KR101603031B1 - 증착에 의한 반도체 웨이퍼 상의 층 퇴적 장치 - Google Patents

증착에 의한 반도체 웨이퍼 상의 층 퇴적 장치 Download PDF

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Abstract

증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적시키는 장치는, 전방측과 후방측을 갖는 서셉터; 상기 서셉터를 회전시키는 축으로서, 상단부와 하단부를 갖고, 상기 하단부로부터 상기 상단부로 연장되는 채널이 제공된 축; 상기 축의 상단부에 고정되어 냉각 가스에 의해 상기 서셉터의 후방측의 영역을 냉각 - 상기 냉각된 영역은 상기 서셉터의 중심으로부터 방사상 외측으로 연장됨 - 시키는 가스 분배 헤드; 및 소스로부터의 상기 냉각 가스를 상기 축의 하단부로 공급하는 라인을 포함하고, 상기 축의 하단부로부터의 상기 냉각 가스는 상기 축의 상기 상단부로 상기 채널을 통과하여 상기 분배 헤드로 들어가고 상기 서셉터의 후방측으로 지향된다.

Description

증착에 의한 반도체 웨이퍼 상의 층 퇴적 장치{DEVICE FOR DEPOSITING A LAYER ON A SEMICONDUCTOR WAFER BY MEANS OF VAPOUR DEPOSITION}
본 발명은 증착에 의한 반도체 웨이퍼 상의 층 증착 장치 및 상기 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.
이러한 타입의 장치는 예컨대 US2004/0144323 A1에 개시되어 있다. 이 장치는 반응 챔버를 규정하는 측벽과 투명 물질로 구성되는 상부 커버와 하부 커버를 포함한다. 반응 챔버는 하부 반응 챔버와 상부 반응 챔버로 서셉터(susceptor)에 의해 분할된다. 서셉터는 코팅될 반도체 웨이퍼를 지지하고, 서셉터 자체는 서셉터와 반도체 웨이퍼를 회전시키는 축(shaft)의 상단부를 형성하는 지지 프레임의 암(arm) 상에 놓여 있다(rest). 상부 램프 뱅크(upper lamp bank)와 하부 램프 뱅크(lower lamp bank)는 서셉터와 반도체 웨이퍼를 가열한다. 증착 가스는 상부 반응 챔버를 통해 반도체 웨이퍼의 표면에 평행하게 안내되고, 프로세스(process)에서 열적으로 분해되며, 퇴적 생성물(deposition product)은 반도체 웨이퍼의 전방측의 표면 상에 가능한 한 균일한 두께로 층을 형성하도록 퇴적된다. 이와 동시에, 퇴적 가스 또는 그 분해 생성물이 서셉터의 후방측 및 반도체 웨이퍼의 후방측으로 통과하는 것을 방지하기 위해, 정화 가스(purge gas)가 하부 반응 챔버를 통해 안내된다.
US 4,821,674는, 퇴적 가스가 서셉터 아래 영역으로 통과하는 것을 방지하기 위해, 축을 통해 그리고 축과 축을 둘러싸는 튜브 사이에 존재하는 갭을 통해 정화 가스가 안내될 수 있는 것을 개시하고 있다.
그러나, 반도체 웨이퍼 상에 균일한 두께의 층을 퇴적시키는 것은 문제점들을 나타낸다. 램프 뱅크의 전력 및 퇴적 가스와 정화 가스의 체적 유량과 같은 중대한 프로세스 파라미터의 최적화 이후에도, 코팅된 반도체 웨이퍼의 분석 이후에, 층 두께가 반도체 웨이퍼의 엣지 영역(edge region)보다 반도체 웨이퍼의 중심에서 약간 더 크다는 것을 알아냈다.
본 발명의 목적은 더 균일한 층 두께를 달성하는 것이다.
본 발명의 발명자는, 코팅된 반도체 웨이퍼의 중심에 형성된 증가된 층 두께가 서셉터의 중심 영역에서의 온도 증가에 기인한다는 것과, 국부적인 온도 증가는 상기 프로세스 파라미터의 최적화에 의해 회피될 수 없다는 것을 발견하였다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위해, 증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적하는 장치가 제안되고, 상기 장치는, 전방측과 후방측을 갖는 서셉터; 상기 서셉터를 회전시키는 축으로서, 상단부와 하단부를 갖고, 상기 하단부로부터 상기 상단부로 연장되는 채널이 제공된 축; 상기 축의 상단부에 고정되어 냉각 가스에 의해 상기 서셉터의 후방측의 영역을 냉각 - 상기 냉각된 영역은 상기 서셉터의 중심으로부터 방사상 외측으로 연장됨 - 시키는 가스 분배 헤드; 및 상기 냉각 가스를 소스로부터 상기 축의 상기 하단부로 공급하는 라인(line)을 포함하고, 상기 냉각 가스는 상기 축의 상기 하단부로부터 상기 축의 상단부로 상기 채널을 통과하여 상기 분배 헤드로 들어가고 상기 서셉터의 상기 후방측으로 지향된다.
또한, 본 발명은 상기 장치가 사용되는 방법에 관한 것이다.
또한, 서셉터의 중심으로부터 궁극적으로 방사상 외측으로 연장되는 서셉터의 후방측의 영역의 냉각은, 반도체 웨이퍼의 전방측의 중심 및 중심 주변에서 방사상으로 연장되는 반도체 웨이퍼의 전방측의 표면의 영역에서 반도체 웨이퍼의 코팅될 표면 상의 온도 감소를 초래한다. 낮은 온도에 의해, 층의 퇴적 속도가 순차적으로 감소되어, 목표가 되는 냉각 측정에 의해 방사상으로 더 균일한 층 두께 분포가 달성될 수 있다.
냉각 측정은, 냉각 가스의 효과를 서셉터의 중심으로부터 방사상 외측으로 연장되는 서셉터의 후방측의 영역으로 지향시키고 제한하는 가스 분배 헤드의 사용을 포함한다. 상기 영역의 직경은 코팅될 반도체 웨이퍼의 직경보다 작고, 직경의 비(ratio)(d/D)는 0.1보다 작지 않고 0.4보다 크지 않은 것이 바람직하며, d는 서셉터의 후방측의 냉각된 영역의 직경을 나타내고, D는 서셉터 상에 배치되는 코팅될 반도체 웨이퍼의 직경을 나타낸다. 냉각된 영역의 직경이 너무 크면 냉각되지 않아야 하는 반도체 웨이퍼의 영역도 냉각되기 때문에 냉각된 영역의 직경은 너무 크게 되지 않아야 한다. 그러나 또한, 상기 직경이 너무 작으면 냉각되어야 하는 반도체 웨이퍼의 영역이 냉각되지 않기 때문에 상기 직경은 너무 작게 되지 않아야 한다.
가스 분배 헤드는 애플리케이션에 따라 상이하게 구현될 수 있다. 팬 아웃 방식(fanned-out fashion)에서 유출 냉각 가스의 유동(flow)을 서셉터의 후방측으로 지향시키는 가스 분배 헤드가 선택된다. 서셉터의 후방측의 냉각된 영역은 가스 분배 헤드를 남기는 가스 유동에 의해 직접적으로 영향을 받는 영역이다. 가스 분배 헤드는 가스 유동을 팬 아웃(fanning out)하기 위한 특정 개구 각도(opening angle)와 서셉터의 후방측으로부터의 특정 거리를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 장치는, 1 slm보다 적지 않고 20 slm보다 크지 않은 방식으로 서셉터의 후방측의 영역을 냉각시키는 냉각 가스의 체적 유량(volumetric flow rate)을 설정하는 질량 유량 제어기(mass flow controller) 또는 질량 유량 리미터(mass flow limiter)를 포함하는 것이 바람직하다. 체적 유량이 20 slm보다 큰 경우에, 냉각 가스의 효과가 의도된 효과를 초과하고 궁극적으로 반도체 웨이퍼의 표면의 중심에 의도한 것보다 적은 물질이 퇴적될 위험이 있다.
냉각 가스는 수소, 질소 또는 영족 기체 또는 언급된 가스들의 임의의 소망하는 혼합물인 것이 바람직하다.
반도체 웨이퍼는 단결정 실리콘(monocrystalline silicon)으로 구성되는 것이 바람직하다. 퇴적층은 전기적 활성 불순물(electrically active dopant)로 도핑될 수 있는 에티택셜 증착된 실리콘(epitaxially deposited silicon)으로 구성되는 층인 것이 바람직하다. 코팅될 반도체 웨이퍼의 직경은 300 mm 보다 작지 않은 것이, 특히 바람직하게는 300 mm 또는 450 mm인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 이해에 도움이 되지 않는 일부 특징부가 도시되지 않은, 본 발명에 의한 장치를 통한 수직 단면도를 나타낸다.
도 2는 위에 놓인 반도체 웨이퍼와 서셉터에 관한 바람직한 실시형태의 가스 분배 헤드의 적합한 위치를 나타낸 유사한 수직 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 의한 방식에서 실리콘으로 구성된 층으로 에피택셜 코팅되는 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼의 기본 실시예에서의 층 두께 h의 방사상 분포(radial distribution)를 나타낸다.
도 4는 다른 매우 유사하지만 코팅 중에 서셉터의 후방측에 냉각 가스가 제공되어 냉각되는 방식으로 코팅된 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼의 기본 실시예에서의 층 두께 h의 방사상 분포를 비교의 목적으로 나타낸다.
도 1에 의한 장치는 코팅될 반도체 웨이퍼(5)를 지지하는 서셉터(3)를 포함하고, 이 장치 자체는 지지 프레임(1)의 암(arm)에 놓여있다. 회전축(7)의 상단부 상에 가스 분배 헤드(9)와 함께 지지 프레임이 배치되어 있다. 축은 튜브(6)에 의해 둘러싸이고, 튜브(6)는 지지링(2)을 형성하기 위해 상단부에서 연장되고, 지지링(2)에는 서셉터(3) 상의 반도체 웨이퍼(5)를 승강시키기 위한 리프팅 핀(lifting pin)(4)이 배치된다. 튜브(6)와 축(7) 사이에는 갭(gap)이 있고, 상기 갭은 지지링까지 상방으로 연장된다. 축의 하단부는 냉각 가스를 제공하는 소스(10)에 라인을 통하여 접속된다. 질량 유량 제어기 또는 질량 유량 리미터(8)는 상기 라인에 바람직하게 통합되고, 냉각 가스의 체적 유량을 제어 또는 제한한다. 본 발명의 하나의 바람직한 구성에 의하면, 장치는, 추가 가스를 공급하기 위해, 가스의 추가 소스(11), 추가 라인 및 추가 질량 유량 제어기 또는 질량 유량 리미터(12)를 포함한다. 냉각 가스의 성분 또는 다른 성분을 가질 수 있는 상기 추가 가스는 반응 가스가 없는 튜브의 상단부에서 추가 가스의 출구 영역을 유지하는 정화 가스(purge gas)로서 사용된다.
가스 분배 헤드(9)는, 도 2에 도시된 바와 같이 레볼루션(revolution)의 원뿔형으로 연장된 바디(body)의 형태를 갖는 것이 바람직하고, 가스 유동을 팬 아웃(fan out)한다. 직경의 비(ratio)(d/D) = 0.1로 주어지면, 300 mm의 직경(D)을 갖는 반도체 웨이퍼가 코팅되는 것을 의도하는 경우에, 서셉터의 후방측의 냉각될 영역의 직경(d1)은 38 mm의 길이를 갖는다. 이것을 목적으로, 가스 분배 헤드와 서셉터의 후방측 사이의 거리(A1)는 대략 11 mm가 되어야 하고, 가스 분배 헤드는 대략 20°의 개구 각도(W1)로 가스 분배 헤드를 남기고 가스 유동을 팬 아웃해야 한다. 직경의 비(ratio)(d/D) = 0.4로 주어지면, 300 mm의 직경(D)을 갖는 반도체 웨이퍼가 코팅되는 것을 의도하는 경우에, 서셉터의 후방측의 냉각될 영역의 직경(d2)은 152 mm의 길이를 갖는다. 이것을 목적으로, 가스 분배 헤드와 서셉터의 후방측 사이의 거리(A2)는 대략 81 mm가 되어야 하고, 가스 분배 헤드는 대략 37°의 개구 각도(W2)로 가스 분배 헤드를 남기고 가스 유동을 팬 아웃해야 한다.
실시예:
도 3 및 도 4의 비교에 의해 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 장치가 사용되는 경우에 후자의 두께 h의 방사상 분포가 현저히 더 균일하게 된다.

Claims (4)

  1. 증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적시키는 장치에 있어서,
    전방측과 후방측을 갖는 서셉터(susceptor);
    상기 서셉터를 회전시키는 축(shaft)으로서, 상단부와 하단부를 갖고 상기 하단부로부터 상기 상단부로 연장되는 채널이 제공된 축;
    상기 축의 상기 상단부에 고정되어 냉각 가스에 의해 상기 서셉터의 후방측의 영역을 냉각 - 상기 냉각된 영역은 상기 서셉터의 중심으로부터 방사상 외측으로 연장됨 - 시키는 가스 분배 헤드(gas distributor head); 및
    상기 냉각 가스를 소스로부터 상기 축의 상기 하단부로 공급하는 라인(line)
    을 포함하고,
    상기 축의 상기 하단부로부터의 상기 냉각 가스는 상기 축의 상단부로 상기 채널을 통과하여 상기 분배 헤드로 들어가고 상기 서셉터의 상기 후방측으로 지향되며,
    상기 가스 분배 헤드는 비(ratio)(d/D)가 0.1보다 작지 않고 0.4보다 크지 않은 방식으로 구현되고, 상기 d는 상기 서셉터의 상기 후방측의 상기 냉각된 영역의 직경을 나타내며, 상기 D는 상기 서셉터 상에 배치되는 코팅될 반도체 웨이퍼의 직경을 나타내는 것인, 증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적시키는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 1 slm보다 적지 않고 20 slm보다 크지 않은 방식으로 상기 가스 분배 헤드를 떠나는 상기 냉각 가스의 체적 유량(volumetric flow rate)을 제어하거나 제한하는 질량 유량 제어기(mass flow controller) 또는 질량 유량 리미터(mass flow limiter)를 포함하는, 증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적시키는 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 장치를 사용하여 증착에 의해 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적시키는 방법.
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