KR102649400B1 - 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법은, 챔버 내에 웨이퍼를 반입하고, 에피택셜 성장하고, 챔버 외로 웨이퍼를 반출하고, 그 후, 염화 수소 가스를 사용하여, 챔버 내를 클리닝하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서, 클리닝을 실시한 후에, 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 챔버 내에 형성되고, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재를 교환할지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 한다.

Description

에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법
본 발명은, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
에피택셜 실리콘 웨이퍼는, 에피택셜 성장 장치의 챔버 내로의 웨이퍼의 반입, 에피택셜 성장, 및 챔버 외로의 웨이퍼의 반출을 1 사이클로 하여, 이 사이클을 반복함으로써 순차 제작된다.
에피택셜 성장에서는, 원료 가스로부터 발생한 부생성물이 챔버의 내벽이나 챔버 내에 형성된 부재에 퇴적한다. 이 부생성물을 방치한 상태에서 상기 사이클을 반복하면, 부생성물로부터 파티클이 발생하여, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질에 악영향을 미친다. 그 때문에, 상기 사이클을 일정 횟수 반복하면 챔버 내의 부재에 퇴적한 부생성물을 제거할 필요가 있다. 부생성물을 제거하기 위해서는, 챔버 내의 부재를 가열하고, 부재에 퇴적한 부생성물을 에칭 가스에 의해 제거하는 클리닝 프로세스를 추가로 실시하는 방법이나, 부생성물이 퇴적한 부재를 챔버 외로 꺼내고, 웨트 에칭 또는 드라이 에칭 등의 에칭에 의해 부생성물을 제거하는 방법이 있다. 부생성물이 제거된 부재는, 다시 에피택셜 성장에 사용하는 것이 가능하지만, 클리닝 프로세스나 에칭을 다수회 반복하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되므로, 부재를 교환할 필요가 있다.
특허문헌 1 에서는, 상기 사이클을 반복함으로써 서셉터 등의 웨이퍼 유지구에 퇴적한 부생성물의 누적 막두께가 소정의 임계값을 초과했을 때에, 웨이퍼 유지구를 교환하는 기술이 개시되어 있다.
국제 공개 제2015/30047호
특허문헌 1 에서는, 부생성물의 누적 막두께에 기초하여, 챔버 내에 형성된 부재를 교환하고 있다. 부재의 표면에 퇴적하는 부생성물의 두께를 실리콘 웨이퍼 상에 성장하는 에피택셜층의 막두께와 동등하다고 간주하여, 본 발명자들이 이하의 실험을 실시한 결과, 누적 막두께에 기초하여, 챔버 내의 부재를 교환할지의 여부를 판정하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크가 있는 것이 판명되었다. 즉, 챔버 내로의 웨이퍼의 반입, 에피택셜 성장, 및 챔버 외로의 웨이퍼의 반출을 복수 회 반복한 후에, 염화 수소 가스를 사용하여 챔버 내의 클리닝을 실시하는 프로세스를 복수 회 반복하였다. 그 후, 특허문헌 1 과 같이 누적 막두께에 기초하여, 챔버 내의 부재를 교환할지의 여부를 판정하였다. 그러면, 누적 막두께에 기초하여, 챔버 내의 부재를 교환할지의 여부를 판정하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크가 있는 것이 판명되었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 실리콘 에피택셜층의 품질을 조사하였다. 그러면, 부생성물의 누적 막두께가 동일해도, 에피택셜 성장 후에 실시하는 클리닝의 횟수에 따라, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질에 영향을 줄 우려가 있는 것을 알았다. 에피택셜 성장을 실시하면, 챔버 내의 부재에는 부생성물이 퇴적하는 영역과 퇴적이 적은 영역이 발생하고, 부생성물의 퇴적이 적은 영역은, 클리닝시에 염화 수소 가스에 직접 노출된다. 특히, 클리닝 빈도가 높아질수록, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재에 대해서는, 부생성물의 퇴적이 적은 영역에 있어서, 염화 수소 가스에 의해 보다 에칭된다. 그리고, 에칭에 의해 탄화 규소막의 잔존 막두께가 작아지면, 탄화 규소막을 투과하는 모재 중의 흑연이나 메탈의 양이 증가하고, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하된다. 요컨대, 부생성물의 누적 막두께가 동일한 경우에도, 클리닝 빈도에 따라, 부생성물이 퇴적하지 않은 영역에 있어서의 탄화 규소막의 잔존 막두께가 상이하고, 이것에 기인하여 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크가 있는 것이 판명되었다. 그리고, 추가적인 검토를 진행한 결과, 탄화 규소막의 잔존 막두께와의 상관이 강한 염화 수소 가스의 누적 공급량 및 누적 에칭량에 주목하면, 서셉터 등의 부재의 교환 시기를 바르게 판정할 수 있고, 그 결과, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있는 것을 지견하였다.
본 발명은, 상기 지견에 기초하는 것이며, 그 요지 구성은 이하와 같다.
(1) 에피택셜 성장 장치의 챔버 내에 실리콘 웨이퍼를 반입하고,
상기 챔버 내에 원료 가스를 공급하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층을 성장시켜, 상기 실리콘 웨이퍼를 에피택셜 실리콘 웨이퍼로 하고,
상기 챔버 외로 상기 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 반출하고,
그 후, 상기 챔버 내에 염화 수소 가스를 공급하여, 상기 챔버 내를 클리닝하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서,
상기 클리닝을 실시한 후에, 상기 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 상기 챔버 내에 형성되고, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재를 교환할지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
(2) 상기 에피택셜 성장 장치는, 상기 실리콘 웨이퍼를 재치 (載置) 하는 서셉터와, 상기 서셉터의 외주에 소정의 간극을 개재하여 형성된 프리히트 링을 구비하고,
상기 부재는, 상기 서셉터 및 상기 프리히트 링 중에서 선택되는 1 개 이상의 부재인, 상기 (1) 에 기재된 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
(3) 상기 클리닝 중에, 상기 염화 수소 가스의 공급량을 계측하고, 상기 클리닝을 실시한 후에, 상기 염화 수소 가스의 누적 공급량이 소정의 임계값을 초과하기 전에, 상기 부재를 교환한다고 판정하는, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서 사용할 수 있는 에피택셜 성장 장치 (100) 의 모식도이다.
도 2 는, 에피택셜 성장시에 있어서의, 에피택셜 성장 장치 (100) 가 구비하는 서셉터 (20) 및 프리히트 링 (70) 과, 실리콘 웨이퍼 (W) 의 위치 관계와, 에피택셜 성장시에 퇴적하는 부생성물 (B) 을 설명하는 모식도이다.
도 3A 는, 싱글 웨이퍼 디포지션 프로세스에 있어서의 챔버 (10) 내의 온도 이력을 설명하는 그래프이다.
도 3B 는, 멀티 웨이퍼 디포지션 프로세스에 있어서의 챔버 (10) 내의 온도 이력을 설명하는 그래프이다.
도 4A 는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 염화 수소 가스의 누적 공급량에 대해 플롯한 발명예의 그래프이다.
도 4B 는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께에 대해 플롯한 비교예의 그래프이다.
도 5 는, 본 발명의 일 실시형태에 의한 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 설명하는 플로 차트이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
(에피택셜 성장 장치)
도 1 을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 있어서 사용할 수 있는 에피택셜 성장 장치 (100) 를 설명한다. 에피택셜 성장 장치 (100) 는, 챔버 (10) 와, 서셉터 (20) 와, 서셉터 서포트 샤프트 (30) 와, 3 개의 리프트 핀 (40) (1 개는 도시 생략) 과, 승강 샤프트 (50) 와, 가열 램프 (60) 와, 프리히트 링 (70) 과, 가스 유량계 (도시 생략) 와, 제어부 (도시 생략) 를 구비한다.
[챔버]
챔버 (10) 는, 상부 돔 (11), 하부 돔 (12), 및 돔 장착체 (13) 를 포함하고, 챔버 (10) 가 실리콘 에피택셜층의 성장실을 구획한다. 챔버 (10) 에는, 그 측면의 대향하는 위치에 원료 가스 또는 염화 수소 가스의 공급 및 배출을 실시하는 가스 공급구 (14) 및 가스 배출구 (15) 가 형성되어 있다.
[서셉터]
서셉터 (20) 는, 챔버 (10) 내에서 실리콘 웨이퍼 (W) 를 재치하는 원반상의 부재이다. 여기서, 서셉터 (20) 의 표면 중, 상부 돔 (11) 측의 면을 서셉터 (20) 의 표면으로 하고, 그 반대측의 면을 서셉터 (20) 의 이면으로 한다. 도 2 도 참조하여, 서셉터 (20) 의 표면에는, 실리콘 웨이퍼 (W) 를 재치하는 원형의 오목부 (이하 「스폿 페이싱부」라고 칭한다) (22) 가 형성되어 있다. 또, 서셉터 (20) 의 표면은, 표면 최외주부 (23) 와, 제 1 세로 벽면 (24) 과, 웨이퍼 지지면 (25) 과, 제 2 세로 벽면 (26) 과, 표면 중심부 (27) 를 포함한다. 스폿 페이싱부 (22) 는, 제 1 세로 벽면 (24), 웨이퍼 지지면 (25), 제 2 세로 벽면 (26), 및 표면 중심부 (27) 로 구성된다. 표면 최외주부 (23) 는, 스폿 페이싱부 (22) 의 주위에 위치한다. 제 1 세로 벽면 (24) 은, 표면 최외주부 (23) 의 내주단으로부터 연속하고, 스폿 페이싱부 (22) 의 일부를 구성하는 벽면이다. 웨이퍼 지지면 (25) 은, 제 1 세로 벽면 (24) 으로부터 연속하고, 스폿 페이싱부 (22) 의 일부를 구성하는 평탄면으로서, 실리콘 웨이퍼 (W) 의 이면 주연부를 접촉 지지한다. 제 2 세로 벽면 (26) 은, 웨이퍼 지지면 (25) 의 내주단으로부터 연속하고, 스폿 페이싱부 (22) 의 일부를 구성하는 벽면이다. 표면 중심부 (27) 는, 제 2 세로 벽면 (26) 으로부터 연속하고, 스폿 페이싱부 (22) 의 바닥면을 구성한다. 또, 서셉터 (20) 는, 그 표면으로부터 이면을 향하여 서셉터 (20) 를 관통하는 3 개의 관통공 (21) (1 개는 도시 생략) 을 둘레 방향으로 120°의 등간격으로 갖는다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 각 관통공 (21) 에는, 후술하는 리프트 핀 (40) 이 각각 삽입 통과된다. 서셉터 (20) 는, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막 (예를 들어 SiC 막 : 비커스 경도 2,346 kgf/㎟) 으로 피복되어 이루어지는 부재로 할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「실리콘 웨이퍼의 이면 주연부」란, 실리콘 웨이퍼 (W) 의 외주단으로부터 그 중심을 향하여 2 ㎜ 정도의 환상의 이면의 영역을 의미한다.
[서셉터 서포트 샤프트]
서셉터 서포트 샤프트 (30) 는, 챔버 (10) 내에서 서셉터 (20) 를 하방으로부터 지지하는 것이고, 주기둥 (31) 과, 3 개의 아암 (32) (1 개는 도시 생략) 과, 3 개의 지지 핀 (33) (1 개는 도시 생략) 을 갖는다. 주기둥 (31) 은, 서셉터 (20) 의 중심과 동축 상에 배치된다. 3 개의 아암 (32) 은, 주기둥 (31) 으로부터 서셉터 (20) 의 주연부 하방에 방사상으로 연장된다. 각 아암 (32) 은, 그 연장 방향에 수직인 단면의 형상이 직사각형이고, 아암 (32) 의 4 개의 면 중, 서셉터 (20) 측의 면을 아암 (32) 의 상면으로 하고, 그 반대측의 면을 아암 (32) 의 하면으로 한다. 각 아암 (32) 은, 그 상면으로부터 하면을 향하여 아암 (32) 을 관통하는 관통공 (34) 을 갖는다. 각 관통공 (34) 에는, 후술하는 리프트 핀 (40) 이 각각 삽입 통과된다. 각 지지 핀 (33) 은, 각 아암 (32) 의 선단에 있어서 서셉터 (20) 를 직접 지지한다. 서셉터 서포트 샤프트 (30) 는, 연직 방향을 따라 상하동함으로써, 서셉터 (20) 를 상하 방향으로 승강시킨다. 서셉터 서포트 샤프트 (30) 는, 석영 (비커스 경도 1,103 kgf/㎟) 으로 구성하는 것이 바람직하고, 합성 석영으로 구성하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 본 명세서에 있어서 「서셉터의 주연부」란, 서셉터 (20) 의 중심으로부터 서셉터 반경의 80 ％ 이상 외측의 영역을 의미한다. 또, 에피택셜 성장 장치 (100) 에 있어서의 아암 (32) 의 수는 3 개이지만, 이것으로 한정되지 않는다.
[리프트 핀]
각 리프트 핀 (40) 은, 서셉터 (20) 의 각 관통공 (21) 과 아암 (32) 의 각 관통공 (34) 에 각각 삽입 통과되고, 후술하는 승강 샤프트 (50) 에 의해 상하 방향으로 승강된다. 각 리프트 핀 (40) 의 재질은, 석영, SiC, 또는 글래시 카본으로 할 수 있다. 또한, 에피택셜 성장 장치 (100) 에 있어서의 리프트 핀 (40) 의 수는 3 개이지만, 이것으로 한정되지 않는다.
[승강 샤프트]
승강 샤프트 (50) 는, 서셉터 서포트 샤프트의 주기둥 (31) 과 회전축을 함께 하는 승강 샤프트의 주기둥 (51) 과, 승강 샤프트의 주기둥 (51) 의 선단에서 분기되는 3 개의 지주 (支柱) (52) 를 갖는다. 여기서, 승강 샤프트의 주기둥 (51) 은, 서셉터 서포트 샤프트의 주기둥 (31) 을 수용하는 중공을 구획한다. 또, 각 지주 (52) 의 선단에서는, 각 리프트 핀 (40) 의 하단이 각각 지지된다. 승강 샤프트 (50) 는, 실리콘 웨이퍼 (W) 의 반입 및 반출시에, 연직 방향을 따라 상하동함으로써, 각 리프트 핀 (40) 을 상하 방향으로 승강시킨다. 승강 샤프트 (50) 는, 석영으로 구성하는 것이 바람직하다.
[가열 램프]
가열 램프 (60) 는, 챔버 (10) 의 상측 영역 및 하측 영역에 배치된다. 가열 램프 (60) 에는, 승강온 속도가 빠르고, 또한 온도 제어가 우수한 할로겐 램프 또는 적외 램프를 사용하는 것이 바람직하다.
[프리히트 링]
프리히트 링 (70) 은, 서셉터 (20) 의 외주에 1 ∼ 3 ㎜ 의 간극을 개재하여 형성된다. 프리히트 링 (70) 은, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막 (예를 들어 SiC 막 : 비커스 경도 2,346 kgf/㎟) 으로 피복되어 이루어지는 부재로 할 수 있다. 프리히트 링 (70) 은, 가열 램프 (60) 에 의해 가열되고, 챔버 (10) 내에 공급한 원료 가스를 실리콘 웨이퍼 (W) 와의 접촉 전에 예열하고, 또한, 서셉터 (20) 의 예열을 실시한다. 이렇게 함으로써, 에피택셜 성장 전 및 에피택셜 성장 중의 실리콘 웨이퍼의 열균일성이 높아진다. 특히, 서셉터 (20) 의 주변부의 온도를 중심부의 온도와 동등하게 유지할 수 있다. 따라서, 프리히트 링 (70) 의 내주 부분의 온도는, 승온시의 서셉터 (20) 의 온도와 동등한 온도가 된다.
[가스 유량계]
가스 유량계로는, 매스 플로 컨트롤러를 들 수 있다. 챔버 (10) 내에 도입되는 염화 수소 가스를 포함하는 모든 가스에 대해, 각각 매스 플로 컨트롤러가 설치된다. 매스 플로 컨트롤러는, 가스 공급구 (14) 보다 상류측의 상온 부분에 배치되고, 가스의 유량이 설정값이 되도록 고정밀도로 제어하면서, 가스의 실측 유량 (즉 공급량) 을 계측한다.
[제어부]
제어부는, 염화 수소 가스의 누적 공급량을 산출하는 연산부와, 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 챔버 (10) 내의 부재의 교환을 실시할지의 여부를 판정하는 판정부를 갖는다. 제어부는, 컴퓨터 내부의 중앙 연산 처리 장치 (CPU) 등에 의해 실현할 수 있다. 이와 같이, 염화 수소 가스의 실측 유량에 기초하는 판정에 의해, 부재의 교환 판정을 고정밀도로 예측할 수 있다.
(에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법)
이하에서는, 도 1 을 참조하여, 상기 서술한 에피택셜 성장 장치 (100) 를 사용하여 실시하는 것이 가능한 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법의 일례를 설명한다. 또한, 염화 수소 가스의 누적 공급량은 초기화되어 있다.
[웨이퍼의 반입]
스텝 S110 에 있어서, 램프 (60) 에 의해 600 ℃ 이상 900 ℃ 이하로 미리 가열한 챔버 (10) 내에, 반송 블레이드를 사용하여 실리콘 웨이퍼 (W) 를 서셉터 (20) 상에 반입한다. 그 후, 각 리프트 핀 (40) 으로 실리콘 웨이퍼 (W) 를 일단 지지한다. 그 후, 서셉터 (20) 를 상방향으로 이동시켜, 실리콘 웨이퍼 (W) 를 서셉터 (20) 에 재치한다.
[에피택셜 성장]
계속해서, 스텝 S120 에 있어서, 가열 램프 (60) 에 의해 챔버 (10) 내의 온도를 1000 ℃ 이상 1200 ℃ 이하로 승온시킨다. 그 후, 트리클로로실란 또는 디클로로실란 등의 원료 가스를 가스 공급구 (14) 로부터 챔버 (10) 내에 공급한다. 이로써, 원료 가스가 실리콘 웨이퍼 (W) 의 표면을 따라 층류 상태로 흐르고, 실리콘 웨이퍼 (W) 상에 실리콘 에피택셜층이 성장하고, 에피택셜 실리콘 웨이퍼 (W) 가 얻어진다.
또한, 에피택셜 성장을 실시하기 전에, 수소 베이크 처리를 실시함으로써, 실리콘 웨이퍼 (W) 의 표면에 형성된 자연 산화막을 제거해 두는 것이 바람직하다. 수소 베이크 처리의 조건은, 챔버 (10) 내를 수소 분위기로 하고, 가열 램프 (60) 에 의해 1100 ℃ 이상 1200 ℃ 이하의 온도 범위로 승온시킨 챔버 (10) 내에서, 30 초 이상 1 분 이하동안 유지하는 것이다. 또한, 에피택셜 성장을 실시하기 전에 염화 수소에 의한 웨이퍼의 에칭 처리를 실시해도 된다. 에칭 처리에서는, 1 분 이내 1 SLM 이하에서, 염화 수소를 챔버 (10) 내에 공급하고, 웨이퍼의 표면을 얇게 제거한다. 염화 수소의 공급량이 이 정도이면, 서셉터 (20) 및 프리히트 링 (70) 은, 거의 에칭되지 않는다.
[웨이퍼의 반출]
계속해서, 스텝 S130 에 있어서, 챔버 (10) 내의 온도를 1000 ℃ 이상 1200 ℃ 이하에서 600 ℃ 이상 900 ℃ 이하로 강온시킨다. 그 후, 서셉터 (20) 를 하방향으로 이동시켜, 에피택셜 실리콘 웨이퍼 (W) 를 각 리프트 핀 (40) 으로 일단 지지한다. 그 후, 에피택셜 실리콘 웨이퍼 (W) 를 각 리프트 핀 (40) 으로부터 반송 블레이드에 넘겨주고, 반송 블레이드와 함께 챔버 (10) 외로 반출한다.
[챔버 내의 클리닝]
본 실시형태에서는, 상기 서술한 웨이퍼의 반입, 에피택셜 성장, 및 웨이퍼의 반출을 실시한 후에, 후술하는 클리닝을 실시한다. 여기서, 본 발명에 있어서의 클리닝 빈도는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명은, 도 3A 에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼의 반입, 에피택셜 성장, 및 웨이퍼의 반출을 1 회 실시할 때마다 클리닝을 1 회 실시하는 싱글 웨이퍼 디포지션 프로세스에 적용할 수 있다. 또, 본 발명은, 도 3B 에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼의 반입, 에피택셜 성장, 및 웨이퍼의 반출을 2 ∼ 8 회 반복한 후에, 클리닝을 1 회 실시하는 멀티 웨이퍼 디포지션 프로세스에 적용할 수도 있다. 또한, 도 3A, B 에 있어서, 화살표로 나타내는 「원료 가스」를 공급하는 부분은, 에피택셜 성장 시간에 해당하고, 화살표로 나타내는 「염화 수소 가스」를 공급하는 부분은, 클리닝 시간에 해당한다. 또, 클리닝 빈도를 나타내는 지표를 「전 (前) 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 에피택셜 성장의 횟수의 역수」로 하고, 이 지표가 클수록 클리닝 빈도가 높다고 정의한다. 도 3A 에서는 이 지표가 1/1 이 되고, 도 3B 에서는 이 지표가 1/3 이 되므로, 도 3A 의 경우가 도 3B 의 경우보다 클리닝 빈도가 높다.
에피택셜 성장을 실시하면, 도 2 에 나타내는 바와 같이 원료 가스로부터 발생한 실리콘의 부생성물 (B) 이 챔버 (10) 내에 형성된 부재의 표면에 퇴적한다. 부생성물 (B) 은, 에피택셜 성장을 반복함에 따라 막두께가 증가하고, 파티클이 되어 실리콘 에피택셜층의 표면 등에 부착하여, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질을 저하시킨다. 그 때문에, 챔버 (10) 내를 정기적으로 클리닝하여, 부생성물 (B) 을 제거할 필요가 있다.
그래서, 스텝 S140 에 있어서, 염화 수소 가스를 가스 공급구 (14) 로부터 챔버 (10) 내에 공급하여, 챔버 (10) 내의 클리닝을 실시한다. 이로써, 염화 수소 가스와 부생성물이 반응하고, 부생성물이 에칭되어 제거된다.
염화 수소 가스의 공급 시간은, 통상, 부생성물을 제거하는 것을 목적으로 하여, 부생성물의 누적 두께보다 오버 에칭하도록, 예를 들어 하기 (1) 식을 사용하여 산출할 수 있다.
[염화 수소 가스의 공급 시간] = [성막 레이트 × 전 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 토탈의 에피택셜 성장 시간]/[에칭 레이트] ＋ [오버 에칭 시간]…(1)
「성막 레이트 × 전 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 토탈의 에피택셜 성장 시간」이란, 웨이퍼의 표면에 성장한 에피택셜층의 누적 막두께여도 된다. 에피택셜층의 누적 막두께를, 부재 상에 퇴적된 부생성물의 누적 두께와 동등 이하로 간주하여, 부생성물을 에칭하는 것이 바람직하다. 또, 에피택셜층의 성막 레이트는, 0.5 ㎛/min 이상 4.0 ㎛/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.5 ㎛/min 이상이면, 소정의 막두께로 성장시키기 위해서 많은 시간이 걸릴 우려가 없기 때문이고, 4.0 ㎛/min 이하이면, 에피택셜층의 성장이 지나치게 빨라서 웨이퍼의 표면이나 부재 상의 부생성물의 표면이 거칠어질 우려가 없고, LPD 가 발생할 우려가 없기 때문이다. 「전 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 토탈의 에피택셜 성장 시간」이란, 원료 가스를 챔버 (10) 내에 도입하고 있는 시간의 누적 시간이다. 따라서, 싱글 웨이퍼 디포지션 프로세스의 경우, 1 장의 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜 성장하기 위해서 원료 가스를 챔버 (10) 내에 도입한 시간이 「전 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 토탈의 에피택셜 성장 시간」이 된다. 또, 멀티 웨이퍼 디포지션 프로세스의 경우에는, 복수 장의 실리콘 웨이퍼 상에 에피택셜 성장하기 위해서 원료 가스를 챔버 (10) 내에 도입한 시간의 누적이 「전 클리닝 종료 후부터 현 클리닝 개시까지의 토탈의 에피택셜 성장 시간」이 된다. 「오버 에칭 시간」은, 부생성물의 누적 두께의 5 ％ 에서 20 ％ 의 두께를 제거할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.
염화 수소 가스의 공급은, 가열 램프 (60) 에 의해 챔버 (10) 내의 온도를 1150 ℃ 이상 1200 ℃ 이하로 유지한 후에 실시하는 것이 바람직하다. 1150 ℃ 이상이면, 염화 수소 가스와 부생성물이 충분히 반응하므로, 부생성물의 에칭이 효율적으로 진행되고, 1200 ℃ 이하이면 에피택셜 성장 장치에 대한 부하가 작기 때문이다.
[부재를 교환할지의 여부의 판정]
이미 서술한 바와 같이, 클리닝을 반복하면, 챔버 (10) 내에 형성된 부재 중, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재에 대해서는, 염화 수소 가스에 의해 그 탄화 규소막이 에칭되어 얇아진다. 그리고, 모재 중의 흑연이 얇아진 탄화 규소막을 투과하여, 실리콘 에피택셜층의 표면에 부착하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하된다. 그 때문에, 클리닝을 복수 회 반복하면, 탄화 규소가 에칭되어 얇아진 부재를 교환할 필요가 있다. 또한, 웨이퍼를 에칭하는 경우에는, 탄화 규소의 에칭은 거의 일어나지 않기 때문에, 탄화 규소의 에칭량을 고려할 필요는 없다.
그래서, 스텝 S150 에 있어서, 클리닝에 있어서 공급하는 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 챔버 (10) 내에 형성되고, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재를 교환할지의 여부를 판정한다. 부재를 교환한다고 판정된 경우에는 (스텝 S150 : Yes), 스텝 S160 으로 진행된다. 한편, 부재를 교환하지 않는다고 판정된 경우에는 (스텝 S150 : No), 스텝 S110 으로 돌아온다.
본 실시형태에서는, 부재를 교환할지의 여부를 판정하는 지표로서, 염화 수소 가스의 누적 공급량을 사용한다. 구체적으로는, 다음과 같이 하여 이 판정을 실시할 수 있다. 즉, 클리닝 중에, 가스 유량계는, 하기 (2) 식에서 정의되는 염화 수소 가스의 공급량을 계측한다.
[1 회의 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 공급량] = [동 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 유량] × [동 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 공급 시간]…(2)
또한, [1 회의 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 공급량] = Σ[단위 시간당의 염화 수소 가스의 실측 유량] 에 의해, 1 회의 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 공급량을 구해도 된다. 이것에 의하면, 시간 변동이 있는 경우여도, 정확한 염화 수소 가스의 공급량을 산출할 수 있다. 또한, 「Σ」은, 동 클리닝에 있어서의 클리닝 시간으로 총합을 취하는 것을 의미한다.
그리고, 클리닝이 종료할 때마다, 제어부 (도시 생략) 가 갖는 연산부는, 하기 (3) 식에서 정의되는 염화 수소 가스의 누적 공급량을 산출한다.
[염화 수소 가스의 누적 공급량] = [현 클리닝에 있어서의 염화 수소 가스의 공급량] ＋ [현 클리닝 개시까지의 염화 수소 가스의 공급량]…(3)
단, 「염화 수소 가스의 누적 공급량」은, 부재 교환 후에 0(ℓ) 으로 초기화된다.
그 후, 제어부가 갖는 판정부는, 산출된 염화 수소 가스의 누적 공급량과 소정의 임계값의 차분이 소정값 미만인지의 여부를 판정한다.
염화 수소 가스의 누적 공급량의 임계값은, 염화 수소 가스의 누적 공급량과 에피택셜 웨이퍼의 대표적인 품질인 재결합 라이프 타임의 관계를 조사함으로써 미리 구해 둘 수 있다. 구체적으로는, 탄화 규소막의 막두께는, 염화 수소 가스의 공급량이 증가함에 따라서 서서히 작아지고, 소정값 미만이 되면, 탄화 규소막을 투과한 흑연에 기인하여, 재결합 라이프 타임이 급격하게 저하된다. 그래서, 재결합 라이프 타임이 급격하게 저하되기 직전의 염화 수소 가스의 누적 공급량을 「염화 수소 가스의 누적 공급량의 임계값」으로 설정한다. 또한, 재결합 라이프 타임은, 예를 들어 μ-PCD 법에 의해 에피택셜 웨이퍼의 캐리어 (정공과 전자) 의 재결합 시간 (재결합 라이프 타임) 을 측정함으로써 구할 수 있다.
여기서, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재를 교환할지의 여부를 판정하기 위한 지표로서, 염화 수소 가스의 누적 공급량을 사용하는 기술적 의의를 설명한다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 에피택셜 성장을 실시하면, 서셉터 (20) 나 프리히트 링 (70) 등의 부재에는, 부생성물 (B) 이 퇴적되는 영역과 퇴적되지 않는 영역이 발생한다. 특히, 부생성물 (B) 이 퇴적되지 않는 영역은, 클리닝시에 염화 수소 가스에 직접 노출된다. 여기서, 퇴적된 부생성물이 남은 상태에서 다음의 에피택셜 성장을 실시하면, 실리콘의 이상 성장에 의한 LPD 가 발생하는 문제가 있기 때문에, 클리닝에서 사용하는 염화 수소 가스의 공급량은, 부생성물 (B) 을 오버 에칭하도록 설정된다. 따라서, 부생성물 (B) 의 누적 막두께가 동일해도, 클리닝 빈도가 높은 조업을 실시하는 경우에는, 클리닝 빈도가 낮은 조업을 실시하는 경우에 비해, 염화 수소 가스의 공급량이 많아진다. 그리고, 염화 수소 가스의 공급량이 많아질수록, 탄화 규소막 중 부생성물 (B) 이 퇴적하지 않는 영역에서는 에칭이 보다 진행되어, 탄화 규소막의 잔존 막두께가 보다 작아진다. 이것에 수반하여, 탄화 규소막을 투과하는 모재 중의 흑연의 양이 증가하고, 실리콘 에피택셜층의 표면에 부착하는 흑연의 양이 증가하므로, 흑연 및 흑연에 함유되는 중금속 조성에 의해 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하된다. 요컨대, 부생성물의 누적 막두께가 동일한 경우여도, 클리닝 빈도에 따라, 부생성물이 퇴적하지 않는 영역에 있어서의 탄화 규소막의 잔존 막두께가 상이하고, 이것에 기인하여 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크가 있다. 이에 대하여, 본 실시형태에서는, 부생성물이 퇴적하지 않는 영역에 있어서의 탄화 규소막의 잔존 막두께와의 상관이 강한 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 서셉터 등의 부재의 교환 시기를 판정하므로, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 서셉터 등의 부재의 교환 시기 (교환 여부) 를 바르게 판정하는 것이 가능한 교환 시기 (교환 여부) 의 판정 방법을 제공할 수 있다.
도 1 을 참조하여, 교환 대상의 부재로는, 서셉터 (20) 및 프리히트 링 (70) 중에서 선택되는 1 개 이상의 부재로 하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 바와 같이, 이들 부재는, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재이기 때문이다. 또, 교환 대상의 부재로는, 서셉터 (20) 를 선택하는 것이 보다 바람직하다. 서셉터 (20) 에는 부생성물이 퇴적하지 않는 부분이 많기 때문이다.
[부재의 교환]
스텝 S150 으로부터 스텝 S160 으로 진행된 경우, 스텝 S160 에 있어서, 가열 램프 (60), 돔 장착체 (13), 및 상부 돔 (11) 등을 떼어내어, 탄화 규소막이 마모된 부재를 새로운 부재로 교환한다.
이상, 본 실시형태를 예로 하여, 본 발명의 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 설명했지만, 본 발명은, 이것으로 한정되지 않고, 특허 청구의 범위에 있어서 적절히 변경을 더할 수 있다.
실시예
본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 도 1, 2 에 나타내는 에피택셜 성장 장치를 사용하여, 실리콘 에피택셜 웨이퍼를 순차 제작하는 실험 1 ∼ 4 를 실시하였다. 또한, 서셉터로는, 흑연을 모재로 하고, 당해 모재의 표면을 탄화 규소막 (SiC : 비커스 경도 2,346 kgf/㎟) 으로 피복한 것을 사용하였다.
(실험 1)
실험 1 에서는, 이하의 조건에서 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제작하였다.
[에피택셜 성장 조건]
실리콘 기판 : CZ (Czochralski) 기판
원료 가스 : 트리클로로실란 (SiHCl3)
챔버 내의 온도 : 1100 ℃
도펀트의 종류 및 실리콘 에피택셜층의 비저항 : 디보란 (B2H6), 2Ω·㎝
실리콘 에피택셜층의 막두께 : 3 ㎛
[챔버 내의 클리닝 조건]
클리닝 빈도 : 에피택셜 성장을 7 회 실시 후에 실시
챔버 내의 온도 : 1190 ℃
염화 수소 가스의 유량 : 30 ℓ/min
염화 수소 가스의 공급 시간 : 65 sec
또한, 토탈로 에피택셜 성장을 25900 회, 클리닝을 3700 회 실시하였다.
그 후, 재결합 라이프 타임 평가용 웨이퍼에 대해, 동일한 챔버 내에서 에피택셜 성장을 실시하고, 상기 서술한 μ-PCD 법에 의해 재결합 라이프 타임을 평가하였다. 도 4A 에서는, 재결합 라이프 타임을, 상기 (2) 식 및 (3) 식에 의해 산출한 염화 수소 가스의 누적 공급량 (120250 ℓ) 에 대해, 발명예 1 로서 플롯하였다. 도 4B 에서는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께 (77700 ㎛) 에 대해, 비교예 1 로서 플롯하였다. 또한, 비교예 1 에서는, 부생성물의 누적 막두께를 직접 측정하는 것은 어렵기 때문에, 부생성물의 누적 막두께와 비례 관계에 있는 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께를 지표로 하였다. 이하, 실험 2 ∼ 4 도 동일하다.
(실험 2)
실험 2 에서는, 이하의 조건에서 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제작하였다.
[에피택셜 성장 조건]
실리콘 기판 : CZ 기판
원료 가스 : 트리클로로실란 (SiHCl3)
챔버 내의 온도 : 1130 ℃
도펀트의 종류 및 실리콘 에피택셜층의 비저항 : 디보란 (B2H6), 8Ω·㎝
실리콘 에피택셜층의 막두께 : 6 ㎛
[챔버 내의 클리닝 조건]
클리닝 빈도 : 에피택셜 성장을 5 회 실시 후에 실시
챔버 내의 온도 : 1190 ℃
염화 수소 가스의 유량 : 30 ℓ/min
염화 수소 가스의 공급 시간 : 100 sec
또한, 토탈로 에피택셜 성장을 13150 회, 클리닝을 2650 회 실시하였다.
그 후, 실험 1 과 동일하게 하여, 재결합 라이프 타임을 측정하였다. 도 4A 에서는, 재결합 라이프 타임을, 상기 (2) 식 및 (3) 식에 의해 산출한 염화 수소 가스의 누적 공급량 (132500 ℓ) 에 대해, 발명예 2 로서 플롯하였다. 도 4B 에서는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께 (78900 ㎛) 에 대해, 비교예 2 로서 플롯하였다.
(실험 3)
실험 3 에서는, 이하의 조건에서 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제작하였다.
[에피택셜 성장 조건]
실리콘 기판 : CZ 기판
원료 가스 : 트리클로로실란 (SiHCl3)
챔버 내의 온도 : 1120 ℃
도펀트의 종류 및 실리콘 에피택셜층의 비저항 : 디보란 (B2H6), 6Ω·㎝
실리콘 에피택셜층의 막두께 : 5 ㎛
[챔버 내의 클리닝 조건]
클리닝 빈도 : 에피택셜 성장을 5 회 실시 후에 실시
챔버 내의 온도 : 1190 ℃
염화 수소 가스의 유량 : 30 ℓ/min
염화 수소 가스의 공급 시간 : 61 sec
또한, 토탈로 에피택셜 성장을 17000 회, 클리닝을 3400 회 실시하였다.
그 후, 실험 1 과 동일하게 하여, 재결합 라이프 타임을 측정하였다. 도 4A 에서는, 재결합 라이프 타임을, 상기 (2) 식 및 (3) 식에 의해 산출한 염화 수소 가스의 누적 공급량 (103700 ℓ) 에 대해, 발명예 3 으로서 플롯하였다. 도 4B 에서는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께 (85000 ㎛) 에 대해, 비교예 3 으로서 플롯하였다.
(실험 4)
실험 4 에서는, 이하의 조건에서 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제작하였다.
[에피택셜 성장 조건]
실리콘 기판 : CZ 기판
원료 가스 : 트리클로로실란 (SiHCl3)
챔버 내의 온도 : 1130 ℃
도펀트의 종류 및 실리콘 에피택셜층의 비저항 : 디보란 (B2H6), 10Ω·㎝
실리콘 에피택셜층의 막두께 : 12 ㎛
[챔버 내의 클리닝 조건]
클리닝 빈도 : 에피택셜 성장을 3 회 실시 후에 실시
챔버 내의 온도 : 1190 ℃
염화 수소 가스의 유량 : 30 ℓ/min
염화 수소 가스의 공급 시간 : 88 sec
또한, 토탈로 에피택셜 성장을 7650 회, 클리닝을 2550 회 실시하였다.
그 후, 실험 1 과 동일하게 하여, 재결합 라이프 타임을 측정하였다. 도 4A 에서는, 재결합 라이프 타임을, 상기 (2) 식 및 (3) 식에 의해 산출한 염화 수소 가스의 누적 공급량 (104550 ℓ) 에 대해, 발명예 4 로서 플롯하였다. 도 4B 에서는, 탄화 규소막의 잔존 막두께를 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께 (91800 ㎛) 에 대해, 비교예 4 로서 플롯하였다.
(평가 결과의 설명)
도 4A, B 에 나타내는 바와 같이, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질의 하나인 재결합 라이프 타임의 임계값을 70 a.u. 로 설정하였다. 이것은, 재결합 라이프 타임이 임계값을 크게 하회한 경우, 서셉터의 모재에 포함되는 흑연이 탄화 규소막을 투과하여, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질에 악영향을 미치는 것을 의미한다. 또, 도 4A 에 나타내는 바와 같이, 염화 수소 가스의 누적 공급량의 임계값을 110000 ℓ 로 설정하였다. 또, 도 4B 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께의 임계값을 80000 ㎛ 로 설정하였다.
도 4B 에 나타내는 바와 같이, 염화 수소 가스의 누적 공급량이 많은 비교예 1, 2 에서는, 재결합 라이프 타임이 임계값을 하회하고 있었음에도 불구하고, 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께는 임계값에 도달하지 않았다. 이것은, 탄화 규소막이 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질에 악영향을 줄 만큼 에칭되어 있음에도 불구하고, 서셉터의 교환 시기가 아니라고 잘못 판정된 것을 의미한다. 한편, 도 4A 에 나타내는 바와 같이, 발명예 1, 2 에서는, 재결합 라이프 타임은 임계값을 하회하고 있고, 염화 수소 가스의 누적 공급량은 임계값을 초과하고 있었다. 이 결과는, 염화 수소 가스의 누적 공급량을 지표로 하면, 서셉터의 교환 시기인 것이 바르게 판정되는 것을 나타내고 있다. 요컨대, 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여 서셉터의 교환 시기를 판정하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있는 것을 알았다.
도 4B 에 나타내는 바와 같이, 염화 수소 가스의 누적 공급량이 적은 비교예 3, 4 에서는, 재결합 라이프 타임이 임계값 미만이 아님에도 불구하고, 실리콘 에피택셜층의 누적 막두께가 임계값을 초과하고 있었다. 이것은, 탄화 규소막이 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질에 악영향을 줄 만큼 에칭되어 있지 않음에도 불구하고, 서셉터의 교환 시기라고 잘못 판정된 것을 의미한다. 요컨대, 계속하여 이용하는 것이 가능한 서셉터를 불필요하게 교환하게 되고, 제조 비용의 증대를 초래한다. 한편, 도 4A 에 나타내는 바와 같이, 발명예 3, 4 에서는, 재결합 라이프 타임이 임계값 미만은 되어 있지 않고, 염화 수소 가스의 누적 공급량은 임계값을 초과하고 있지 않았다. 이 결과는, 염화 수소 가스의 누적 공급량을 지표로 하면, 서셉터의 교환 시기가 아닌 것이 바르게 판정되는 것을 나타내고 있다. 요컨대, 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여 서셉터의 교환 시기를 판정하면, 제조 비용을 저감할 수도 있는 것을 알았다.
본 발명에 의하면, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하되는 리스크를 저감할 수 있다.
100 : 에피택셜 성장 장치
10 : 챔버
11 : 상부 돔
12 : 하부 돔
13 : 돔 장착체
14 : 가스 공급구
15 : 가스 배출구
20 : 서셉터
21 : 서셉터의 관통공
22 : 스폿 페이싱부
23 : 표면 최외주부
24 : 제 1 세로 벽면
25 : 웨이퍼 지지면
26 : 제 2 세로 벽면
27 : 표면 중심부
30 : 서셉터 서포트 샤프트
31 : 주기둥
32 : 아암
33 : 지지 핀
34 : 아암의 관통공
40 : 리프트 핀
50 : 승강 샤프트
51 : 승강 샤프트의 주기둥
52 : 지주
60 : 가열 램프
70 : 프리히트 링
W : 실리콘 웨이퍼 (에피택셜 실리콘 웨이퍼)
B : 부생성물

Claims (3)

  1. 에피택셜 성장 장치의 챔버 내에 실리콘 웨이퍼를 반입하고,
    상기 챔버 내에 원료 가스를 공급하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 에피택셜층을 성장시켜, 상기 실리콘 웨이퍼를 에피택셜 실리콘 웨이퍼로 하고,
    상기 챔버 외로 상기 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 반출하고,
    그 후, 상기 챔버 내에 염화 수소 가스를 공급하여, 상기 챔버 내를 클리닝하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서,
    상기 클리닝을 실시한 후에, 상기 염화 수소 가스의 누적 공급량에 기초하여, 상기 챔버 내에 형성되고, 흑연을 포함하는 모재가 탄화 규소막으로 피복되어 이루어지는 부재를 교환할지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에피택셜 성장 장치는, 상기 챔버 내에서 상기 실리콘 웨이퍼를 재치하는 서셉터와, 상기 서셉터의 외주에 소정의 간극을 개재하여 형성된 프리히트 링을 구비하고,
    상기 부재는, 상기 서셉터 및 상기 프리히트 링 중에서 선택되는 1 개 이상의 부재인, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 클리닝 중에, 상기 염화 수소 가스의 공급량을 계측하고, 상기 클리닝을 실시한 후에, 상기 염화 수소 가스의 누적 공급량이 소정의 임계값을 초과하기 전에, 상기 부재를 교환한다고 판정하는, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
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