KR20020056194A - Apparatus for depositing a single-crystal silicon - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단결정 실리콘 증착을 위한 장치에 관한 것으로, 특히 싱글 웨이퍼 타입(single wafer type)의 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 장치에서 다수의 할로겐 램프(halogen lamp)에 의해 직접 혹은 간접 가열 방식으로 공정 가스(process gas)를 활성화시켜 선택적 에피텍셜 성장(selective epitaxial growth)법으로 단결정 실리콘을 증착할 때 발생되는 열 부하를 낮추어 단결정 실리콘의 성장 속도를 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있는 단결정 실리콘 증착을 위한 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for single crystal silicon deposition, in particular a process gas by direct or indirect heating by a plurality of halogen lamps in a single wafer type low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) apparatus. It is possible to reduce the heat load generated when depositing single crystal silicon by selective epitaxial growth by activating the process gas to increase the growth rate of single crystal silicon and to secure process stability. It relates to a device for.
일반적으로, 에피텍셜 실리콘 성장 (epitaxial silicon growth)과 선택적 실리콘 성장(Selective silicon growth)를 위한 장비 구성은 저압 화학 기상 증착법과 극저압 화학 기상 증착법이 활용된다. 기존의 저압 화학 기상 증착 장치는 할로겐 램프를 활용한 직접 혹은 간접 가열 방식으로 웨이퍼에 단결정 실리콘막을 성장시키는 싱글 웨이퍼 타입과, 리엑터 챔버(reactor chamber)나 고주파 코일(RF coil)을 활용한 가열 방식으로 한번에 수십 내지 수백장의 웨이퍼에 단결정 실리콘막을 성장시키는 멀티 웨이퍼 타입(multi wafer type) 방식이 있다. 단결정 실리콘 성장을 위한 저압 화학 기상 증착법은 램프에 의해 직접 혹은 간접적으로 공정 가스를 활성화하여 단결정 실리콘막을 얻는데, 다음과 같은 문제점으로 인하여 단결정 실리콘의 성장 속도 및 공정의 안정성을 확보하는에 어려움이 있다.In general, low pressure chemical vapor deposition and ultra low pressure chemical vapor deposition are used for the equipment configuration for epitaxial silicon growth and selective silicon growth. Conventional low pressure chemical vapor deposition apparatus is a single wafer type to grow a single crystal silicon film on the wafer by direct or indirect heating method using a halogen lamp, and heating method using a reactor chamber or a high frequency coil (RF coil). There is a multi wafer type method in which a single crystal silicon film is grown on several tens to hundreds of wafers at a time. The low pressure chemical vapor deposition method for single crystal silicon growth obtains a single crystal silicon film by directly or indirectly activating a process gas by a lamp. However, it is difficult to secure the growth rate and process stability of single crystal silicon due to the following problems.
먼저, 단결정 실리콘 성장 온도는 소오스 가스(scource gas)의 종류에 밀접하게 관련한다. 기존의 열적 활성화 방식에 의한 성장은 속도면에서 어느 한계 값이 있어 고온 공정이 불가피하며, 이러한 고온 공정에 적용되는 소오스 가스로 SiCl4, SiCl3H 가스가 사용된다. 저온에서는 주로 반응성이 좋은 DCS(SiCl2H2)나 MS(SiH4) 소오스 가스에 의해 공정이 이루어지나, 박막의 품질이 저하되는 문제를 안고 있다.First, the single crystal silicon growth temperature is closely related to the kind of source gas. The growth by the conventional thermal activation method has a certain limit in terms of speed, so that a high temperature process is inevitable, and SiCl 4 , SiCl 3 H gas is used as a source gas applied to such a high temperature process. At low temperatures, the process is mainly performed by the highly reactive DCS (SiCl 2 H 2 ) or MS (SiH 4 ) source gas, but the quality of the thin film is deteriorated.
둘째, 선택적 에피텍셜 실리콘 성장(SEG, selective epitaxial growth of silicon)은 도체(conductor)와 부도체(non-conductor) 사이의 선택성 향상을 위해 온도와 압력 등에 따라 소오스 가스의 첨가 비를 달리해야 한다. 선택적 성장을 소자(device)에 적용하기 위해서는 일차적으로 낮은 온도에서 성장속도를 크게 하면 유리하다. 그러나, 선택적 성장을 위해 열 만으로 소오스 가스를 활성화하는 데에는 한계가 있다. 왜냐하면, 저온에서는 DCS가스나 MS가스 등이 실리콘 소오스 가스로 사용되는데, 온도가 낮아질수록 선택성을 유지하면서 성장할 수 있는 온도가 급격히 떨어지기 때문이다.Second, selective epitaxial growth of silicon (SEG) has to vary the source gas addition ratio according to temperature and pressure to improve selectivity between the conductor and the non-conductor. In order to apply selective growth to devices, it is advantageous to increase the growth rate at low temperatures. However, there is a limit to activating the source gas only with heat for selective growth. This is because, at low temperatures, DCS gas or MS gas is used as the silicon source gas, because the lower the temperature, the faster the temperature that can grow while maintaining selectivity drops.
결과적으로, 싱글 웨이퍼 타입의 저압 화학 기상 증착 장치를 이용한 단결정 실리콘막 형성 방법에서, 가장 큰 애로점은 열 부하(theraml budget)이다.As a result, in the single crystal silicon film formation method using the single wafer type low pressure chemical vapor deposition apparatus, the biggest difficulty point is the thermal budget.
따라서, 본 발명은 단결정 실리콘을 증착할 때 발생되는 열 부하를 낮추어 단결정 실리콘의 성장 속도를 향상시키고 공정의 안정성을 확보할 수 있는 단결정 실리콘 증착을 위한 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a device for single crystal silicon deposition that can lower the heat load generated when depositing single crystal silicon to improve the growth rate of single crystal silicon and ensure process stability.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 장치는 웨이퍼를 지지하고 웨이퍼 회전부와 연결된 웨이퍼 지지대와, 상부 석영 돔과 하부 석영 돔으로 이루어지고, 일측에는 공정 가스 인렛이 있고, 상기 공정 가스 인렛의 반대쪽에 공정 가스 아웃렛이 구비된 챔버와, 상기 하부 석영 돔에 배치된 다수의 할로겐 램프와, 상기 상부 석영 돔에 배치된 다수의 할로겐 램프 및 다수의 자외선 램프와, 상기 다수의 할로겐 램프는 상기 상부 석영 돔의 내외곽에 이중 배열 구조로 배치되며, 상기 다수의 자외선 램프는 상기 상부 석영 돔의 내곽에 배치되는 것을 특징으로 한다.The apparatus for single crystal silicon deposition according to the present invention for achieving this object is composed of a wafer support for supporting a wafer and connected to the wafer rotating portion, an upper quartz dome and a lower quartz dome, on one side there is a process gas inlet, the process A chamber having a process gas outlet opposite the gas inlet, a plurality of halogen lamps disposed in the lower quartz dome, a plurality of halogen lamps and a plurality of ultraviolet lamps disposed in the upper quartz dome, the plurality of halogen lamps Is arranged in a dual array structure inside and outside the upper quartz dome, and the plurality of ultraviolet lamps are disposed inside the upper quartz dome.
또한, 본 발명에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 장치는 웨이퍼를 지지하고 웨이퍼 회전부와 연결된 웨이퍼 지지대와, 상부 석영 돔과 하부 석영 돔으로 이루어지고, 일측에는 공정 가스 인렛이 있고, 상기 공정 가스 인렛의 반대쪽에 공정 가스 아웃렛이 구비된 챔버와, 상기 하부 석영 돔에 배치된 다수의 할로겐 램프와, 상기 상부 석영 돔에 배치된 다수의 할로겐 램프 및 다수의 자외선 램프와, 상기 다수의 할로겐 램프는 상기 상부 석영 돔의 내외곽에 이중 배열 구조로 배치되며, 상기 다수의 자외선 램프는 상기 공정 가스 인렛쪽의 상기 상부 석영 돔의 내외곽에 배치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the apparatus for deposition of single crystal silicon according to the present invention comprises a wafer support for supporting a wafer and connected with a wafer rotating part, an upper quartz dome and a lower quartz dome, and a process gas inlet on one side and an opposite side to the process gas inlet. A chamber having a process gas outlet therein, a plurality of halogen lamps disposed in the lower quartz dome, a plurality of halogen lamps and a plurality of ultraviolet lamps disposed in the upper quartz dome, and the plurality of halogen lamps are the upper quartz The plurality of ultraviolet lamps may be disposed inside and outside of the dome, and the plurality of ultraviolet lamps may be disposed inside and outside of the upper quartz dome toward the process gas inlet.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치의 개략도.1A is a schematic diagram of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to a first embodiment of the present invention.
도 1b는 도 1a의 상부 가열기 어셈블리의 평면도.FIG. 1B is a top view of the upper heater assembly of FIG. 1A. FIG.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치의 개략도.2A is a schematic diagram of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to a second embodiment of the present invention.
도 2b는 도 2a의 상부 가열기 어셈블리의 평면도.FIG. 2B is a top view of the upper heater assembly of FIG. 2A. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11, 21: 상부 석영 돔12, 22: 하부 석영 돔11, 21: top quartz dome 12, 22: bottom quartz dome
13, 23: 할로겐 램프14, 24: 자외선 램프13, 23: halogen lamp 14, 24: ultraviolet lamp
15, 25: 공정 가스 인렛16, 26: 공정 가스 아웃렛15, 25: process gas inlet 16, 26: process gas outlet
17, 27: 웨이퍼 지지대18, 28: 웨이퍼 회전부17, 27: wafer support 18, 28: wafer rotating part
19, 29: 웨이퍼19, 29: wafer
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치의 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 상부 가열기 어셈블리의 평면도이다.FIG. 1A is a schematic diagram of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of the upper heater assembly of FIG. 1A.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치는 웨이퍼(19)를 지지하는 웨이퍼 지지대(17)를 기준으로 위에는 상부 석영 돔(upper quartz dome; 11)이, 아래에는 하부 석영 돔(12)이 있다. 저압 화학 기상 증착 장치의 챔버는 이들 석영 돔(11 및 12)이 애워싸져 이루어진다. 상부 석영 돔(11)에는 다수의 할로겐 램프(13)와 다수의 자외선 램프(14)로 이루어진 상부 가열기 어셈블리(upper heater assembly)가 있으며, 하부 석영 돔(12)에는 다수의 할로겐 램프(13)로 이루어진 하부 가열기 어셈블리가 있다. 웨이퍼 지지대(17)는 웨이퍼 회전부(18)에 연결되이 있고, 웨이퍼 회전부(18)에 의해 웨이퍼 지지대는(17)는 자체적으로 10∼50 RPM(분당 회전수)으로 회전할 수 있다. 챔버의 일측부에는 공정 가스(Process gas)가 들어오는 공정 가스 인렛(process gas inlet; 15)있고, 공정 가스 인렛(15)의 반대쪽에는 공정 가스 아웃렛(process gas outlet; 16)이 있어, 공정 가스가 웨이퍼(19) 위에서 래머너 플로우(laminar flow)가 되도록 한다.The low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to the first embodiment of the present invention has an upper quartz dome 11 above and a lower quartz dome 11 below the wafer support 17 supporting the wafer 19. There is a lower quartz dome 12. The chamber of the low pressure chemical vapor deposition apparatus is formed by surrounding these quartz domes 11 and 12. The upper quartz dome 11 has an upper heater assembly consisting of a plurality of halogen lamps 13 and a plurality of ultraviolet lamps 14, and the lower quartz dome 12 has a plurality of halogen lamps 13. There is a bottom heater assembly made up. The wafer support 17 is connected to the wafer rotator 18, and by the wafer rotator 18, the wafer support 17 can itself rotate at 10 to 50 RPM (revolutions per minute). One side of the chamber has a process gas inlet (Process gas inlet) 15, the process gas inlet (15) on the opposite side of the process gas inlet (15), the process gas outlet (process gas outlet) (16) There is a laminar flow on the wafer 19.
본 발명의 제 1 실시예에서 핵심은 다수의 할로겐 램프(13)와 다수의 자외선램프(14)로 이루어진 상부 가열기 어셈블리의 구성 방법에 있다. 다수의 할로겐 램프(13)는 상부 석영 돔(11)의 내외곽에 이중 배열 구조로 배치되며, 다수의 자외선 램프(14)는 상부 석영 돔(11)의 내곽에 배치된다. 즉, 상부 석영 돔(11)의 외곽에는 할로겐 램프(13)만 배치되고, 상부 석영 돔(11)의 내곽에는 할로겐 램프(13)와 자외선 램프(14)가 함께 배치된다. 이와 같이 배치시키는 것은 웨이퍼(19) 표면에서만 가장 효과적으로 공정 가스가 활성화되도록 하여 불필요한 파티클(particle) 생성 가능성을 배제시키기 위함이다. 챔버의 크기(Chamber size)에 따라 할로겐 램프(13)의 개수나 배치가 달라질 수 있는데, 바람직한 개수나 배치는 상부 석영 돔(11)의 전체 할로겐 램프(13)중에 외곽에서 차지하는 비중이 55%∼75%가 되도록 하며, 1200℃까지 올리는데 무리가 없을 정도로 구성해야 한다. 또한, 상부 석영 돔(11)의 내곽에 배치되는 할로겐 램프(13)는 웨이퍼(19) 안쪽으로 2/3 정도를 조사하고, 외곽에 배치되는 할로겐 램프(13)는 웨이퍼(19) 가장자리를 중심으로 웨이퍼(19)의 반경 범위로 조사하도록 할로겐 램프(13) 각각의 각도와 위치를 조절한다.In the first embodiment of the present invention, the key lies in the construction of an upper heater assembly consisting of a plurality of halogen lamps 13 and a plurality of ultraviolet lamps 14. The plurality of halogen lamps 13 are arranged in a dual array structure inside and outside the upper quartz dome 11, and the plurality of ultraviolet lamps 14 are disposed inside the upper quartz dome 11. That is, only the halogen lamp 13 is disposed outside the upper quartz dome 11, and the halogen lamp 13 and the ultraviolet lamp 14 are disposed together inside the upper quartz dome 11. This arrangement is intended to allow the process gas to be activated most effectively only on the surface of the wafer 19 to eliminate the possibility of unnecessary particle generation. The number or arrangement of the halogen lamps 13 may vary depending on the chamber size. The preferred number or arrangement of the halogen lamps 13 is 55% to 55% of the total halogen lamps 13 of the upper quartz dome 11. It should be 75%, and should be configured so that it can be raised to 1200 ℃. In addition, the halogen lamp 13 disposed inside the upper quartz dome 11 irradiates about 2/3 to the inside of the wafer 19, and the halogen lamp 13 arranged outside the center of the wafer 19 edges. To adjust the angle and position of each of the halogen lamps 13 to irradiate the radial range of the wafer 19.
상기한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a low pressure chemical vapor deposition apparatus for depositing single crystal silicon according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명은 반도체 소자 적용 가능성이 높은 단결정 실리콘 성장과 선택적 실리콘 성장을 위한 싱글 웨이퍼 타입의 저압 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 다수의 할로겐 램프(13)로 이루어진 상부 및 하부 가열기 어셈블리중 상부 가열기 어셈블리에 다수의 자외선 램프(14)를 삽입시키는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single wafer type low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon growth and selective silicon growth, which is highly applicable to semiconductor devices, and is applied to an upper heater assembly among upper and lower heater assemblies including a plurality of halogen lamps 13. A plurality of ultraviolet lamps 14 are inserted.
다수의 자외선 램프(14)가 삽입되는 곳은 상부 가열기 어셈블리에 국한되며, 상부 가열기 어셈블리는 상부 석영 돔(11)의 외곽에 위치하고, 상부 석영 돔(11)의 외곽쪽으로 질소 냉각(nitrogen cooling)을 한다. 자외선 램프(14)는 파장이 200∼320nm 가 되는 것을 선택하며, 수은 베이스 아크 램프(Hg base arc lamp)를 기본으로 한다. 자외선 램프(14)는 카본 다이옥사이드 레이저(carbon dioxide laser), 아르곤 이온 레이저(argon ion laser), 네오디뮴-야그 레이저(Nd-YAG laser), 엑시머 레이저(Excimer laser) 등을 넓게 포커싱(focusing) 하여 활용할 수도 있다.Where the plurality of ultraviolet lamps 14 are inserted is confined to the upper heater assembly, the upper heater assembly is located outside the upper quartz dome 11 and provides nitrogen cooling to the outside of the upper quartz dome 11. do. The ultraviolet lamp 14 chooses to have a wavelength of 200 to 320 nm, and is based on a mercury base arc lamp. The ultraviolet lamp 14 utilizes carbon dioxide laser, argon ion laser, neodymium-yag laser, excimer laser, and the like by wide focusing. It may be.
상부 가열기 어셈블리를 이루는 다수의 할로겐 램프(13)는 상부 석영 돔(11)의 내외곽에 이중 배열 구조를 가지며, 그 개수는 웨이퍼(19) 온도를 1200℃까지 무리없이 올릴 수 있는 정도가 되어야 한다. 상부 석영 돔(11)의 외곽에 배치되는 할로겐 램프(13)의 개수는 상부 석영 돔(11)의 전체 할로겐 램프(13)의 55%∼75%가 되며, 웨이퍼(19)의 가장자리를 기준으로 웨이퍼(19) 내곽쪽과 외곽쪽을 웨이퍼(19) 반경 반큼 조사하도록 방향을 조정한다. 상부 석영 돔(11)의 내곽에 배치되는 할로겐 램프(13)는 웨이퍼(19)의 2/3 지점에서 전후 10% 오차를 두고 안쪽 면적을 조사하도록 한다.The plurality of halogen lamps 13 constituting the upper heater assembly has a double array structure inside and outside the upper quartz dome 11, the number of which must be such that the temperature of the wafer 19 can be raised to 1200 ° C without difficulty. . The number of halogen lamps 13 disposed outside the upper quartz dome 11 is 55% to 75% of the total halogen lamps 13 of the upper quartz dome 11 and is based on the edge of the wafer 19. The direction is adjusted so that the inner and outer sides of the wafer 19 are irradiated half the radius of the wafer 19. The halogen lamp 13 disposed inside the upper quartz dome 11 allows the inside area to be irradiated with a 10% error before and after at 2/3 of the wafer 19.
상부 석영 돔(11)의 내곽에 배치된 다수의 할로겐 램프(13)와 다수의 자외선 램프(14)에서, 자외선 램프(14) 각각은 다수의 할로겐 램프(13) 배열 사이에 개별적으로 배치된다. 이러한 다수의 자외선 램프(14)는 웨이퍼(19)를 전체적으로 조사하도록 배치시키며, 그 개수는 상부 석영 돔(11)의 내곽에 배치된 다수의 할로겐램프(13)의 수에 ±2이며, 이웃하여 연속으로 배치시키지는 않는다.In the plurality of halogen lamps 13 and the plurality of ultraviolet lamps 14 arranged inside the upper quartz dome 11, each of the ultraviolet lamps 14 is individually disposed between the plurality of halogen lamps 13 arrangements. Such a plurality of ultraviolet lamps 14 are arranged to irradiate the wafer 19 as a whole, the number of which is ± 2 to the number of halogen lamps 13 arranged inside the upper quartz dome 11, It is not arranged continuously.
이와 같이 상부 램프 어셈블리가 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 의한 장치를 이용하여 단결정 실리콘 박막 제조 공정에 응용함에 있어, 먼저 수소 처리(hydrogen treatment)에 적용한다. 적용 조건은 자외선 램프(14)를 켠 상태에서 온도를 700∼900℃로 하고, 1∼5분동안 수소 플로우(hydrogen flow) 10∼150slm 정도가 되도록 한다. 저온에서는 공정 가스로 DCS+HCl+H2를 기본으로 하고, 온도를 700∼900℃로 하고, 압력을 5∼150Torr로 하는 공정조건에서 진행한다. 이때, DCS 가스는 0.05∼2slm으로 하고, HCl 가스는 0∼3slm으로 하고, H2가스는 10∼150slm으로 하고, PH3, B2H6와 같은 도핑 가스(doping gas)도 인-시튜(in-situ)로 포함시킬 수 있다.As described above, in application to a single crystal silicon thin film manufacturing process using the apparatus according to the first embodiment of the present invention having the upper lamp assembly, it is first applied to hydrogen treatment. The application conditions are such that the temperature is set to 700 to 900 占 폚 with the ultraviolet lamp 14 turned on, and the hydrogen flow is about 10 to 150 slm for 1 to 5 minutes. Backed by the DCS + HCl + H 2 at low temperatures as the process gas, and a temperature of 700~900 ℃, the process proceeds from the process conditions of a pressure of 5~150Torr. At this time, the DCS gas is 0.05 to 2 slm, the HCl gas is 0 to 3 slm, the H 2 gas is 10 to 150 slm, and doping gases such as PH 3 and B 2 H 6 are also in-situ ( in-situ).
도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치의 개략도이고, 도 2b는 도 2a의 상부 가열기 어셈블리의 평면도이다.FIG. 2A is a schematic diagram of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a plan view of the upper heater assembly of FIG. 2A.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치는 웨이퍼(29)를 지지하는 웨이퍼 지지대(27)를 기준으로 위에는 상부 석영 돔(upper quartz dome; 21)이, 아래에는 하부 석영 돔(22)이 있다. 저압 화학 기상 증착 장치의 챔버는 이들 석영 돔(21 및 22)이 애워싸져 이루어진다. 상부 석영 돔(21)에는 다수의 할로겐 램프(23)와 다수의 자외선 램프(24)로 이루어진 상부가열기 어셈블리(upper heater assembly)가 있으며, 하부 석영 돔(22)에는 다수의 할로겐 램프(23)로 이루어진 하부 가열기 어셈블리가 있다. 웨이퍼 지지대(27)는 웨이퍼 회전부(28)에 연결되이 있고, 웨이퍼 회전부(28)에 의해 웨이퍼 지지대는(27)는 자체적으로 10∼50 RPM(분당 회전수)으로 회전할 수 있다. 챔버의 일측부에는 공정 가스(Process gas)가 들어오는 공정 가스 인렛(process gas inlet; 25)있고, 공정 가스 인렛(25)의 반대쪽에는 공정 가스 아웃렛(process gas outlet; 26)이 있어, 공정 가스가 웨이퍼(29) 위에서 래머너 플로우(laminar flow)가 되도록 한다.In the low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon deposition according to the second embodiment of the present invention, an upper quartz dome 21 is disposed on the upper side of the wafer support 27 supporting the wafer 29. There is a lower quartz dome 22. The chamber of the low pressure chemical vapor deposition apparatus is formed by surrounding these quartz domes 21 and 22. The upper quartz dome 21 has an upper heater assembly consisting of a plurality of halogen lamps 23 and a plurality of ultraviolet lamps 24, and the lower quartz dome 22 has a plurality of halogen lamps 23. There is a bottom heater assembly consisting of. The wafer support 27 is connected to the wafer rotator 28, and by the wafer rotator 28, the wafer support 27 can itself rotate at 10 to 50 RPM (revolutions per minute). At one side of the chamber there is a process gas inlet (25) where the process gas enters, and on the opposite side of the process gas inlet 25 is a process gas outlet (26). There is a laminar flow on the wafer 29.
본 발명의 제 2 실시예에서 핵심은 다수의 할로겐 램프(23)와 다수의 자외선 램프(24)로 이루어진 상부 가열기 어셈블리의 구성 방법에 있다. 다수의 할로겐 램프(23)는 상부 석영 돔(21)의 내외곽에 이중 배열 구조로 배치되며, 다수의 자외선 램프(24)는 공정 가스 인렛(25)쪽의 상부 석영 돔(21)의 내외곽에 배치된다. 즉, 다수의 자외선 램프(24)는 웨이퍼(29)를 기준으로 일측인 공정 가스 인렛(25)쪽에 위치되며, 다수의 할로겐 램프(23) 사이의 공간에 개별적으로 설치된다. 이와 같이 배치시키는 것은 공정 가스 인렛(25) 부분을 집중적으로 활성화시켜 전체적으로 단결정 실리콘 형성에 대한 균일성(uniformity)과 가스 종류, 온도, 압력에 따른 가용 변수를 확보시킬 수 있다는 장점이 있다. 챔버의 크기(Chamber size)에 따라 할로겐 램프(23)의 개수나 배치가 달라질 수 있는데, 바람직한 개수나 배치는 상부 석영 돔(21)의 전체 할로겐 램프(23)중에 외곽에서 차지하는 비중이 55%∼75%가 되도록 하며, 1200℃까지 올리는데 무리가 없을 정도로 구성해야 한다. 또한, 상부석영 돔(21)의 내곽에 배치되는 할로겐 램프(23)는 웨이퍼(29) 안쪽으로 2/3 정도를 조사하고, 외곽에 배치되는 할로겐 램프(23)는 웨이퍼(29) 가장자리를 중심으로 웨이퍼(29)의 반경 범위로 조사하도록 할로겐 램프(23) 각각의 각도와 위치를 조절한다.In the second embodiment of the present invention, the key lies in the construction of an upper heater assembly consisting of a plurality of halogen lamps 23 and a plurality of ultraviolet lamps 24. The plurality of halogen lamps 23 are arranged in a dual array structure inside and outside the upper quartz dome 21, and the plurality of ultraviolet lamps 24 are inside and outside the upper quartz dome 21 toward the process gas inlet 25. Is placed on. That is, the plurality of ultraviolet lamps 24 are located on the side of the process gas inlet 25 on one side of the wafer 29 and are individually installed in the space between the plurality of halogen lamps 23. This arrangement has an advantage of intensively activating a portion of the process gas inlet 25 to ensure uniformity for forming single crystal silicon and available variables depending on gas type, temperature, and pressure as a whole. The number or arrangement of the halogen lamps 23 may vary depending on the chamber size, and the preferred number or arrangement of the halogen lamps 23 is 55% to 55% of the total portion of the halogen lamps 23 of the upper quartz dome 21. It should be 75%, and should be configured so that it can be raised to 1200 ℃. In addition, the halogen lamp 23 disposed inside the upper quartz dome 21 irradiates about 2/3 of the inside of the wafer 29, and the halogen lamp 23 disposed outside the center of the wafer 29 is centered. The angle and position of each of the halogen lamps 23 are adjusted to irradiate the radial range of the wafer 29.
상기한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단결정 실리콘 증착을 위한 저압 화학 기상 증착 장치를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a low pressure chemical vapor deposition apparatus for depositing single crystal silicon according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명은 반도체 소자 적용 가능성이 높은 단결정 실리콘 성장과 선택적 실리콘 성장을 위한 싱글 웨이퍼 타입의 저압 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 다수의 할로겐 램프(23)로 이루어진 상부 및 하부 가열기 어셈블리중 상부 가열기 어셈블리에 다수의 자외선 램프(24)를 삽입시키는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single wafer type low pressure chemical vapor deposition apparatus for single crystal silicon growth and selective silicon growth, which is highly applicable to semiconductor devices, and is applied to an upper heater assembly among upper and lower heater assemblies including a plurality of halogen lamps 23. A plurality of ultraviolet lamps 24 are inserted.
다수의 자외선 램프(24)가 삽입되는 곳은 상부 가열기 어셈블리에 국한되며, 상부 가열기 어셈블리는 상부 석영 돔(21)의 외곽에 위치하고, 상부 석영 돔(21)의 외곽쪽으로 질소 냉각(nitrogen cooling)을 한다. 자외선 램프(24)는 파장이 200∼320nm 가 되는 것을 선택하며, 수은 베이스 아크 램프(Hg base arc lamp)를 기본으로 한다. 자외선 램프(24)는 카본 다이옥사이드 레이저(carbon dioxide laser), 아르곤 이온 레이저(argon ion laser), 네오디뮴-야그 레이저(Nd-YAG laser), 엑시머 레이저(Excimer laser) 등을 넓게 포커싱(focusing) 하여 활용할 수도 있다.Where the plurality of ultraviolet lamps 24 are inserted is confined to the upper heater assembly, which is located outside the upper quartz dome 21 and provides nitrogen cooling to the outside of the upper quartz dome 21. do. The ultraviolet lamp 24 selects the wavelength of 200-320 nm, and is based on a mercury base arc lamp. The ultraviolet lamp 24 is widely used by focusing on a carbon dioxide laser, an argon ion laser, a neodymium-YAG laser, an excimer laser, and the like. It may be.
상부 가열기 어셈블리를 이루는 다수의 할로겐 램프(23)는 상부 석영 돔(21)의 내외곽에 이중 배열 구조를 가지며, 그 개수는 웨이퍼(29) 온도를 1200℃까지무리없이 올릴 수 있는 정도가 되어야 한다. 상부 석영 돔(21)의 외곽에 배치되는 할로겐 램프(23)의 개수는 상부 석영 돔(21)의 전체 할로겐 램프(23)의 55%∼75%가 되며, 웨이퍼(29)의 가장자리를 기준으로 웨이퍼(29) 내곽쪽과 외곽쪽을 웨이퍼(29) 반경 반큼 조사하도록 방향을 조정한다. 상부 석영 돔(21)의 내곽에 배치되는 할로겐 램프(23)는 웨이퍼(29)의 2/3 지점에서 전후 10% 오차를 두고 안쪽 면적을 조사하도록 한다.The plurality of halogen lamps 23 constituting the upper heater assembly have a double array structure inside and outside the upper quartz dome 21, the number of which must be such that the temperature of the wafer 29 can be raised to 1200 ° C without any problem. . The number of halogen lamps 23 arranged outside the upper quartz dome 21 is 55% to 75% of the total halogen lamps 23 of the upper quartz dome 21, and is based on the edge of the wafer 29. The direction is adjusted so that the inner side and outer side of the wafer 29 are irradiated half the radius of the wafer 29. The halogen lamp 23 disposed inside the upper quartz dome 21 allows the inside area to be irradiated with a 10% error before and after at 2/3 of the wafer 29.
상부 석영 돔(21)의 내외곽에서 공정 가스 인렛(25)쪽에 배치된 자외선 램프(24) 각각은 다수의 할로겐 램프(23) 배열 사이에 지그-제그(zig-zag) 형태로 개별적으로 배치된다. 이러한 다수의 자외선 램프(24)는 웨이퍼(29)를 중심까지 조사하도록 배치시키며, 그 개수는 상부 석영 돔(21)의 내곽에 배치된 다수의 할로겐 램프(23)의 수에 ±2이다.Each of the ultraviolet lamps 24 arranged on the process gas inlet 25 side in and out of the upper quartz dome 21 is individually arranged in the form of a zig-zag between a plurality of halogen lamps 23 arrays. . Such a plurality of ultraviolet lamps 24 are arranged to irradiate the wafer 29 to the center, the number of which is ± 2 to the number of the plurality of halogen lamps 23 arranged inside the upper quartz dome 21.
이와 같이 상부 램프 어셈블리가 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 의한 장치를 이용하여 단결정 실리콘 박막 제조 공정에 응용함에 있어, 먼저 수소 처리(hydrogen treatment)에 적용한다. 적용 조건은 자외선 램프(24)를 켠 상태에서 온도를 700∼900℃로 하고, 1∼5분동안 수소 플로우(hydrogen flow) 10∼150slm 정도가 되도록 한다. 저온에서는 공정 가스로 DCS+HCl+H2를 기본으로 하고, 온도를 700∼900℃로 하고, 압력을 5∼150Torr로 하는 공정조건에서 진행한다. 이때, DCS 가스는 0.05∼2slm으로 하고, HCl 가스는 0∼3slm으로 하고, H2가스는 10∼150slm으로 하고, PH3, B2H6와 같은 도핑 가스(doping gas)도 인-시튜(in-situ)로 포함시킬수 있다.As described above, in application to a single crystal silicon thin film manufacturing process using the apparatus according to the second embodiment of the present invention having the upper lamp assembly, it is first applied to hydrogen treatment. The application conditions are such that the temperature is set to 700 to 900 ° C. with the ultraviolet lamp 24 turned on, and the hydrogen flow is about 10 to 150 slm for 1 to 5 minutes. Backed by the DCS + HCl + H 2 at low temperatures as the process gas, and a temperature of 700~900 ℃, the process proceeds from the process conditions of a pressure of 5~150Torr. At this time, the DCS gas is 0.05 to 2 slm, the HCl gas is 0 to 3 slm, the H 2 gas is 10 to 150 slm, and doping gases such as PH 3 and B 2 H 6 are also in-situ ( in-situ).
상기한 바와 같이, 본 발명은 기본적으로 할로겐 램프에 의한 공정 가스 활성화 방법을 사용하면서 보조적으로 자외선 파장의 아크 램프(arc lamp)를 할로겐 램프 어셈블리(halogen lamp assembly)에 첨가하여 공정 가스 활성화뿐만 아니라, 선택적 실리콘 성장에 필요한 도체(conductor)와 부도체(non-conductor)에 대한 선택성을 증가시켜 장치 효용성을 극대화 시키는 것과 관계한다. 결과적으로 저압 화학 기상 증착법에 의한 단결정 실리콘막 형성의 가장 큰 장애였던 열 부하(Thermal budget)를 낮출 수 있다.As described above, the present invention basically adds an arc lamp of an ultraviolet wavelength to a halogen lamp assembly while using a process gas activation method by a halogen lamp, as well as to activate the process gas. It involves increasing the selectivity of the conductors and non-conductors required for selective silicon growth to maximize device utility. As a result, the thermal budget, which was the biggest obstacle to the formation of the single crystal silicon film by the low pressure chemical vapor deposition, can be lowered.
기존의 저압 화학 기상 증착 장치에 대한 개선점, 특히 선택적 실리콘 성장(SEG)을 위한 본 발명의 기술적 원리는 SEG 메카니즈(Mechanism)에 대한 이론적 배경에 근거한다. 기존 장치의 할로겐 램프도 자외선에 가까운 파장의 빛을 발산하여 실리콘 증착 반응을 활성화시키기는 하지만, 파장이 연속적으로 열적 활성화에 비해 그 비중이 크지는 않다.Improvements to existing low pressure chemical vapor deposition apparatus, in particular the technical principles of the present invention for selective silicon growth (SEG), are based on a theoretical background on SEG mechanisms. Halogen lamps in conventional devices also emit light of a wavelength close to ultraviolet light to activate the silicon deposition reaction, but the wavelength is not much greater than thermal activation.
기술적 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.The technical principle is briefly described as follows.
먼저, 자외선에 의한 기상 반응 활성화에 관한 것으로, 200∼320mm의 파장의 빛은 광학적으로 SiH4, SiCl2H2, SiCl3H, SiCl4와 같은 실리콘 소오스 가스와, HCl, H2등을 충분히 여기(activated state)시킬 수 있다. 여기 생성물인 레티클(radical)이나 실리콘 다중 결합체(homology)들은 전자를 받는 전자 친화도가 크거나 혹은 이온화될 확률이 높아져 미세 전하군(charge cluster)을 형성한다. 이들의 표면에는 단결정 형성에 긍정적인 영향을 미치는 Cl- 기가 흡착될 수 있다. 이와 같은 전하를 가진 수 nm의 미세 반응성 알갱이들은 표면에서 단결정 형성을 쉽게 할 뿐만 아니라, 도체(conductor)와 부도체(non-conductor) 사이에 선택성을 증폭시켜 SEG 공정에 매우 유리한 방향으로 작용한다.First, it relates to the activation of the gas phase reaction by ultraviolet light, the light of the wavelength of 200 ~ 320mm is optically sufficiently filled with silicon source gas such as SiH 4 , SiCl 2 H 2 , SiCl 3 H, SiCl 4 , HCl, H 2, etc. It can be activated. The excitation products, such as reticles or silicon multiplexes, have a high electron affinity for electrons or a high probability of ionization to form a fine charge cluster. On these surfaces Cl- groups can be adsorbed, which positively affects the formation of single crystals. These nanoscale reactive particles with these charges not only facilitate the formation of single crystals on the surface, but also act in favor of the SEG process by amplifying selectivity between conductors and non-conductors.
둘째, 수소 환원(Hydrogen reductin) 반응 활성화에 관한 것으로, 자외선 램프는 실리콘 웨이퍼 표면의 자연 산화물(native oxide)을 제거해주는 단계인 수소 처리(hydrogen treatment)를 활성화 시킬 수 있다. 왜냐하면, 활성화 수소는 자연 산화물 제거 능력이 높아지기 때문이다. 따라서, 수소 베이크 온도(hydrogen bake temperature)를 낮춰 열 부하(thermal budget)를 감소시킬 수 있다.Secondly, the present invention relates to activating a hydrogen reductin reaction, and an ultraviolet lamp can activate hydrogen treatment, which is a step of removing native oxide from the surface of a silicon wafer. This is because activated hydrogen has a high ability to remove natural oxides. Therefore, the hydrogen bake temperature can be lowered to reduce the thermal budget.
셋째, 자외선 램프 설치에 관한 것으로, 자외선 램프는 저압 화학 기상 증착 장치의 챔버의 상부 석영 돔에 설치한다. 자외선 램프의 종류는 수은(Hg)을 포함한 아크 램프(Arc lamp)를 기본으로 한다. 램프 타입(Lamp type) 이라 손쉽게 연결할 수 있을 뿐만 아니라, 비용 자체도 크게 부담되지는 않는다.Thirdly, the installation of the ultraviolet lamp, the ultraviolet lamp is installed in the upper quartz dome of the chamber of the low pressure chemical vapor deposition apparatus. The type of ultraviolet lamp is based on an arc lamp containing mercury (Hg). As it is a lamp type, it is not only easy to connect but also does not cost much.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자외선 램프를 기존의 싱글 웨이퍼 타입의 저압 화학 기상 증착 장치에서 가열기(heater)인 할로겐 램프 어셈블리(halogen lamp assembly)에 연결하면 다음과 같은 효과를 나타낼 수 있다.As described above, when the ultraviolet lamp is connected to a halogen lamp assembly which is a heater in a conventional single wafer type low pressure chemical vapor deposition apparatus, the following effects can be obtained.
첫째, 수소 처리(Hydrogen treatment) 온도를 낮춰 공정 열 부하(thermalbudget)을 감소시킬 수 있다.First, the process temperature can be reduced by lowering the hydrogen treatment temperature.
둘째, 기존의 공정 조선에 비해 훨씬 향상된 단결정 실리콘 성장 속도를 확보할 수 있으며, 공정 온도를 낮출 수 있다.Second, it is possible to secure much faster growth rate of single-crystal silicon compared to the existing process shipbuilding, and to lower the process temperature.
셋째, 선택적 실리콘 성장의 경우 선택성을 향상시키므로 공정 적용 측면에서 매우 유리하게 된다.Third, selective silicon growth is highly advantageous in terms of process application because it improves selectivity.
네째, 단결정 실리콘 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.Fourth, the quality of the single crystal silicon thin film can be improved.
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