KR20030086220A - 화학 증착 공정에 사용하기 위한 변형된 서셉터 - Google Patents

화학 증착 공정에 사용하기 위한 변형된 서셉터 Download PDF

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Abstract

에피택셜 피착 장치 및 방법에 사용하기 위한 변형된 서셉터(modified suscetor)가 개시된다. 변형된 서셉터는 반도체 웨이퍼를 지지할 수 있는 내부 원형 선반을 가지고, 에피택셜 피착 공정동안 사용되는 세정 가스가 서셉터를 통과하여 반도체 웨이퍼의 전체 후면에 실질적으로 접촉하고 자연 산화층을 제거할 수 있도록 하기 위해 표면에 다수의 홀을 가진다. 또한, 서셉터 상의 다수의 홀은 전면의 자동 도핑이 최소화되도록 에피택셜 피착 공정동안 후면으로부터 확산되어 나온 도펀트 원자들이 불활성 가스 스트림 내의 전면으로부터 떨어져 배기되도록 한다.

Description

화학 증착 공정에 사용하기 위한 변형된 서셉터{MODIFIED SUSCEPTOR FOR USE IN CHEMICAL VAPOR DEPOSITION PROCESS}
단결정 실리콘을 초크랄스키(Czochralski) 방법에 의해 성장시켜 제조할 경우, 도펀트를 첨가하거나 첨가하지 않으면서 석영로 내에서 다결정 실리콘을 먼저 용융시킨다. 다결정 실리콘을 용융시키고 온도를 평형으로 한 후, 석영로를 회전시키면서 용융체 내에 시드 결정을 침지시키고 이후에 추출시킴으로써 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 형성한다. 이후에, 이 단결정 실리콘 잉곳을 개개의 반도체 웨이퍼로 슬라이스하고, 이들 웨이퍼들이 나중에 랩핑/그라인딩, 에칭, 및 폴리싱을 포함하는 여러 공정을 거친 후 표면이 광택나는 완성된 반도체 웨이퍼가 제조된다. 완성된 반도체 웨이퍼를 디바이스 제조용으로 준비하기 위해, 웨이퍼에 대해 에피택셜 피착 공정 등의 화학 증착 공정을 행하여 웨이퍼의 전면 상에 일반적으로 약0.1 내지 약 200마이크로미터 사이의 실리콘 박막층을 성장시킴으로써 에피택셜 층 상에서 디바이스들을 바로 제조할 수 있다. 통상의 에피택셜 피착 공정에 대해서는 미국 특허 제5,904,769호 및 제5,769,942호에 개시되어 있다.
에피택셜 피착 공정은 전형적으로 두 단계로 이루어진다. 제1 단계에서는, 반도체 웨이퍼를 피착 챔버 내로 로딩시켜 서셉터 상으로까지 하강시킨 후, 웨이퍼의 전면에 대해 약 1150℃의 수소 또는 수소/염산 혼합물 등의 세정(cleaning) 가스를 도포시켜 "프리베이크(pre-bake)"하고 반도체 웨이퍼의 전면을 세정하고 표면 상의 임의의 자연 산화물을 제거하여 전면 상에 에피택셜 실리콘층이 연속적이며 균일하게 성장될 수 있게 한다. 에피택셜 피착 공정의 제2 단계에서는, 웨이퍼의 전면에 대해 약 800℃ 이상의 실란 또는 트리클로로실란(trichlorosilane) 등의 기상 실리콘 소스를 도포함으로써 전면 상에 에피택셜 실리콘층이 퇴적되어 성장된다. 에피택셜 피착 공정의 두 단계 동안, 반도체 웨이퍼는 에피택셜 층의 균일한 성장을 보증하기 위해 공정 중에는 일반적으로 회전되어지는 서셉터에 의해 에피택셜 피착 챔버에서 지지된다. 서셉터는 일반적으로 고순도의 흑연으로 구성되고 이 흑연을 완전히 커버하는 실리콘 카바이드층을 구비함으로써 고온 처리 동안 흑연으로부터 주변 분위기로 방출되는 철 등의 오염 물질의 양을 감소시킨다. 에피택셜 성장 공정 시에 사용되는 통상의 서셉터는 당 기술 분야에서 공지되어 있으며, 미국 특허 제4,322,592호, 제4,496,609호, 제5,200,157호, 및 제5,242,501호에 설명되어 있다.
에피택셜 피착 공정에서 통상의 서셉터를 사용할 경우, 웨이퍼를 서셉터 상으로 하강시키는 로딩 공정 중에, 서셉터와 웨이퍼 사이에 가스가 트랩되어 웨이퍼가 서셉터 상에서 틸트된 위치로 "플로팅" 및 슬라이드되게 된다. 이것은 불균일한 에피택셜 성장을 야기시킬 수 있다. 또한, 프리베이크 단계 동안, 웨이퍼와 서셉터 사이의 웨이퍼 엣지 주위, 및 웨이퍼와 서셉터 사이의 공간에 수소와 같은 소량의 세정 가스가 방출될 수 있다. 웨이퍼의 후면을 저온 산화물층 등의 산화물층으로 밀봉하면, 방출된 수소는 산화물층과 충분히 반응하지 않아 층 내에 핀홀이 생성되거나 또는 산화물층을 완전히 제거시킨다. 많은 디바이스 제조업자들이 요구하는 대로 후면이 에칭면 또는 연마면으로서, 단지 얇은 자연 산화물층만을 포함한다면, 수소 또는 수소/염산 혼합물은, 웨이퍼 주위로 세정 가스가 방출되는 후면의 외측 엣지 부근의 자연 산화물층을 완전히 제거시킬 것이며, 또한 웨이퍼의 외측 엣지로부터 에칭됨에 따라 자연 산화물층에 실리콘 표면을 노출시키는 핀홀 개구들을 생성할 것이다. 이들 핀홀 개구들은 전형적으로 웨이퍼 주위에 링 또는 "할로(halo)"를 형성한다.
에피택셜 피착 공정 동안, 웨이퍼와 서셉터 사이의 웨이퍼 엣지 주위, 및 웨이퍼와 서셉터 간의 공간 내에 소량의 실리콘을 함유하는 소스 가스가 방출될 수 있다. 웨이퍼의 후면이 산화물로 밀봉되면, 실리콘막의 핵 생성 및 성장은 거의 억제된다. 자연 산화물층이 세정 가스에 의해 완전히 에칭되어진 영역에서는, 평탄하고 연속적인 실리콘층이 성장된다. 그러나, 세정 가스에 의해 자연 산화물층이 완전히 제거되지 않고 실리콘을 노출시키는 핀홀이 생성되면, 실리콘을 함유하는 소스 가스는 핀홀 내에 실리콘을 피착시키고 에피택셜 피착 동안 웨이퍼 후면상에 불균일한 실리콘막을 생성한다. 따라서, 에칭 또는 연마된 후면이 단지 자연 산화물층만을 갖는 웨이퍼의 경우, 프리베이크 단계 중에 자연 산화물층에 생성된 핀홀들에 의해 밝은 광 조명 하에서는 흐릿하게 보이는 후면 상의 불연속적 실리콘 성장을 일으킬 수 있다. 웨이퍼의 후면 상에서의 이러한 흐릿함 또는 "할로"는 직경이 약 0.5 마이크로미터이고 높이가 약 10 나노미터인 작은 실리콘 성장 또는 범프들로 이루어져 있다. 이들 실리콘 범프는 광을 산란시켜 흐릿함을 일으키고, 이들 범프가 디바이스 공정 중에 웨이퍼의 후면을 관찰하는 기계의 시야(machine vision) 및 광학 고온 측정계를 간섭할 수 있기 때문에 바람직하지 않다,
에피택셜 실리콘층의 고온 성장 중에 부딪히게 되는 다른 문제는 고온 프리베이크 및 에피택셜 성장 단계 중에 반도체 웨이퍼의 후면을 통해 붕소 또는 인 등의 도펀트 원자들의 외부로의 확산(out-diffuse)이다. 통상의 서셉터에서는, 후면으로부터 외부로 확산되는 도펀트 원자들은 서셉터와 웨이퍼 자체 사이에 트랩되고 웨이퍼 엣지와 서셉터 사이에서 웨이퍼의 전면쪽으로 방출될 수 있다. 이들 도펀트 원자들은 성장 피착층 내부에 포함되어 오염시킬 수 있고, 웨이퍼 엣지 부근에서의 비저항 균일성을 저하시킨다. 예를 들어, 저온 산화물을 이용하여 반도체 웨이퍼의 후면을 산화물로 밀봉하면, 도펀트 원자들은 후면으로부터 거의 외부 확산되지 않을 것이다. 그러나, 후면이 에칭 또는 연마된 반도체 웨이퍼는 에피택셜 피착 공정 중에 후면으로부터 도펀트 원자들이 외부로 확산되어, 전면의 원치 않는 자동 도핑이 유발될 수 있다.
후면 할로 및 자동 도핑을 제거시키기 위한 시도로 여러 방법이 제안되어 있다. Nakamura씨는(일본 무심사 특허출원 JP11-16844호에서) 후면 할로를 제거시키기 위해, 웨이퍼를 에피택셜 반응기에 로딩하기 10일전까지 후면에 대해 불화수소 스트립 및/또는 고온 수소 어닐링 단계를 행하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 이 공정에서는 피착 공정의 복잡성과 비용을 상당히 증가시킬 수 있는 추가의 공정 단계를 필요로 한다. Deaton씨 등은(미국 특허 제5,960,555호에서) 웨이퍼의 엣지에 퍼지(purge) 가스를 주입하기 위해 웨이퍼 엣지를 따라 채널이 매립된 서셉터를 사용함으로써 전면측의 반응성 소스 가스가 웨이퍼 후면측으로 방출되는 것을 방지시키는 방법에 대해 개시하고 있다. 그러나, 이 공정에 따르면 기존의 에피택셜 피착 챔버를 실질적으로 변형시킬 필요가 있으며, 증가된 퍼지 가스 유동을 이용하므로 퍼지 가스가 전면 상에 쏟아져 소스 가스와 혼합되어, 최종 생성된 에피택셜막을 열화시킬 수 있다.
자동 도핑을 감소시키기 위해, Hoshi씨는(일본 무심사 특허출원 JP11-87250호에서) 서셉터의 엣지상의 진공 흡착을 이용하여 서셉터의 엣지 상의 붕소 도펀트를 탈기(evacuate)시켜 자동 도핑을 방지시키는 방법에 대해 개시한다. 그러나, 이 공정은 웨이퍼 엣지 균일성 및 두께에 영향을 줄 수 있으며, 기존의 에피택셜 피착 시스템에 대한 실질적인 변형을 필요로 한다. Nakamura씨는(일본 무심사 특허출원 JP10-223545호에서) 서셉터의 엣지 상에 슬롯을 구비하여, 외부로 확산된 도펀트 원자들을 이 슬롯을 통하여 배출구 내로 밀어 낼 수 있다. 이 방법에서도 상당량의 피착 가스가 웨이퍼의 후면 아래로 탈기되므로, 배기 시스템의 조기 부식 및 안전성 문제 뿐 아니라 상술된 할로 영향을 일으킬 수 있다.
현재까지 기술된 종래 기술에 따르면, 에피택셜 피착 공정 중에 반도체 후면 상에서의 할로 영향 및 후면으로부터 외부 확산되는 도펀트와 관련된 자동 도핑 문제점들을 제어할 수 있는 만족스러운 방법은 개시되지 않고 있다. 이와 같이, 반도체 산업에서는 에피택셜 피착 공정 중에 반도체 웨이퍼의 전면의 할로 영향 및 원치 않는 자동 도핑을 해결하기 위한 간단하고, 경제적이며, 효과적인 해결 방법을 필요로 한다.
<발명의 개요>
따라서, 본 발명의 목적 중에는, 세정 가스가 반도체 웨이퍼의 전체 후면을 실질적으로 접촉하도록 하는 변형된 서셉터(modified susceptor)의 제공이 있다. 변형된 서셉터의 제공은 에피택셜 실리콘 성장 동안에 반도체 웨이퍼의 전면(front surface)에 대한 자동 도핑(autodoping)을 현저히 감소시키고; 변형된 서셉터의 제공은 에피택셜 피착의 프리베이크(pre-bake) 단계 동안에 반도체 웨이퍼의 후면으로부터 자연 산화물을 실질적으로 완전히 제거할 수 있게 하고, 할로 영향을 실질적으로 제거시키고; 다수의 홀을 갖는 변형된 서셉터의 제공은 그 서셉터를 이용하여 생산된 에피택셜 웨이퍼의 품질이 개선되도록 하며; 변형된 서셉터의 제공은 로딩 중에 웨이퍼 "플로팅(floating)"을 감소시키거나 제거한다.
따라서, 간략하게는 본 발명은 반도체 웨이퍼상에 에피택셜층이 성장되는 화학 증착(chemical vapor deposition) 공정에 사용되는 장치에 관한 것이다. 장치는 반도체 웨이퍼를 지지하도록 크기가 조정되고 구성되는 서셉터를 포함한다. 서셉터는 약 0.2 openings/㎠ ~ 약 4 openings/㎠ 사이의 개구 밀도를 갖는 표면을가지며, 이는 그 사이를 통한 유동 흐름을 허용하기 위하여 일반적으로는 웨이퍼와 평행한 대향 관계(opposed relationship)에 있다.
본 발명은 또한 반도체 웨이퍼 상에 에피택셜층이 성장하는 에피택셜 피착 공정에 사용되는 장치에 관한 것이다. 장치는 반도체 웨이퍼를 지지하도록 크기가 조정되고 구성되는 서셉터를 포함한다. 서셉터는 약 0.5 openings/㎠ ~ 약 2 openings/㎠ 사이의 개구 밀도를 갖는 표면을 가지며, 이는 그 사이를 통한 유동 흐름을 허용하기 위하여 일반적으로는 웨이퍼와 평행한 대향 관계를 이룬다. 장치는 서셉터와 웨이퍼를 지지하기 위한 회전 가능한 수단, 열 소자(heating element), 서셉터 주변을 둘러싸는 엣지 링, 및 가스 주입구 및 가스 배출구를 더 포함한다.
본 발명은 또한 에피택셜 실리콘층을 반도체 웨이퍼 상에 성장시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은 세정 가스가 상기 전면 및 후면과 평행하게 흐르고 웨이퍼의 전면에 접촉하고 전체 후면에 실질적으로 접촉하도록, 웨이퍼를 포함하는 에피택셜 피착 챔버 내로 세정 가스를 도입하여 표면들로부터 자연 산화물 층을 제거하는 단계를 포함한다. 세정 가스 이후에, 실리콘을 포함하는 소스 가스가 피착 챔버에 도입되어, 에피택셜 실리콘층을 전면 상에 성장시킨다.
본 발명의 다른 목적 및 특성은 어느 정도 명백하고, 어느 정도는 이후 설명될 것이다.
본 발명은 화학 증착 공정에 사용하기 위한 변형된 서셉터(susceptor)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 에피택셜 피착 반응기 및 공정 시에 사용하기 위한, 복수의 홀을 구비하여 반도체 웨이퍼의 전면(front surfacce)의 자동 도핑(auto doping)과 반도체 웨이퍼의 후면(back surface) 상의 불연속 실리콘 성장을 상당히 감소시키거나 제거시키는 변형된 서셉터에 관한 것이다.
도 1은 도 2의 선 1-1의 평면을 취한 본 발명의 변형된 서셉터의 단면도.
도 2는 본 발명의 변형된 서셉터의 평면도.
도 3은 도 2의 선 1-1의 평면을 취한 단면도에서 본 발명의 변형된 서셉터를 보여주는 에피택셜 반응 챔버를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 변형된 서셉터의 단면도.
도 5는 본 발명의 변형된 서셉터의 단면도.
대응하는 참조부호는 도면전체에서 대응하는 부분을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 에피택셜 실리콘층을 전면에 갖는 고품질의 반도체 웨이퍼가 다수의 개구를 갖는 변형된 서셉터를 포함하는 에피택셜 피착 챔버를 이용하여 생산될 수 있음을 알 수 있다. 이롭게는, 변형된 서셉터는 로딩 중의 "플로팅"을 실질적으로 제거하고, 웨이퍼의 후면으로 향하거나 후면으로부터의 유동 물질의 전송을 가능하게 하며, 이것은 에피택셜 피착 공정의 프리베이크 단계에서 이용되는 세정 가스가 반도체 웨이퍼의 전체 후면과 실질적으로 접촉할 수 있게 하여, 거의 전체의 자연 산화물층을 화학적으로 제거하여 소스 가스가 반도체 웨이퍼의 후면에 접촉하는 에피택셜층의 성장 동안에 실리콘의 평탄한 연속 층들이 성장되고, 후면의 할로 영향이 현저히 감소 또는 제거되게 한다. 또한, 변형된 서셉터는, 반도체 웨이퍼에 포함되어 있으며 에피택셜 피착 공정 동안에 웨이퍼의 후면으로 부터 확산되어 나오는 도펀트 원자가 퍼지(purge) 가스 스트림 내의 웨이퍼의 전면으로부터 떨어져 배출구로 운반되도록 하여, 상당한 양의 도펀트가 웨이퍼와 서셉터 엣지 사이에서 방출되어 전면에 접촉하여, 전면의 원하지 않는 자동 도핑을 초래하는 것을 방지한다.
이제, 도면 중, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명의 변형된 서셉터(2)의 단면도가 도시되어 있다. 변형된 서셉터(2)는 전면(6) 및 후면(8)을 갖는 반도체 웨이퍼(4)를 지지할 수 있는 내부 환형 선반(22;inner annular ledge)을 갖는다. 변형된 서셉터(2)는 복수의 홀 또는 개구(10, 11, 12, 13, 14, 16 및 18) 및 웨이퍼 리프트(lift) 핀 홀(21)이 있는 다공성 표면(9)을 갖는다. 개구 및 홀이라는 용어는 본 명세서에서는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 둘 다 다공성 표면(9) 내의 개방 통로를 의미한다. 개구를 갖는 다공성 표면(9)은 반도체 웨이퍼(4) 바로 아래에 위치되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "복수"라는 용어는 2개 이상의 홀을 의미한다. 홀들(10, 11, 12, 13, 14, 16 및 18)은 코팅이 도포되기 전에 변형된 서셉터(2)에 구멍 뚫린다. 에피택셜 피착 공정의 프리베이크 단계 중에, 홀들(10, 11, 12, 13, 14, 16 및 18)에 의해 반도체 웨이퍼(4)의 후면 전체에 세정 가스가 실질적으로 접촉될 수 있어, 세정 가스가 반도체 웨이퍼(4)의 후면(8) 상의 모든 자연 산화물과 반응하여 실질적으로 제거할 수 있게 한다. 서셉터(2)의 내부 환형 선반(22)과 접촉하는, 반도체 웨이퍼(4)의 후면(8)의 일부는, 웨이퍼와 서셉터 사이에서 유출되는 가스인 세정 가스에 의해 실질적으로 에칭되어, 후면 상의 자연 산화물층을 실질적으로 완전히 제거할 수 있게 된다. 후면(8)으로부터 자연 산화물을 제거하면, 에피택셜 성장 공정 중에 웨이퍼와 서셉터 사이에서 유출되며 후면(8)과 접촉되는 임의의 소스 가스가 실리콘 표면의 상부에 매끄럽게 연속적으로 성장할 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼의 후면에서의 할로 효과(halo effect)가 상당히 감소 또는 제거된다. 또한, 홀들(10, 11, 12, 13, 14, 16 및 18)에 의해, 에피택셜 피착 공정의 에피택셜 피착 단계 및 고온 세정 단계 중에 반도체 웨이퍼(4)의 후면(8)으로부터 외부 확산되는 도펀트 원자가 이 홀들을 통해 퍼지 가스(purge gas) 또는 수소 스트림으로 유출될 수 있게 되고, 반도체 웨이퍼(4)의 전면(6)으로부터 떨어져 배기 시스템으로 유출될 수 있게 된다. 이와 같이, 에피택셜 피착 공정 중에 전면의 자동 도핑이 상당히 감소될 수 있다.
도 2를 참조하면, 내부 환형 선반(22), 및 복수의 홀이 있는 다공성 표면(24)을 갖는 변형된 서셉터(2)의 평면도가 도시된다. 다공성 표면(24) 상의 웨이퍼 리프트 핀 홀(28, 30 및 32)은, 에피택셜 피착 공정 중에 그리고 그 후에, 변형된 서셉터(2) 아래의 리프트 핀(도시되지 않음)이 변형된 서셉터의 반도체 웨이퍼를 올리고 내릴 수 있도록 한다. 엣지 링(26)은 변형된 서셉터(2)의 주변을 둘러싸며, 에피택셜 피착 공정 동안 사용되어, 웨이퍼에 온도 기울기가 형성되지 않고 피착 공정에 악 영향을 미치지 않도록 반도체 웨이퍼에 걸쳐 온도의 균일성을 보장할 수 있다. 엣지 링(26)은 일반적으로 변형된 서셉터(2)의 직경보다 큰 약 4 내지 10 ㎝의 직경을 가지며, 실리콘 카바이드 또는 유리 성질의 카본 코팅을 갖는 고순도 흑연으로 구성된다.
본 발명의 변형된 서셉터는, 서셉터의 내부 환형 선반이 예를 들어 150㎜, 200㎜ 및 300㎜의 웨이퍼를 포함하는 임의 직경의 반도체 웨이퍼를 수용할 수 있는 크기로 조정되고 구성될 수 있다. 변형된 서셉터는 고순도 흑연 등의 종래의 재료로 구성될 수도 있고, 고온의 에피택셜 피착 공정 중에 흑연으로부터 주변 환경으로 방출되는 오염물의 양을 감소시키기 위해, 흑연을 커버하는 실리콘 카바이드 또는 유리 성질의 카본층을 가진다. 서셉터를 구성하기 위해 사용되는 흑연은 일반적으로 적어도 약 99%, 보다 바람직하게는 적어도 약 99.9%, 가장 바람직하게는 적어도 약 99.99% 순수 흑연이다. 또한, 흑연은 철, 몰리브덴, 구리 및 니켈 등의 총 금속의 약 20 ppm 미만, 보다 바람직하게는 철, 몰리브덴, 구리 및 니켈 등의 총 금속의 약 5 ppm 미만을 포함하는 것이 바람직하다. 흑연을 덮는 실리콘 카바이드 또는 유리 성질 카본 코팅은 일반적으로 약 75 ㎛ 내지 약 150㎛ 사이의 두께, 바람직하게는 약 125㎛의 두께를 갖는다.
상기 반도체 웨이퍼 바로 아래에 위치하는 변형된 서셉터의 다공성 표면 내의 홀은, 상기 홀이 서셉터로 구멍 뚫린 후에 서셉터에 적용될 경우, 실리콘 카바이드 혹은 유리모양의 카본 코팅이 상기 홀을 거의 막거나 플러그(plug)하지 않아서, 그 사이를 통한 유동체 흐름을 제한하지 않도록 하는 직경을 갖는다. 본 기술 분야의 당업자라면 홀 전체에 대해 일컬어지는 개구가, 일반적으로 사각형, 슬롯형, 다이아몬드형, 또는 그곳을 통해 유동체가 흐를 수 있는 임의의 다른 형태일 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 개구는 바람직하게는, 약 0.1mm 내지 약 3mm 사이, 보다 바람직하게는 약 0.1mm 내지 약 1mm 사이, 가장 바람직하게는 약 0.5mm 내지 약 1mm 사이의 폭을 갖는다. 상기 개구 폭은 개구의 양 코너 간의 최장 거리, 혹은 상기 개구가 원형일 때는 그 직경으로서 제공된다. 홀은 변형된 서셉터와 이격되어서, 에피택셜 피착 공정의 프리베이크 단계 동안 사용되는 세정 가스가 반도체 웨이퍼의 전체 후면과 실질적으로 접촉하여 에칭할 수 있게 한다. 변형된서셉터의 홀들을, 약 0.5mm 내지 약 4cm 사이, 보다 바람직하게는 약 2mm 내지 약 2cm 사이, 또한 가장 바람직하게는 약 6mm 내지 약 1.5cm의 사이만큼 분리시킴으로써, 세정 가스가 반도체 웨이퍼의 전체 후면에 실질적으로 접촉할 수 있게 하여, 상기 후면으로부터 모든 자연 산화물을 실질적으로 에칭할 수 있게 한다. 상기 서셉터의 표면상의 개구 면적의 총 비율은 상기 서셉터의 전체 표면적의 약 0.5% 내지 약 4% 사이에 있으며, 보다 바람직하게는 상기 서셉터의 전체 표면적의 약 1% 내지 약 3% 사이에 있다. 상기 서셉터의 표면은 바람직하게는, 약 0.2 holes/㎠ 내지 약 4 holes/㎠ 사이, 보다 바람직하게는 약 0.8 holes/㎠ 내지 약 1.75 holes/㎠ 사이의 밀도를 갖는다. 본 발명에서 사용된 밀도는 균일한 혹은 불균일한 밀도를 의미한다.
일반적으로, 변형된 서셉터 내의 홀은 실제로는 작은 직경을 가져서, 실리콘 카바이드 또는 유리 성질의 카본 코팅이 상기 홀을 통해 반도체 웨이퍼의 후면으로의 유동체 흐름을 제한할 수 없게 하는 것이 바람직하다. 서셉터 내의 홀이 너무 크게 구멍이 뚫어지면, 후면상에 국부적인 온도 불균일에 의해 야기되는 웨이퍼의 전면상의 나노토폴로지(nanotopology) 문제가 발생할 수 있다. 변형된 서셉터 내의 큰 직경의 홀들은 반도체 웨이퍼의 하부에 위치된 히팅 램프에 의한 후면의 직접 조사(irradiation)를 통해 반도체 웨이퍼의 후면상에 핫 스팟(hot spot) 또는 콜드 스팟(cold spot)으로 발전하게 한다. 이들 핫 스팟 혹은 콜드 스팟은 반도체 웨이퍼의 전면에 걸쳐 온도 기울기를 형성하게 하며, 반도체 웨이퍼의 전면상에 불균일한 에피택셜 실리콘 성장을 발생시킨다. 에피택셜 층의 불균일한 성장은 웨이퍼 품질을 상당히 저감시킨다. 변형된 서셉터 상의 홀은 상기 서셉터 내에 비스듬한 각도로 구멍이 뚫어져서, 히팅 램프에 의한 후면의 직접 조사 가능성 및 전면상의 불균일한 에피택셜 성장을 유발하는 핫 스팟 혹은 콜드 스팟의 형성을 보다 감소시키고, 가스들이 서셉터를 관통하여 후면과 접촉할 수 있게 하며, 또한 외부 확산된 도펀트 원자들이 후면으로부터 이동할 수 있게 한다. 핫 스팟 혹은 콜드 스팟의 형성에 대한 잠재성 및 상기 홀을 통해 웨이퍼의 직접 조명으로 인한 반도체 웨이퍼 상의 온도 기울기의 생성을 보다 줄이고, 또한 상기 리프트 핀 홀에 의해 야기된 임의의 핫 스팟 혹은 콜드 스팟을 감소시키거나 제거하기 위해, 반도체 웨이퍼의 상하부의 히팅 램프의 램프 전력비를 조정하여 램프로부터의 균형화된 가열을 생성하도록 조절한다.
본 발명의 변형된 서셉터는 에피택셜 피착 공정과 같은 화학 증착 공정용 장치의 일부로서 사용될 수 있다. 도 3을 참조할 때, 본 발명의 변형된 서셉터(36)를 사용하여 에피택셜 성장 공정 동안 사용하는 에피택셜 반응 챔버(34)가 도시되어 있다. 변형된 서셉터(36)는 회전가능한 지지 수단(58과 59)에 부착되어, 에피택셜 피착 공정 동안 내부 환형 선반(42) 상의 반도체 웨이퍼(38)를 지지하도록 크기가 조정되고 구성된다. 반도체 웨이퍼(38)는 변형된 서셉터(36)의 다공성 표면(49) 내의 홀들(44, 45, 46, 47, 48, 49 및 51)과 이격되어 있는 관계이다. 리프트 핀 홀(62)은 리프트 핀(도시되지 않음)이, 변형된 서셉터(36)의 다공성 표면(9)을 통해 반도체 웨이퍼(38)에 액세싱할 수 있게 하여, 에피택셜 피착 공정 전후에 반도체 웨이퍼(38)를 변형된 서셉터(36)로/로부터 리프팅할 수 있다. 에피택셜 피착 챔버(34)는 또한, 에피택셜 피착 공정 동안 히팅하기 위해, 변형된 서셉터(36) 상하부에 각각 위치된 히팅 램프 어레이(50 및 52)를 포함한다. 반도체 웨이퍼(38)의 전면(60) 및 후면(62)의 자연 산화물 제거를 강화하기 위하여, 반도체 웨이퍼(38)의 상방 및 하방에 세정 가스를 주입하도록 에피택셜 피착 공정의 프리베이크 단계 동안 가스 주입구(54 및 56)에 의해 세정 가스를 주입할 수 있다. 에피택셜 성장 단계 동안, 가스 주입구(54)는 웨이퍼(38) 상방을 흐르는 실리콘 함유 소스 가스를 도입하고, 가스 주입구(56)는 수소 또는 불활성 가스를 웨이퍼(38) 아래에 도입하여 반도체 웨이퍼(38)의 후면(62)으로 흘러 나와 전면으로부터 외부 확산된 도펀트 원자를 제거한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 에피택셜 피착 챔버 내로 주입되는 가스는 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면에 평행하게 흐른다. 이러한 흐름 패턴은 주입 가스가 웨이퍼의 전면과 접촉하고, 웨이퍼의 후면과 접촉하기 위해 서셉터의 표면의 홀을 통해 서셉터를 관통하게 한다. 가스 유동(flow)이 반도체 표면에 수직이 아니라 평행하기 때문에, 웨이퍼 엣지와 환형 선반의 엣지 사이에서 발산하는 가스에 의해 반도체 웨이퍼가 환형 선반으로부터 들어 올려지고 변형되는 가능성이 현저하게 감소되거나 제거된다. 가스 주입구(54 및 56)로부터 챔버(34)로 주입되는 가스가 배출구(64)를 통해 챔버(34)로부터 제거된다.
변형된 서셉터의 홀은, 세정 단계 동안, 변형된 서셉터를 통해 세정 가스가 통과할 수 있게 하고 반도체 웨이퍼의 전체 후면과 실질적으로 접촉할 수 있게 하여 후면 상에 존재하는 임의의 자연 산화물이 세정 가스에 의해 제거되게 한다. 이러한 후면으로부터의 자연 산화물의 제거는, 에피택셜층의 성장 중에 소스 가스와 접촉하는 반도체 웨이퍼 후면의 임의의 부분 상에 평탄한 연속적 에피택셜 실리콘 층이 성장할 수 있게 하고, 따라서 후면상의 임의의 할로 형성을 거의 제거할 수 있다. 또한, 변형된 서셉터의 홀들은 불활성 가스 또는 수소가 웨이퍼의 후면을 접촉하도록 하여, 세정 단계 및 에피택셜 성장 단계의 양 단계 동안 후면으로부터 외부 확산하는 도펀트 원자가 반도체 웨이퍼로부터 떨어져 배출구로 운반되어 웨이퍼의 전면의 자동 도핑의 가능성을 실질적으로 감소시킬 것이다.
상술된 본 발명의 변형된 서셉터를 포함하는 에피택셜 반응 챔버는 에피택셜 피착 공정의 세정 단계 및 성장 단계 양 단계들에 대하여 활용될 수 있다. 본 발명에 따른 한 에피택셜 피착 공정에서, 에피택셜 실리콘층은 반도체 웨이퍼의 전면 상에 성장된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 실리콘 웨이퍼는 대기압에서 에피택셜 피착 챔버로 도입되고, 수소 또는 수소와 염산의 혼합물과 같은 세정 가스는 약 1 liter/min 내지 약 50 liters/min 사이, 바람직하게는 약 10 liters/min 내지 약 20 liters/min 사이의 유속(flow rate)으로 적어도 약 10 sec 동안 약 1000 ℃ 내지 약 1300 ℃ 사이의 온도에서 챔버 내로 주입되어, 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면 상의 자연 산화물을 제거한다.
일단 반도체 웨이퍼의 전면과 후면으로부터 자연 산화물 층이 제거되면, 세정 가스의 공급이 중단되고 반응 챔버내의 온도는 약 600 ℃ 내지 약 1200 ℃ 사이에서 조절되고 예를 들어, 실란 또는 다이클로로실란과 같은 실리콘 함유 소스 가스가, 약 0.1 micrometer 내지 200 micrometers 사이, 바람직하게는 약 1 micrometer 내지 약 100 micrometers 사이의 두께를 갖는 에피택셜 실리콘층을 반도체 웨이퍼의 전면 상에 성장시키는데 충분한 시간 동안 약 1 liter/min 내지 약 20 liters/min 사이의 유속으로, 반도체 웨이퍼의 전면 상방에 도입된다. 동시에, 실리콘 함유 소스 가스가 반도체 웨이퍼의 전면 상방의 피착 챔버 내로 주입되고, 질소, 아르곤, 수소, 이들의 혼합물 또는 소스 가스와 같은 가스가 약 1 liter/min 내지 약 50 liters/min 사이, 바람직하게는 약 10 liters/min 내지 약 20 liters/min 사이의 유속으로 반도체 웨이퍼의 후면 아래에 주입되어, 퍼지 가스가 반도체 웨이퍼의 후면에 접촉할 수 있고 후면으로부터 배출구로 외부 확산된 도펀트 원자를 이동시키도록 한다. 이 바람직한 실시예는 임의의 후면 할로 효과를 상당히 감소시키거나 제거하고, 전면의 자동 도핑을 감소시킨다. 바람직한 에피택셜 피착 공정은 대기압에서 수행되지만, 감압 화학 증착도 본 발명의 범위 내에 있다.
본원의 선택적인 실시예에서, 변형된 서셉터(susceptor)는 반도체 웨이퍼를 다공성 표면 상에 직접 배치할 수 있도록 구성되고 크기가 조정될 수 있어 결과적으로 도 1에 도시된 바와 같은 내부 환형 선반(inner annular ledge)(22)을 제거할 수 있다.
도 4를 참조하면, 반도체 웨이퍼가 다공성 표면 상에 직접 위치하는 변형된 서셉터의 단면이 도시된다. 반도체 웨이퍼(70)의 후면(76)은 변형된 서셉터(74)의 다공성 표면(72) 상에 직접 배치된다. 웨이퍼(70)의 후면(76)이 다공성 표면(72)과 직접 접촉하더라도, 변형된 서셉터(74) 아래에 흐르는 가스는 홀(78, 80, 82, 84, 86, 88, 90)을 통해 다공성 표면(72)을 관통할 수 있고, 웨이퍼(70)의 전체 후면(76)과 실질적으로 접촉한다.
또 다른 선택적인 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이 본원 발명의 변형된 서셉터는 다공성 표면(72)이 접시 또는 돔 형상으로 형상화되어 반도체 웨이퍼의 외부 엣지만 변형된 서셉터에 접촉할 수 있도록 더 변형될 수 있다. 도 5를 참조하면, 반도체 웨이퍼가 서셉터의 다공성 표면 상에 직접 위치하는 변형된 서셉터의 단면이 도시된다. 반도체 웨이퍼(70)의 후면(76)은 변형된 서셉터(74)의 다공성 표면(72) 상에 직접 배치된다. 다공성 표면(72)은 반도체 웨이퍼(70)의 외부 엣지(92, 94)가 다공성 표면(72)과 직접 접촉하고 웨이퍼(70) 또는 후면(76)의 남은 부분이 다공성 표면(72)과 직접 접촉하지 않도록 접시 또는 돔과 같이 형상화된다. 사용중에, 홀(78, 80, 82, 84, 86, 88, 90)은 이를 통해 웨이퍼의 후면까지 유동체가 흐를 수 있게 한다.
본원 발명의 변형된 서셉터는 사용되는 서셉터의 형상에 상관없이 배럴, 팬케이크 및 미니 배치(mini batch)를 포함하는 다양한 형태의 피착 반응기와 함께 사용될 수 있음을 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 인식할 것이다.
상기로 부터, 본원의 몇몇 목적들이 달성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본원의 범주를 벗어나지 않고 상술한 변형된 서셉터의 다양한 변화가 이루어질 수 있기 때문에, 상기 상세한 설명에 포함된 모든 내용은 예시적인 것으로 해석되어야 하고 한정적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

Claims (19)

  1. 반도체 웨이퍼 - 상기 반도체 웨이퍼는 전면(front surface) 및 후면(back surface)을 가짐 - 상에 에피택셜 실리콘 층을 성장시키기 위한 방법에 있어서,
    세정 가스가 상기 전면 및 후면과 평행하게 흐르고 상기 반도체 웨이퍼의 상기 전면에 접촉하고 상기 반도체 웨이퍼의 상기 전체 후면에 실질적으로 접촉하도록 상기 반도체 웨이퍼를 포함하는 에피택셜 피착 챔버 내로 상기 세정 가스를 도입하여 상기 반도체 웨이퍼의 상기 전면 및 상기 후면으로부터 자연 산화물 층을 제거하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 상기 전면 상에 에피택셜 실리콘 층을 성장시키기 위해 상기 에피택셜 피착 챔버 내로 실리콘이 포함된 소스 가스를 도입하면서, 상기 에피택셜 피착 챔버로 퍼지 가스(purge gas)를 도입하여 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면으로부터 확산되어 나온(out-diffused) 도펀트 원자들을 상기 반도체 웨이퍼의 상기 전면으로부터 제거하는 단계
    를 포함하는 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜 층은 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛ 사이의 두께를 갖는 성장 방법.
  3. 에피택셜 실리콘 층이 반도체 웨이퍼 - 상기 반도체 웨이퍼는 전면 및 후면을 가짐 - 상에 성장하는 화학 증착 공정동안 상기 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 서셉터에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과의 접촉을 위해 상기 서셉터를 통해 가스가 흐르도록 허용하기 위하여 상기 서셉터에 의해 지지되는 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 일반적으로 평행, 대향 관계에 있는 다공성 표면; 및
    상기 서셉터의 주변을 둘러싸는 엣지 링
    을 포함하고,
    상기 다공성 표면은 약 0.2 openings/㎠ 내지 약 4 openings/㎠ 사이의 개구 밀도를 갖는 서셉터.
  4. 에피택셜 실리콘 층이 반도체 웨이퍼 - 상기 반도체 웨이퍼는 전면 및 후면을 가짐 - 상에 성장하는 화학 증착 공정동안 상기 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 서셉터에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과의 접촉을 위해 상기 서셉터를 통해 가스가 흐르도록 허용하기 위하여 상기 서셉터에 의해 지지되는 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 일반적으로 평행, 대향 관계에 있는 다공성 표면
    을 포함하고,
    상기 다공성 표면은 약 0.2 openings/㎠ 내지 약 4 openings/㎠ 사이의 개구 밀도를 가지고, 상기 다공성 표면 상의 개구 영역의 전체 비율은 약 0.5% 내지 약 4% 사이인 서셉터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다공성 표면 상의 개구 영역의 총 비율은 약 1% 내지 약 3% 사이인 서셉터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 서셉터의 상기 다공성 표면의 적어도 일부분과 이격된 관계로 상기 반도체 웨이퍼를 지지하도록 구성되는 서셉터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 다공성 표면에 리프트(lift) 핀 홀들을 더 포함하여 상기 리프트 핀들이 상기 서셉터를 통과하도록 하는 서셉터.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 개구부는 약 0.1 밀리미터 내지 약 3 밀리미터 사이의 직경을 갖는 서셉터.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 개구부는 약 0.1 밀리미터 내지 약 1 밀리미터 사이의 직경을 갖는 서셉터.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 개구부는 약 0.5 밀리미터 내지 약 1 밀리미터 사이의 직경을 갖는 서셉터.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 개구부들은 약 2 밀리미터 내지 약 2 센티미터 사이로 이격되어 배치되는 서셉터.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 다공성 표면은 약 0.8 openings/㎠ 내지 1.75 openings/㎠ 사이인 서셉터.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 서셉터에 의해 지지되는 상기 반도체 웨이퍼가 상기 다공성 표면 상에 직접 놓여지도록 구성되는 서셉터.
  14. 챔버의 내부 공간, 상기 챔버의 내부 공간으로 가스를 유입하기 위한 가스 주입구 및 상기 챔버의 내부 공간으로부터 상기 가스를 배출시키는 가스 배출구를 포함하는 유형의 챔버에서 전면과 후면을 갖는 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 장치에 있어서,
    상기 챔버의 내부 공간 내에 상기 반도체 웨이퍼를 지지하도록 크기가 조정되고 구성되는 서셉터를 포함하며,
    상기 서셉터는 약 0.5 openings/㎠ 내지 약 2 openings/㎠ 사이의 개구 밀도를 갖는 다공성 표면을 가지며, 상기 다공성 표면은 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 일반적으로 평행, 대향 관계에 있고, 상기 챔버의 내부에 노출되어 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 접촉하기 위해 상기 다공성 표면을 통하여 내부로 가스가 흐르도록 하고 상기 반도체가 상기 서셉터에 의해 지지되면서 상기 가스 배출구를 통한 상기 챔버로부터의 배출을 위해 상기 다공성 표면을 통해 외부로 더 흐르도록 하는 반도체 웨이퍼 지지 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 서셉터의 상기 다공성 표면이 상기 챔버의 상기 내부 공간 안으로 흐르는 상기 가스에 실질적으로 노출되도록 상기 챔버의 상기 내부 공간 내의 상기 서셉터를 지지하기 위한 지지대(support)를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 지지 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 지지대는 상기 챔버의 상기 내부 공간 내에서 회전 가능하여 내부의 상기 서셉터를 회전시키는 반도체 웨이퍼 지지 장치.
  17. 전면과 후면을 갖는 반도체 웨이퍼 상에 에피택셜 실리콘층이 성장되는 에피택셜 피착 공정에 사용하기 위한 장치에 있어서,
    내부 공간을 정의하고, 상기 챔버의 상기 내부 공간으로 가스가 흐르도록 하는 가스 주입구 및 상기 챔버의 상기 내부 공간으로부터 상기 가스가 배출되도록 하는 가스 배출구를 포함하는 피착 챔버;
    상기 챔버의 상기 내부 공간에 배치되는 서셉터 - 상기 서셉터는, 상기 서셉터를 통해 제1 측으로부터 제2 측으로 확장되는 개구부를 갖는 다공성부를 포함하고, 상기 서셉터는 상기 반도체 웨이퍼를 지지하여 상기 웨이퍼의 상기 후면이 상기 서셉터의 상기 다공성부의 상기 제1 측과 대향 관계에 있도록 구성됨 -; 및
    상기 챔버의 내부에 상기 서셉터의 제2 측이 노출되도록 상기 챔버 내의 상기 서셉터를 지지하여 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 접촉하기 위해 상기 서셉터의 상기 다공성 표면을 통해 내부로 상기 가스의 실질적인 자유 유동을 용이하게 하고, 상기 가스 배출구를 통해 상기 챔버로부터 배출하기 위해 상기 서셉터의 상기 다공성 표면을 통해 외부로 더 흐르게 하기 위한 서셉터 지지대
    를 포함하는 에피택셜 피착 공정용 장치.
  18. 전면과 후면을 갖는 반도체 웨이퍼의 후면을 가스로 처리하기 위한 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼를 챔버의 내부 공간에 배치된 서셉터로 로딩하는 단계 - 상기 서셉터는 상기 서셉터를 통해 제1 측으로부터 제2측으로 확장된 개구부를 갖는 다공성부를 가지며, 상기 로딩 단계는 상기 웨이퍼의 상기 후면이 상기 서셉터의 상기 다공부의 상기 제1 측과 대향 관계에 있도록 상기 서셉터로 상기 웨이퍼를 로딩하는 단계를 포함함 -;
    상기 서셉터의 상기 제2 측이 상기 챔버의 내부 공간에 노출되도록 상기 서셉터를 상기 챔버의 내부 공간에서 지지하는 단계;
    상기 챔버의 상기 내부 공간으로 가스를 흐르도록 하여, 상기 후면을 처리하기 위해 상기 반도체 웨이퍼의 상기 후면과 접촉하도록 상기 서셉터의 상기 다공성 표면을 통해 내부로 상기 가스의 실질적인 자유 유동을 용이하게 하고 상기 챔버의 상기 내부 공간으로 되돌려 상기 서셉터의 상기 다공성 표면을 통해 외부로 상기 가스의 추가 유동을 용이하게 하는 단계; 및
    상기 챔버의 상기 내부 공간으로부터 상기 가스를 배출시키는 단계
    를 포함하는 반도체 웨이퍼의 후면 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 공간으로 글로가 유동하도록 함에 따라 상기 챔버의 상기 내부 공간 내에서 상기 서셉터를 회전시키는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 후면 처리 방법.
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