF 가열 코일(5)이 위치된다. 코일(5)의 본체는, 냉각 매체가 흐르는 중공형 본체(hollow body)이다.
선택적으로 열 에너지를 별도로 공급받을 수 있는 RF 가열 코일(5)의 방사상으로 최외곽인 권선(5')이 가스 배기 요소(7)의 바로 인근에 놓인다.
가스 배기 요소(7)는, 몰리브덴으로 또는 바람직하게는 흑연으로 만들어진, 고리형 본체로 구성된다. 가스 배기 요소(7)는 석영 판(13)의 방사형으로 외측인 에지에 직접적으로 인접한다. 가스 배기 요소(7)는 위를 향해 열린 개구들(9)을 갖고, 상기 개구들(9)을 통해 가스가 프로세스 챔버(1)를 나와 수집 체적(10) 내로 흐를 수 있다. 수집 체적(10)은 배출 채널(11)을 경유하여 진공 펌프에 연결된다. 전술된 전체 장치는, 프로세스 챔버(1)를 외부 환경에 대해 기밀 방식으로 보호하는 반응기 하우징(20) 내에 위치된다. 마찬가지로 흑연으로 구성된 프로세스 챔버 천장(3)에 의해, 프로세스 챔버(11)의 상부 벽이 형성된다. 프로세스 챔버(11)의 상부 벽도 (종래 기술에, 특히 DE 100,43,600 A1에 기술된 바와 같이) 별도로 가열될 수 있다. 고리형 측벽(4)에 의해 프로세스 챔버(1)의 측벽이 형성된다.
서셉터(2)로부터 이격된 하류에 가스 배기 요소(7)가 위치된다. 가스 배기 요소(7)는, 서셉터(2)로부터 수평 방향으로 이격되고, 서셉터(2)보다 수직 방향으로 더 낮은 높이에 있다. 가스 배기 요소(7)와 연관된 가열 기구(5')에 의해, 상기 가스 배기 요소(7)는 능동적으로 가열될 수 있다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예는, 도 1에 도시된 예시적인 실시예와 주로 가스 흡기 요소(8)의 구성 면에서 상이하다. 여기에서는 샤워 헤드로서 가스 흡기 요소(8)가 형성되어 EP 0,687,749 B1에 기술된 바와 같은 구성을 갖는데, 다시 말해서, 프로세스 챔버(1) 내로의 프로세스 가스의 유입을 위한 복수의 가스 배기 개구들(18)이 프로세스 챔버 천장(3) 상에 배치된다. 상기 가스 배기 개구(18) 위에서 가스 분배 체적은 참조 번호 19로 표시된다. 도 3에는 오직 단일 가스 분배 체적(19)만이 도시된다. 그러나 예를 들어 EP 0,687,749 B1에 의해 기술된 바와 같이, 바람직한 구성들에서 복수의 가스 체적들이 제공될 수 있다.
도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 마찬가지로 여기에 해당하는 수평 반응기가 있는데, 상기 수평 반응기 내에서, 가스 배기 요소(7)의 개구들(9)은 기판(21)을 지탱하는 서셉터(2)의 표면의 수평 높이 아래에 있다.
전술된 장치 내에서 수행되는 프로세스에서는, 프로세스 단계들 사이에 가스 배기 요소가 세정되어야 또는 교체되어야 하지 아니하면서, 복수의 프로세스 단계들이 차례로 수행된다. 따라서 적어도 제1 프로세스 단계에서, 프로세스 가스들의 분해 산물들을 이용하여 가스 배기 요소(7)의 코팅이 이루어진다. 낮은 온도에서, 예를 들어 500℃ 및 1,000℃ 사이의 온도에서, 제1 프로세스 단계가 수행된다. 상기 제1 프로세스 단계에서, 유기금속 물질 및 수소화물이 도입됨으로써 기판 상에 III-V 반도체 층이 증착된다. 또한 가스 배기 요소(7)의 표면 상에, 상기 분해 산물들로부터 기생 코팅(parasitic coating)이 또한 증착된다. 가스 배기 요소(7)의 온도가 별도로 관리됨으로써, 상기 가스 배기 요소(7)의 온도는 좁은 온도 범위 내에서 유지된다. 프로세스 챔버(1) 내에서, 총 압력은 1mbar 및 1,000mbar 사이의 범위 내이다. 바람직하게는, 총 압력은 20mbar 및 500mbar 사이이다.
제1 프로세스 단계 이후에, 추가적인 중간 단계들이 수행될 수 있다. 상이한 프로세스 온도들 하에서 및 상이한 총 압력들 하에서, 그리고 다른 프로세스 가스들을 이용함으로써, 제1 층 상에 추가적인 층들이 증착될 수 있다. 본 발명에 따른 제2 프로세스 단계 이전에 프로세스 챔버(1)로부터 이미 코팅된 기판들을 제거하는 것, 그리고 프로세스 챔버(1) 내로 미사용(virgin) 기판들을 도입하는 것도 또한 가능하다. 본 발명에 따른 제2 프로세스 단계는, 본 발명에 따른 제1 프로세스 단계와 주로 프로세스 온도 면에서 상이하다. 제2 프로세스 단계에서의 온도는 제1 프로세스 단계에서의 프로세스 온도보다 더 높아야 한다. 1,000℃ 및 1,600℃ 사이의 온도에서 제2 프로세스 단계가 수행될 수 있으므로, 두 개의 프로세스 온도들은 적어도 500℃만큼 차이가 난다. 따라서 제2 프로세스 단계는, 증착 프로세스이거나 또는 단지 열 처리 프로세스일 수 있다.
서셉터(2)의 하류 에지(2') 및 가스 배기 요소(7) 사이의 전술된 간격(D)이 선택되는데, 제2 프로세스 단계의 프로세스 파라미터들에 대해, 그리고 이로써 제2 프로세스 온도 및 제2 프로세스 단계 동안의 총 압력에 대해, 분해 산물들의 어떠한 역 확산 또는 역 순환도, 또는 가스 배기 요소 상의 상기 코팅으로부터 증발되는 상기 산물들의 어떠한 파편들 또는 응집들도, 기판(21)에 도달하지 않도록 선택된다. 이를 위해 상기 간격(D)은, 해당 증발된 물질의 상기 역 확산 길이의 적어도 세 배에 해당한다. 상기 역 확산 길이는, 농도 소모 곡선의 지수적으로 감소하는 코스로부터 얻어지는 고유 값이다. 이를 위해, 소모 곡선의 90% 지점 및 10% 지점을 통한 선이 그려진다. 상기 간격이 표시된, X축과 상기 선들의 교차점이 확산 길이를 정의한다. 마그네슘-인(in)-수소 시스템에 대한 상기 확산 길이는, 400mbar에서 그리고 600℃인 벽 온도에서 15mm이다. 그러면 상기 시스템 내의 간격(D)에 대한 최소값은 45mm이다. 여기에 60mm인 값을 적용하는 것이 최적이다.
가열 기구(5')를 이용한 가스 배기 요소(7)의 능동적인 가열에 의해, 더욱이 가스 배기 요소(7)의 표면 온도는, 제1 프로세스 단계 동안의 가스 배기 요소(7)의 표면 온도보다 최대 대략 100℃ 더 큰 값에서 유지된다. 이러한 조치의 결과로서, 가스 배기 요소(7) 상의 코팅들의 증발 속도는 적어도 줄어들거나 또는 변하지 않는다.
간격 영역(D) 내의 지지 판(13)의 표면은, 오직 최소의 증착만이 형성되도록 선택된다.
개시된 모든 기술적 특징들은 (그 자체로) 본 발명에 관련된다. 이로써 관련된/첨부된 우선권 서류들(이전 출원의 사본)의 개시 내용도, 이들 문서들의 기술적 특징들을 본 출원의 청구항들에 병합하는 것을 포함하면서, 본 출원의 개시 내용 내에 전부 포함된다.

Claims (17)

  1. 서셉터(2) 상에서 지지되는 하나 이상의 기판들(21) 상에 복수의 성분들로 구성된 반도체 층들을 증착시키는 방법으로서:
    상기 서셉터는 프로세스 챔버(1)의 벽 부분을 형성하고,
    상기 벽 부분은 가열 기구(5)에 의해 프로세스 온도로 가열되고,
    II 또는 III 주족의 유기금속 성분 그리고 V 또는 VI 주족의 수소화물을 포함하며 가스 혼합 시스템(22)에 의해 제공되는 프로세스 가스들은, 가스 흡기 요소(8)의 유동 채널들(15, 16; 18)을 통해 캐리어 가스와 함께 상기 프로세스 챔버(1) 내로 도입되는데, 상기 캐리어 가스는 상기 서셉터(2)에 대해 평행하게 상기 프로세스 챔버(1)를 통해 흘러 가스 배기 요소(7)를 통해 배기되고,
    상기 프로세스 가스들은, 적어도 가열된 기판(21)의 표면 상에서 열분해 방식으로 분해 산물들로 분해되고,
    상기 기판(21) 표면 상의, 그리고 상기 서셉터(2)의 하류 에지(2')로부터 간격(D)을 두고 하류에 위치된 상기 가스 배기 요소(7)의 표면 상의, 적어도 특정 영역들 내에 코팅을 형성하기 위해, 상기 분해 산물들은 성장하고,
    제1 프로세스 단계는 제1 프로세스 온도에서 수행되고, 상기 제1 프로세스 단계 이후에 분해 산물들의 성장에 의해 코팅된 상기 가스 배기 요소(7)의 중간 세정 또는 중간 교체 없이, 제2 프로세스 단계는 제2 프로세스 온도에서 수행되며,
    상기 제2 프로세스 온도는 상기 제1 프로세스 온도보다 적어도 500℃ 만큼 더 높은,
    반도체 층들을 증착시키는 방법에 있어서,
    상기 간격(D)은, 상기 제2 프로세스 온도에서 상기 가스 배기 요소(7)의 코팅으로부터 증발된 분해 산물들의 파편들(fragments) 또는 응집들(agglomerations), 또는 분해 산물들이, 역 유동 확산 또는 재순환에 의해 상기 기판(21)에 도달하는 것을 방지할 수 있도록 크고, 그리고
    상기 두 개의 프로세스 단계들 동안의 상기 가스 배기 요소(7)의 표면 온도들이 단지 최대 100℃ 만큼만 서로 차이가 나도록, 상기 두 개의 프로세스 단계들 동안에 상기 가스 배기 요소(7)의 가열이 제어되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 증착 방법은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방법이고,
    상기 프로세스 가스들은 III 및 IV 주족들의 원소들 또는 II 및 IV 주족들의 원소들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상이한 물질 성분을 사용하여, 상기 두 개의 프로세스 단계들에서 상기 기판(21) 상에 상이한 층들이 증착되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 간격(D)은 증발된 분해 산물들의 확산 길이의 적어도 세 배에 해당하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 배기 요소(7)는 상기 가열 기구에 의해 능동적으로 가열되고,
    상기 두 개의 프로세스 단계들 동안의 상기 가스 배기 요소(7)의 표면 온도가 단지 상기 두 개의 프로세스 단계들에 대한 부가물 형성 온도보다 높은 온도일 수 있도록, 상기 표면 온도가 변하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 프로세스 단계는 증착 프로세스이고,
    상기 제2 프로세스 단계는, 상기 기판들의 교체 이후 선택적으로 수행되는 열 처리 단계인 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키는 방법.
  7. 하나 이상의 기판들(21) 상에 복수의 성분들로 구성된 반도체 층들을 증착시키기 위한 장치로서:
    상기 기판(21)이 지지되며 프로세스 챔버(1)의 벽 부분을 형성하는, 서셉터(2); 그리고
    가스 공급 라인들(27, 28)을 이용하여 가스 혼합 시스템(22)에 연결되는, 가스 흡기 요소(8);를 포함하되,
    상기 프로세스 챔버(1)의 벽 부분은 가열 기구(5)에 의해 프로세스 온도로 가열되고,
    상기 가스 혼합 시스템(22)에 의해 제공되는 프로세스 가스들은, 상기 가스 흡기 요소(8)의 유동 채널들(15, 16, 18)을 통해 캐리어 가스와 함께 상기 프로세스 챔버(1) 내로 도입될 수 있고,
    상기 프로세스 가스들은 II 또는 III 주족의 유기금속 성분 그리고 V 또는 VI 주족의 수소화물을 포함하고 상기 가스 혼합 시스템(22)의 저장조들(23, 25) 내에 저장되며,
    상기 서셉터(2)에 대해 평행하게 상기 프로세스 챔버(1)를 통해 상기 캐리어 가스가 흐르는 방식으로, 상기 유동 채널들(15, 16, 18)은 그리고 상기 캐리어 가스 및 상기 프로세스 가스들이 상기 프로세스 챔버(1)를 빠져나가는 가스 배기 요소(7)는, 상기 프로세스 챔버(1) 내에 배치되고,
    상기 서셉터(2)는, 상기 서셉터(2)로부터 하류에 그리고 상기 서셉터(2)의 하류 에지(2')로부터 간격(D)을 두고 위치된 상기 가스 배기 요소(7)는, 상기 가열 기구(5)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 가열될 수 있되, 적어도 상기 기판(21)의 표면 상에서 상기 프로세스 가스들이 분해 산물들로 분해되어, 상기 기판(21)의 및 상기 가스 배기 요소(7)의 고온(hot) 표면들 상에 적어도 특정 영역들 내에 열분해 방식으로 코팅을 형성하도록 상기 분해 산물들이 성장하는 방식으로 가열될 수 있는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 간격(D)은, 상기 가스 배기 요소(7) 상의 코팅으로부터 증발된 분해 산물들의 파편들 또는 응집들, 또는 분해 산물들이, 역 유동 확산 또는 재순환에 의해 상기 기판(21)에 도달하는 것을 방지할 수 있도록 크고, 그리고
    제1 프로세스 단계는 제1 프로세스 온도에서 수행되고, 제2 프로세스 단계는 제 1 프로세스 온도와 적어도 500℃ 만큼 차이가 나는 제2 프로세스 온도에서 수행되며, 상기 제 1 프로세스 단계 및 제 2 프로세스 단계 동안에 상기 가스 배기 요소(7)의 표면 온도들이 단지 최대 100℃ 만큼만 서로 차이가 나도록, 상기 제 1 프로세스 단계 및 제 2 프로세스 단계 동안 상기 가스 배기 요소(7)의 가열이 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    지지 판(13) 상에서 상기 서셉터(2)가 지지되고,
    상기 지지 판(13)의 에지 영역은, 상기 서셉터(2)의 하류 에지(2')를 넘어(beyond) 바깥쪽으로 상기 가스 배기 요소(7)까지 연장되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    확산 배리어를 형성하는 상기 지지 판(13)은 석영으로 구성되고, 상기 서셉터(2)는 흑연으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    판(14)이 상기 지지 판(13) 밑에 배치되며 마찬가지로 석영으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    가스 배기 요소(7)는 상기 지지 판(13)의 외측 에지에 직접적으로 인접하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 서셉터(2) 밑에 위치된, 하나 이상의 RF(radio-frequency) 나선들에 의해 상기 가열 기구(5)가 형성되고,
    상기 RF 나선들의 최외곽의 권선(5')이 상기 가스 배기 요소(7)를 능동적으로 가열시키는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버(1)는 원형이고, 상기 가스 배기 요소(7)는 상기 프로세스 챔버(1)를 둘러싸며 복수의 개구들(9)을 갖고,
    상기 캐리어 가스와 상기 프로세스 가스들의 반응 생성물들은 상기 개구들(9)을 통해 상기 가스 배기 요소(7)의 수집 체적(10)에 도달하며,
    상기 수집 체적(10)은 배출 채널(11)을 통해 진공 펌프에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 배기 요소(7)의 상기 개구들(9)이 상기 프로세스 챔버(1)의 천장(3)과 마주보는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  15. 제7 항에 있어서,
    개재된 질량 유동 조절기들(26) 및 밸브들을 통해 상기 공급 라인들(27, 28)이 저장조들(23, 24, 25)에 연결되고,
    상기 저장조들(23, 24, 25)은 캐리어 가스를 보유하는 제 1 저장조(24), 유기금속 물질을 보유하는 제 2 저장조(23) 및 수소화물을 보유하는 제 3 저장조(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  16. 제7 항에 있어서,
    상기 가스 배기 요소(7)는, 수평 평면으로 연장되는 상기 서셉터(2)보다 수직적으로 더 낮게 위치되는 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
  17. 제7 항에 있어서,
    상기 간격(D)은 45mm 보다 더 큰 것을 특징으로 하는,
    반도체 층들을 증착시키기 위한 장치.
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