KR20060003881A - 반도체 층 증착 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 반도체 층과 같은 적어도 하나의 층을 반응기(1)의 프로세스 챔버(2) 내의 기판 홀더(4)에 의해 운반되는 적어도 하나의 기판(5)상에 증착하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 층은 고정된 화학량론적 비율로 존재하며 제 1 반응 가스 및 제 2 반응 가스 형태로 상기 반응기(1) 내부로 각기 도입되며 적어도 2 개의 물질 성분으로 구성되고, 에너지 공급에 의해 가스들이 분해된 산물 중 일정량이 상기 층을 형성하고, 낮은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 1 반응 가스의 공급은 상기 층의 성장 레이트(growth rate)를 결정하고, 높은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 2 반응 가스는 과도하게 공급되며 특히 독립적인 에너지 공급에 의해 사전처리된다(preconditioned). 상기 제 1 반응 가스는 상기 기판 홀더(4)의 반대에 위치하는 가스 인입 부재(3)의 표면(18)상에 분산되어 위치한 다수의 개구(6)를 통해서 상기 기판 홀더(4)의 방향(11)으로 흐른다. 본 발명에 따라서, 상기 제 2 반응 가스가 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 도입되기 이전에 사전처리되어 상기 기판 홀더(4)의 바로 위에서 상기 기판 홀더(4)의 에지에서 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 들어가서 상기 기판 홀더의 표면에 대해 평행하게 흐른다.

Description

반도체 층 증착 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DEPOSITING SEMICONDUCTOR LAYERS USING TWO PROCESS GASES, OF WHICH ONE IS PRECONDITIONED}
본 발명은 특히 반도체 층과 같은 적어도 하나의 층을 반응기의 프로세스 챔버 내의 기판 홀더에 의해 운반되는 적어도 하나의 기판상에 증착하는 프로세스에 관한 것으로서, 상기 층은 제어되는(고정된 또는 변하는) 화학량론적 비율로 존재하며 제 1 반응 가스 및 제 2 반응 가스 형태로 상기 반응기 내부로 각기 도입되는 적어도 2 개의 물질 성분으로 구성되고, 상기 반응 가스들은 에너지를 공급함으로써 화학적으로 분해되며, 이 분해 산물 중 일정량이 상기 층을 형성하고, 낮은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 1 가스의 공급은 상기 층의 성장 레이트(growth rate)를 결정하고, 높은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 2 가스는 과도하게 공급되며 특히 추가적인 에너지 공급에 의해 사전처리되고(preconditioned), 상기 제 1 반응 가스는 상기 기판 홀더의 반대에 위치하는 가스 인입 부재의 표면 상에 분산되어 위치한 다수의 개구를 통해서 상기 기판 홀더의 방향으로 흐른다.
또한, 본 발명은 특히 상기 프로세스를 수행하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 반응기 내에 배치되며 적어도 하나의 기판에 대한 기판 홀더를 구비한 프로세스 챔버, 상기 기판 홀더에 프로세스 온도로 열을 가하는 가열 장치, 상기 기판 홀더의 반대에 위치하여 상기 프로세스 챔버 내부로 제 1 반응 가스를 도입하고 상기 제 1 반응 가스를 방출하는 다수의 개구를 갖는 가스 인입 부재로서, 상기 다수의 개구가 상기 기판 홀더의 반대에 위치하는 상기 가스 인입 부재의 표면 상에 분산되어 위치하는 상기 가스 인입 부재 및 상기 프로세스 챔버 내부로 도입될 제 2 반응 가스를 사전처리하는 장치를 포함한다.
CVD 시스템 및 특히 MOCVD 시스템은 발광 다이오드, 특히 녹색, 청색 및 백색 발광 다이오드를 생성하는데 사용된다. 합성 질화물이 반도체 표면상에 증착되어 백색 발광 다이오드를 증착한다. 이 과정에서 도입되는 생성 프로세스에서, 제 1 반응 가스 및 제 2 반응 가스가 가령 TMG 또는 NH3 의 형태로 프로세스 챔버 내부로 도입되고, 이 프로세스 챔버에서 반응 가스는 분해되거나 상호 반응하며, 이러한 반응 또는 분해 산물이 기판의 표면에 증착되어 층 또는 층들을 형성한다. 여기에서 사용된 프로세스는 비용이 많이 드는데, 그 이유는 특히 질소 수소화물에 대해 재료에 드는 비용이 가령 TMG와 같은 금속 아킬에 대해 재료에 드는 비용보다 매우 높기 때문이다. NH3, PH3 및 AsH3가 금속 아킬보다 실질적으로 높은 농도로 프로세스 챔버 내부로 도입되어야 한다. 이러한 수소화물들이 금속 아킬보다 상대적으로 저렴하지만, 그 소모량이 많기 때문에 비용은 실질적으로 동일하다. 그 소모 량이 많이 이유는 금속 아킬의 열적 활성화 에너지보다 수소화물의 열적 활성화 에너지가 높기 때문이다.
반응 가스의 분해를 촉진시키기 위해서, US 4,539,068은 가스 인입 부재와 기판 홀더 간에 플라즈마가 여기되는 것을 제안하고 있다.
US 3,757,733은 이러한 목적을 위해서 프로세스 챔버 내에 플라즈마 도입을 제안한다.
US 6,289,842 B1은 반응 가스가 쇼어헤드(showerhead)를 통해서 프로세스 챔버 내부로 도입되는, MOCVD 시스템에 의한 반도체 층 증착을 설명하고 있다.
또한, 반응 가스의 플라즈마 사전 처리는 JP 08-167596에도 알려져 있다.
WO 01/46498은 수소화물과 별도로 아킬을 도입하는 것을 제안한다.
상술된 상황을 기초로 하여 작업하고 알려진 프로세스를 사용하여 발광 다이오드를 생성하는 방법은 그 비용 때문에 널리 사용되고 있지 않다. 그러나, 본 발명의 목적은 루멘/비용 비율이 매우 개선될 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이다.
발생한 생산 비용에 대한 광 수율은 본 발명에 따라서 제 1 반응 가스와는 별도로 프로세스 챔버 내부로 도입되는 제 2 반응 가스만이 프로세스 챔버 내부로 도입되기 이전에 사전처리된다는 점에서 개선된다. 분해 산물은 챔버의 기판 홀더의 에지 위치에 들어가며 기판 홀더 바로 위로 들어가고 확산 경계층 내부에서는 기판 홀더 표면에 평행하게 확산된다. 이러한 프로세스를 수행하는 본 발명에 따른 장치는 사전처리 장치가 사전 처리을 위해서 기판 홀더의 에지에 위치한다는 특징을 가지고 있다. 기판 홀더는 바람직하게는 링 형상이며, 이 링은 그의 중심을 축으로 자전한다. 이어서, 사전 처리 장치는 (링 내부 에지의) 링의 중심에 위치한다. 그러나, 프로세스 챔버가 선형 또는 깔때기 형태로 존재할 수 있다. 이 경우에, 기판 홀더는 직사각형 또는 사다리꼴 형태일 수 있다. 다음으로, 사전처리 장치가 서셉터(susceptor)의 상류 부분에 위치하게 된다. 바람직하게는 트리메틸갈륨인 제 1 반응 가스(금속 아킬)가 다수의 개구를 통해서 프로세스 챔버 내부로 도입된다. 이 경우에, 개구는 기판 홀더의 바로 반대에 위치하는 벽에 위치한다. 가스가 내부로 흐르는 방향은 기판 홀더의 표면에 수직으로 연장된다. 가스가 외부로 나가는 방향은 가스가 내부로 흐르는 방향을 수직으로 연장되는데, 즉 기판 표면 및 상기 벽에 평형하게 흐른다. 이 벽은 쇼어헤드 형태로 가스 인입 부재를 형성한다. 가령 수소 또는 질소와 같은 캐리어 가스(carrier gas)가 프로세스 챔버 내부로 들어가게 하는 다른 개구들이 프로세스 챔버의 상부에 위치하고 기판 홀더의 표면에 평행하게 배향된, 가스가 나가는 방향을 기반으로 하여 가스 인입 부재의 상류 부분 및/또는 하류 부분에 위치한다. 이러한 캐리어 가스의 흐름은 가스 인입 부재 내의 개구를 통해서 내부로 흐르는 반응 가스의 흐름과 일치되어 기판 홀더 위에서 가능한 한 평탄한 확산/흐름 경계층을 형성하게 된다. 이 경우에, 확산/흐름 경계층은 프로세스 챔버의 하부 절반 내에서 가능한 한 멀리 존재하게 된다. 이 사전처리된 제 2 반응 가스는 이 확산/흐름 경계층 내부의 라디칼(radical)의 형태로 프로세스 챔버 내부로 주입된다. 이 라디칼을 생성하기 위해서, 사전처리 장치는 바람직하게는 플라즈마 생성기 또는 고온 배선 장치(hot wire apparatus) 또는 촉매 장치 또는 이들의 조합을 구비한다. 이는 제 2 반응 가스가 분해될 수 있는 정도의 높은 온도로 제 2 반응 가스를 가열하는 데 사용된다.
제 1 반응 가스에 대한 가스 인입 부재 내의 개구들은 이 개구들로부터 나오는 가스 분사가 개별 가스 분사로서 기판 홀더를 때리지는 않지만 제 2 반응 가스에 압력을 가하여 이 가스 분사의 방향에 대해 수직으로 기판 홀더에 대해 평탄하게 들어가도록 서로 밀접하게 위치한다. 이로써, 제 2 반응 가스에 있어서 들어가는 물질의 양이 크게 감소될 수 있다. 낮은 열적 활성화 에너지를 갖는 제 1 반응 가스의 농도 프로파일은 기판 홀더의 전체 길이에 걸쳐서 실질적으로 평탄하고 일정한데 반해, 라디칼의 농도 프로파일은 주요 가스 흐름 방향을 따라서 감소하게 된다. 그러나, 이러한 상황에서는 라디칼의 농도가 기판 바로 위에서 제 1 반응 가스의 농도보다 언제나 커야 한다. 이러한 설정 상황의 경우에, 제 2 반응 가스의 분해 산물은 언제나 과잉되게 존재한다. 성장 레이트는 제 1 반응 가스의 공급에 의해 결정된다. 분해된 제 2 반응 가스의 공급이 과도하다는 것은 증착된 층이 낮 은 개수의 EPD 결함을 갖는다는 것을 의미한다. 결함의 농도는 바람직하게는 1011 cm-2 이하이다. 이러한 결함을 포함하려는 경향이 감소하기 때문에, 종래 기술의 성장 레이트보다 높은 성장 레이트, 특히 5㎛/h보다 높은 성장 레이트를 달성할 수 있다. 본 발명에 따라서, 제 2 반응 가스는 수소화물일 수 있다. 특히, 아르신, 포스핀, 암모니아 또는 UDMH가 적합하다. 이들 가스는 사전처리 장치 내의 열적 및/또는 촉매 수단에 의해서 라디칼로 거의 완벽하게 분해될 수 있다. 그러므로, 사전처리 장치 내부로 도입되는 제 2 반응 가스의 질량 흐름은 가스 인입 부재 내부로 도입되는 제 1 반응 가스의 질량 흐름보다 오직 근소하게 클 필요가 있다. 가령 TMG와 같은 제 1 반응 가스의 질량 흐름은 통상적으로 몇 sccm으로서 가령 3 sccm이다. 사전처리 장치 내부도 도입되는 수산화물 가스의 질량 흐름은 상기 레벨보다 대략적으로 3 배만큼 크다. 또한, 상당하게 큰 질량 흐름을 갖는 캐리어 가스가 가스 인입 부재로 내부로 도입될 수도 있다. 이를 위해서 사용되는 질소 또는 수소의 질량 흐름은 대략 30 slm에 달할 수 있다. 사전처리 장치 내부의 제 2 반응 가스의 실질적으로 완벽한 분해로 인해서, 기판 표면 바로 위의 가스 상태로 존재하는 제 2 반응 가스의 분해 산물의 공급 정도는 TMG 이외에 TMI 또는 다른 금속 알킬일 수 있는 분해된 또는 분해되지 않은 제 1 반응 가스의 공급 정도보다 크다. 이 프로세스 온도는 광범위하게 변할 수 있다. 이 범위는 400℃ 내지 1600℃ 간에 존재할 수 있다. 프로세스 챔버 내부의 온도 프로파일에 대해서 열적으로 사전처리된 제 2 반응 가스에 의한 악영향은 상대적으로 낮은 질량 흐름 및 열 용량으로 인해서 무시 할 수 있다. 사전처리된 수산화물의 확산이 CCS 쇼어헤드로부터 나오는 알킬 가스 흐름에 대해서 수직으로 향하는 것이 중요하다. 알킬 가스와 함께 쇼어헤드로부터 나오는 캐리어 가스는 사전처리된 수산화물의 흐름을 결정 성장 표면에 대해 유체역학적으로 압축한다. 가스 인입 부재를 통해서 캐리어 가스가 내부로 공급되기 때문에 발생하는 높은 양의 캐리어 가스 흐름 물질로 인해서 가스 인입 부재의 표면의 위치에서는 높은 희석 농도를 갖는 수산화물이 생성되어 가스 인입 부재 상의 기생 증착 물질의 형성에 대한 반응 평형도는 1 보다 매우 작게 된다. 이로써, 프로세스 챔버를 세정할 수 있는 기간이 종래 기술에서 요구되는 기간보다 길어지게 된다. 본 발명에 따른 실시형태를 고려하면, 수산화물의 질량 흐름은 종래 기술보다 100 배 정도 감소된다. 이와 동시에, 이는 증착된 물질 내의 결함 밀도를 감소시키며 이로써 이러한 방식으로 생성되며 UV에서 방사하는 발광 다이오드(GaN)는 보다 높은 전류로 동작하게 되는데, 즉 보다 높은 광 수율을 얻게 된다.
본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 깔때기 형상 프로세스 챔버를 갖는 터널 반응기의 도면,
도 2는 기판 홀더 상에서의 도 1에 따른 반응기의 도면,
도 3은 라디칼 구역 내의 다른 링 반응기의 도면,
도 4는 다른 링 반응기의 단면도,
도 5는 기판 표면 바로 위의 라디칼의 주요 질량 흐름의 방향으로의 농도를 도시한 그래프,
도 6은 다른 반응기를 도 2의 도시 방식과 동일하게 도시한 도면,
도 7은 도 3에 따른 반응기와 다른 형태를 갖는 반응기의 도면,
도 8은 다른 반응기의 도면,
도 9는 다른 반응기를 매우 개략적으로 도시한 도면.
도 1에 도시된 반응기(1)는 하우징(미도시)을 구비한다. 기판 홀더(4)를 프로세스 온도로 가열하는데 사용되는 가열 장치(13)가 반응기(1)의 하우징 내부에 존재한다. 층이 그 상에 증착될 기판은 기판 홀더(4) 상에 위치한다. 또한, 기판 홀더(4) 상에는 다수의 기판(5)이 존재할 수 있다.
프로세스 챔버(2)는 기판 홀더(4) 위에 위치한다. 이 프로세스 챔버(2)는 가스 인입 부재(3)에 의해서 그의 상부의 범위가 규정된다. 이 가스 인입 부재(3)는 기판 홀더(4)의 표면(20)에 대해 평행하게 연장된 가스 출구 표면(18)을 형성한다. 가스 인입 개구(6)는 가스 인입 개구(6)로부터 나오며 가스 내부 흐름 방향으로 프로세스 챔버 내부로 들어가는 가스 분사가 프로세스 챔버 높이의 중앙 아래에 위치한 영역에서 기판 홀더(4)의 방향으로 균일한 가스 흐름 필드를 형성하도록 가스 출구 표면(18) 상에서 분포되어 있다. 그러나, 가스 내부 흐름 방향(11)에 대해 수직으로 배향된 외부로 나가는 가스 흐름(16)은 흐름/확산 경계층(12) 상에서 확립된다.
다른 가스 인입 개구들이 가스 인입 개구(6)의 상류 부분에 위치한다. 또한, 가스 인입 개구(6)의 하부 흐름에 다른 가스 인입 개구(8)가 존재한다. N2 또는 H2 의 형태로 된 캐리어 가스 뿐만 아니라 TMG(트리메틸갈륨) 또는 TMI(트리메틸인듐) 형태로 된 제 1 반응 가스는 가스 인입 부재(3)의 개구들(6)을 통해서 이동가능하며, 오직 캐리어 가스 질소 또는 수소만이 이들 가스 인입 개구들(6)에 인접하는 가스 인입 개구들(7,8)을 통해서 프로세스 챔버 내부로 들어가는데, 이로써 기판 홀더(4) 위의 에지 영역에서 뿐만 아니라 표면(20)에 대해 평행한 연장부에서도 흐름/확산 경계층(12)을 조절할 수 있게 된다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 기판 홀더(4)는 위에서 볼 때 직사각형 표면을 갖는다. 이 경우에, 프로세스 챔버는 가스가 외부로 나가는 방향으로 폭이 넓어진다. 프로세스 챔버는 가스가 외부로 흐르는 방향(16)에서 전체 기판 홀더 상에서 일정하게 유지되는 단면을 갖는다.
도 3에 도시된 반응기는 상술된 특징을 갖는다. 도 1 및 도 2에 도시된 반응기의 기판 홀더(4)는 사다리꼴 형태로 되어 있으며, 도 3에 도시된 반응기의 기판 홀더(4)는 링형이다. 다수의 기판(5)이 링형 기판 홀더(4) 상에 위치한다. 기판 홀더(4)는 자전하도록 되어 있다. 기판 홀더(4) 상에 존재하는 기판도 알려진 방식으로 마찬가지로 자전하게 된다. 기판 홀더(4)의 가열은 RF 가열 또는 열적 방사에 의해서 알려진 방식으로 실행된다.
캐리어 가스와 함께 오직 알킬이 쇼어헤드 형태로 구성된 가스 인입 챔버(3)를 통해서 프로세스 챔버(2) 내부로 흐르는 것이 중요하다. NH3, PH3 또는 AsH3와 같은 수산화물이 수산화물 피드라인(15)을 통해서 사전처리 장치(9) 내부로 흐른다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 사전처리 장치(9)는 주요 흐름 방향(16)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기판 홀더의 에지(19)의 상류 부분에 위치한다. 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 그의 반절만이 도면에서 도시된 사전처리 장치(9)는 링형 기판 홀더(4) 내부의 환형 내부 공간의 중심에 위치한다. 이 경우에, 수산화물의 공급(15)은 아래로부터 이루어질 수 있다.
도 7에 도시된 예시적인 실시예에서, 기판 홀더(4)는 마찬가지로 링 형태로 구성된다.
이 경우에도 역시, 사전처리 장치(9)에 의해 생성된 라디칼의 주입은 기판 홀더의 에지(19)로부터 수행된다. 도 3에 도시된 예시적인 실시예와는 달리, 주입은 외부 에지로부터 발생하며 이로써 기판 표면에 대한 압축성 확산이 수행된다. 이는 공핍 프로파일을 보상한다.
사전처리 장치(9)는 오직 기호로만 개략적으로 도시되어 있다. 사전처리 장치(9)는 플라즈마 생성기일 수 있다. 그러나, 사전처리 장치(9)가 수산화물의 열적 분해를 위한 장치일 수도 있다. 이는 고온 배선 장치일 수 있다. 수산화물은 이 장치에 의해서 라디칼로 분해되는데, 이 고온 배선 장치는 고온으로 가열될 수 있는 배선을 갖는다. 수산화물이 라디칼로 분해되는 것은 바람직하게는 실질적으로 완벽하다.
예시적인 실시예에서 사전처리 장치(9) 내의 암모니아로부터 생성된 질소 라디칼 N+ 이 출구 통로(10)를 통해서 프로세스 챔버(2) 내부로 들어간다. 이 출구 통로(10)는 주입 개구를 형성하고 기판 홀더(4)의 표면(20) 바로 위에서 프로세스 챔버 외부로 개방되어 있으며 구체적으로는 챔버 내부의 확산 경계층 내부로 개방되어 있다. 이 경우에 출구 통로(10)는 기판 홀더(19)의 에지에서 개방된다. 이로써, 기판 표면(20)에 대해서 평행하게 연장되며 가스 분사(11)의 흐름 방향(내부 흐름 방향)에 대해 수직으로 배향된 N+ 스트림이 형성된다. 이 가스 분사(11)는 질소 라디칼의 확산 스트림을 기판(5)의 표면 상으로 압축한다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 사전처리 장치(9)를 수용하는 장치는 실질적으로 실린더 형태로 되어 있는데, 이 실린더는 피복된 속이 빈 몸체이다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 출구 통로(10)는 깔때기의 형태로 구성된다.
도 4에 도시된 다른 반응기(1)는 도 1 내지 도 3에 도시된 예시적인 실시예의 프로세스 챔버보다 매우 높은 프로세스 챔버(2)를 갖는다. 이를 보상하기 위해서, 마찬가지로 링형인 기판 홀더(4)가 보다 높은 회전 속도로 자전한다. 이로써, 흐름/확산 경계층(12)이 기판 표면(5) 상에서 평탄하게 구성된다. 이로써, 사전처리 장치(9)를 수신하는 장치는 커버를 가질 필요가 없게 된다. 그러나, 이러한 경우에도, 프로세스 파라미터에 따라서, 커버가 있는 것이 유리할 수 있다. 상부 방향으로 향하는 출구 통로(10)로부터 나오는 라디칼은 가스 분사 방향(11)에 대해 수직인 방향 및 기판 홀더의 표면(20)에 대해 평행한 방향으로 출구 통로(10) 바로 위의 흐름에 의해서 전환된다.
도 5는 기판 표면 상에서 가스 상태로 존재하는 갈륨의 농도에 대한 출구 통로(10)로부터 나오는 질소 라디칼 N+ 의 농도 프로파일을 도시한다. 질소 라디칼은 과잉 상태로 존재하는데, 이 라디칼의 농도(17)는 주요 가스 흐름 방향으로 감소하게 된다. 그러나, 비율 N+/Ga는 전체 길이(도 1 및 도 2 참조) 또는 반경(도 3 및 도 4 참조) 상에서 1 이상으로 유지된다.
400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500 내지 1600℃일 수 있는 통상적인 프로세스 온도 및 이들 간의 임의의 온도에서나 이상의 온도에서, 2 내지 10 sccm의 트리메틸갈륨의 질량 흐름이 프로세스 챔버(2) 내부로 도입될 수 있다. 라인(15)을 통해서 사전처리 장치(9) 내부로 도입되는 NH3의 질량 흐름은 오직 낮을 레벨로 존재하는데, 특히 TMG 질량 흐름보다 오직 근소하게 크며, 보다 구체적으로는 2 또는 3 배 정도이다. 대조적으로, 개구(6,7,8)를 통해 도입된 캐리어 가스(H2,N2)의 질량 흐름은 2 반응 가스 중 하나의 가스의 질량 흐름보다 1000 배 정도 크다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 반응 가스를 사용하여 구현될 수 있다. 특히, TMG 이외에 트리메틸인듐 또는 TMAL 또는 DcpMg와 같은 가스가 프로세스 챔버(2) 내부로 도입될 수 있다. 또한, 다른 알킬 물질이 도입될 수 있다. 또한, UDMH와 같은 임의의 다른 수산화물이 NH3, PH3 또는 AsH3 대신에 또는 함께 프로세스 챔버 내부로 도입될 수 있다. 이러한 수산화물은 바람직하게는 상술한 방식으로 사전처리된다.
수산화물은 농축된 형태로 또는 캐리어 가스와 함께 사전처리 장치(9) 내부로 도입될 수 있다. 사전처리된 가스의 희석을 최소화하기 위해서, 수산화물의 도입은 매우 작은 양의 캐리어 가스로 수행되어야 한다. 이 경우에, 사전처리 장치에서의 온도는 프로세스 챔버 내부의 프로세스 온도보다 높거나 낮을 수 있다.
도시되지 않은 본 발명의 변형 실시예에서, 기판 홀더는 그 자체로 회전하게 되어 있다. 이 경우에, 이 홀더들은 자전되는 가스 큐션 상에 놓인다. 유성형 방식으로 배치되는 기판 홀더가 자전할 수 있도록 기판 홀더(4) 내에 배치된 개별 기판 캐리어 상에 위치하는 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 예시적인 실시예에서, 2 개의 상이한 알킬 물질이 프로세스 챔버 내부로 도입된다. 이 경우에, 이 두 알킬 각각은 가스 인입 부재(3)의 개별 챔버(21,22) 내부로 도입된다. 각 챔버(21,22)에는 프로세스 챔버 내부로 개방되어 있는 개별 가스 인입 개구들(6',6'')이 제공된다. 이는 개별 금속 알킬들 간의 조기 반응을 방지한다. 이러한 타입의 챔버에 대한 세부 설명은 US 5,871,586을 참조하면 된다.
도 9에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 알킬은 특정한 사전처리 장치(23)에서 사전처리된다. 이 경우에도 역시, 수산화물이 이 사전처리 장치(9)에서 사전처리된다. 이 경우에, 수산화물(15)의 공급은 위로부터 수행된다. 사전처리 장치(9)는 대략적으로 프로세스 챔버의 높이 방향으로 위치한다. 그러나, 이 경우에도 역시, 라디칼의 주입은 기판 홀더(4)의 에지에 바로 배치된 출구 통로(10)를 통해서 실행된다. 이러한 라디칼의 주입은 확산 경계층 내부로 바로 들어간다.
알킬에 대한 다른 사전처리 장치(23)가 프로세스 챔버의 바로 상부 영역의 쇼어헤드의 영역에 위치한다. 이 사전처리된 반응 가스는 캐리어 가스와 함께 상술한 바와 같이 가스 인입 개구(6)를 통해서 프로세스 챔버로 들어간다. 사전처리 장치(23)는 냉각 장치일 수 있다. 냉각은 가령 가스 스트림 또는 열 방출에 의해서 또는 냉각 액체에 의해서 실행될 수 있다. 이 경우에 열은 조절가능한 가스 갭에 의해서 방출될 수 있다.
개시된 모든 특징들은 본 발명과 본질적으로 본 발명과 관련된다. 관련/첨부된 우선권 서류(기존 출원의 사본)의 개시 내용이 본 출원의 청구 범위에서의 이 서류의 특징을 포함한다는 측면에서 본 명세서에서 그의 출원의 전체 내용이 인용되었다.

Claims (26)

  1. 특히 반도체 층과 같은 적어도 하나의 층을 반응기(1)의 프로세스 챔버(2) 내의 기판 홀더(4)에 의해 운반되는 적어도 하나의 기판(5)상에 증착하는 방법에 있어서,
    상기 층은 고정된 화학량론적 비율로 존재하며 제 1 반응 가스 및 제 2 반응 가스 형태로 상기 반응기(1) 내부로 각기 도입되는 적어도 2 개의 물질 성분으로 구성되고,
    상기 반응 가스들은 에너지를 공급함으로써 화학적으로 분해되며, 이 분해 산물 중 일정량이 상기 층을 형성하고,
    낮은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 1 반응 가스의 공급은 상기 층의 성장 레이트(growth rate)를 결정하고,
    높은 열적 활성화 에너지를 갖는 상기 제 2 반응 가스는 과도하게 공급되며 특히 독립적인 에너지 공급에 의해 사전처리되고(preconditioned),
    상기 제 1 반응 가스는 상기 기판 홀더(4)의 반대에 위치하는 가스 인입 부재(3)의 표면(18)상에 분산되어 위치한 다수의 개구(6)를 통해서 상기 기판 홀더(4)의 방향(11)으로 흐르며,
    상기 제 2 반응 가스가 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 도입되기 이전에 사전처리되어 상기 기판 홀더(4)의 바로 위에서 상기 기판 홀더(4)의 에지에서 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 들어가서 상기 기판 홀더의 표면(20)에 대해 평행하게 흐른 다는 특징을 갖는,
    반도체 층 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스는 NH3, PH3 또는 AsH3와 같은 수산화물인,
    반도체 층 증착 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스는 열적으로 또는 촉매적으로 사전처리되는,
    반도체 층 증착 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스는 플라즈마에 의해 사전처리되는,
    반도체 층 증착 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전처리에 의해서 형성된 상기 제 2 반응 가스의 라디칼(radical)의 상기 프로세스 챔버 내부로의 질량 흐름은 상기 프로세스 챔버(2) 내부로의 상기 제 1 반응 가스의 질량 흐름보다 오직 근소하게 큰,
    반도체 층 증착 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 표면 바로 위의 상기 제 1 반응 가스에 대한 상기 사전처리로 인해서 형성된 라디칼의 비율은 프로세스 챔버(2)의 전체 길이 또는 상기 프로세스 챔버(2) 내의 전체 반경에 걸쳐서 1 보다 큰,
    반도체 층 증착 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    5㎛/h 이상의 증착될 층의 성장 레이트가 높은 층 품질과 함께 달성될 수 있도록, 상기 수산화물의 분해 산물을 높게 공급하는,
    반도체 층 증착 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1011cm-2 이하 또는 109cm-2 이하 또는 108cm-2 이하의 EPD(에칭 피트 밀도:etch pit density)가 달성되는,
    반도체 층 증착 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스의 온도는 400 내지 1600℃이며, 바람직하게는 500 내지 1200℃인,
    반도체 층 증착 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전처리된 제 2 반응 가스는 흐름/확산 경계층(12) 내부의 프로세스 챔버 내부로 확산되는,
    반도체 층 증착 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흐름/확산 경계층은 상기 프로세스의 높이의 중앙 지점 아래에 위치하는,
    반도체 층 증착 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흐름/확산 경계층(12)은 주요 흐름 방향(11)에서 볼 때에 상기 가스 인입 부재(3)의 개구(6)의 상류 부분 또는 하류 부분에 배치된 개구들(7,8)을 통해 흐르는 캐리어 가스에 의해 조절되는,
    반도체 층 증착 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반응 가스는 TMG, TMI, TEG, TMAL, DcpMg, DEzn 또는 다른 금속 아킬인,
    반도체 층 증착 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반응 가스와 함께 상기 가스 인입 부재(3)를 통해서 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 도입되는 캐리어 가스의 흐름은 상기 사전처리된 제 2 반응 가스의 흐름이 상기 기판 표면(20)에 대해 평탄하게 압력을 받도록 설정되는,
    반도체 층 증착 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스를 수행하는 장치에 있어서,
    반응기(1) 내에 배치되며 적어도 하나의 기판(5)에 대한 기판 홀더(4)를 구비한 프로세스 챔버(2),
    상기 기판 홀더(4)에 프로세스 온도로 열을 가하는 가열 장치(13),
    상기 기판 홀더(4)의 반대에 위치하여 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 제 1 반응 가스를 도입하고, 상기 제 1 반응 가스를 방출하는 다수의 개구(6)를 갖는 가스 인입 부재로서, 상기 다수의 개구(6)가 상기 기판 홀더(4)의 반대에 위치하는 상기 가스 인입 부재의 표면상에 분산되어 위치하는, 상기 가스 인입 부재(3), 및
    상기 프로세스 챔버(2) 내부로 도입될 상기 제 2 반응 가스를 사전처리하는 장치(9)를 포함하며,
    상기 사전처리 장치(9)는, 상기 제 2 반응 가스가 상기 기판 홀더(4) 바로 위의 상기 기판 홀더 표면(20)에 대해 평행하게 흐르고 상기 제 1 반응 가스가 내부로 흐르는 방향(11)에 대해서는 수직으로 흐르도록, 상기 기판 홀더의 에지(19)에 위치하는,
    반도체 층 증착 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 링 형상이며,
    상기 사전처리 장치(9)는 상기 링 내의 공간에 위치하는,
    반도체 층 증착 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 기판 홀더(4)는 사다리꼴 형태이며,
    상기 사전처리 장치(9)는 상기 사다리꼴의 좁은 측면의 하류 부분에 위치하는,
    반도체 층 증착 장치.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 홀더(4) 위의 프로세스 챔버의 단면적은 상기 가스가 외부로 흐르는 방향에서 일정한,
    반도체 층 증착 장치.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 인입 부재는 쇼어헤드(showerhead) 형태이며, 특히 폐쇄된 캡형 쇼어헤드(a closed capped showerhead)이며, 특히 10 mm 내지 75 mm 간의 프로세스 챔버 높이를 갖는,
    반도체 층 증착 장치.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개구(7,8)가 주요 가스 흐름 방향(11)에서 상기 가스 인입 부재(3)의 개구(6)의 상류 부분 및 하류 부분에서 상기 개구(6)에 인접하여 존재하며,
    상기 상류 부분 개구 및 하류 부분 개구(7,8)를 통해서, 캐리어 가스가 가스 주요 흐름 방향(16)에 대해 수직인 방향으로 상기 프로세스 챔버(2) 내부로 도입되어, 확산/흐름 경계층을 조절하는,
    반도체 층 증착 장치.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전처리 장치(9)는 플라즈마 생성기를 포함하는,
    반도체 층 증착 장치.
  22. 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전처리 장치(9)는 가열기, 특히 고온 배선 장치를 갖는,
    반도체 층 증착 장치.
  23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버 높이는 75mm 이상이며,
    자전하는 상기 기판 홀더(4)의 회전 속도는 100 내지 1000 rpm인,
    반도체 층 증착 장치.
  24. 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라디칼의 주입은 링형 기판 홀더(4)의 외부 에지에서 수행되는,
    반도체 층 증착 장치.
  25. 제 15 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 아킬은 두 개의 챔버(21,22)를 포함하는 가스 인입 부재(3)를 통 해서 개별 가스 인입 개구(6',6")를 통해서 공급되는,
    반도체 층 증착 장치.
  26. 제 15 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 아킬을 위해서 상기 가스 인입 부재(3)와 관련된 사전처리 장치(23)를 더 포함하는,
    반도체 층 증착 장치.
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