KR20060133550A - 기상성장장치 및 에피택셜 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

기상성장장치 및 에피택셜 웨이퍼의 제조방법 Download PDF

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토루 야마다
신이치로 야기
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신에츠 한도타이 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 기상성장장치(1)는 매엽식으로 구성되어 있다. 원료가스(G)는 가스도입구(21)에서 반응용기(2) 내부로 안내된다. 서셉터(12)의 주위에는 둑형상 부재(23)가 배치되어 있고, 가스도입구(21)에서 유입되는 원료가스(G)는 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)에 부딪혀 상면(23a) 측에 올라간 후, 서셉터(12) 상에 탑재된 실리콘단결정기판(W)의 주표면을 따라 흐르는 구조이다. 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에는 원료가스(G)의 폭방향(WL)의 흐름을 나누는 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)이 배치되어 있다. 따라서, 실리콘단결정기판 상에 흐르는 원료가스의 유통경로를 제어할 수 있는 기상성장장치와, 이것을 이용한 에피택셜 웨이퍼의 제조방법을 제공한다.
기상성장장치, 에피택셜 웨이퍼

Description

기상성장장치 및 에피택셜 웨이퍼의 제조방법{Vapor growth device and production method for epitaxial wafer}
본 발명은 실리콘단결정기판의 주표면에 실리콘단결정박막을 기상성장시키기 위한 기상성장장치와, 이것을 사용하여 실현되는 에피택셜 웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.
실리콘단결정기판(이하, 단지 「기판」으로 약칭한다)의 주표면에 기상성장법으로 실리콘단결정박막(이하, 단지 「박막」으로 약칭한다)을 형성한 실리콘에피택셜 웨이퍼는 바이폴러 IC나 MOS-IC 등의 전자디바이스에 광범위하게 사용되고 있다. 그리고, 전자디바이스의 미세화 등에 따라, 소자를 만들어 넣는 에피택셜 웨이퍼 주표면의 플랫니스에 대한 요구가 점점 가중되고 있다. 플랫니스에 영향을 미치는 인자로서는 기판의 평탄도와 박막의 막두께분포가 있다. 그런데, 근래, 직경이 200mm에서 그 이상인 에피택셜 웨이퍼의 제조방법에 있어서는,
여러 장의 웨이퍼를 배치처리하는 방법을 대신하여, 매엽식기상성장장치가 주류가 되고 있다. 이것은 반응용기 내에 1장의 기판을 수평으로 회전을 유지하고, 반응용기의 일단에서 타단으로 원료가스를 대략 수평이면서 일방향으로 공급하여 박막을 기상성장시키는 것이다.
상기와 같은 매엽식기상성장장치에 있어서, 형성되는 박막의 막두께 균일화를 도모하기 위한 중요한 인자로서 반응용기 내에 있어서 원료가스의 유량 또는 유통경로가 있다. 매엽식기상성장장치에 있어서는 통상, 가스공급관을 개재하여 반응용기의 일단부에 형성된 가스도입구에서 원료가스가 공급되고, 기판표면을 따라 원료가스가 흐른 후, 용기의 타단측의 배출구에서 배출되는 구조로 되어 있다. 이러한 구조의 기상성장장치에 있어서, 유량의 불규칙함을 줄이기 위해, 가스도입구의 하류측에 다수의 홀을 형성시킨 분산판을 장착하거나, 폭방향의 가스흐름을 분리하는 칸막이판을 설치한 장치가 제안되어 있다.
또한, 특개 평7-193015호 공보에는, 가스도입구에서 유입되는 원료가스를 기판을 지지하는 서셉터 주위에 배치된 둑형상 부재의 외주면을 향하여 흘러, 둑형상 부재를 넘을 수 있는 형상으로, 기판의 표면에 원료가스를 공급하는 장치의 구성이 개시되어 있다. 이 방법의 주지는 원료가스의 흐름을 둑형상 부재의 외주면에 부딪히는 것으로 원료가스를 분산시키고, 유량의 불규칙함을 해소할려는 것이다. 또, 상기와 같은 기상성장장치에 있어서, 원료가스가 보다 원활하게 서셉터를 향하여 흐르도록, 둑형상 부재를 개량한 것도 제안되어 있다(특개 2002-231641호 공보). 또한, 상기 기상성장장치에 있어서는, 굳이 서셉터의 좌우로 원료가스의 흐름을 다르게 하는 개량을 부가한 것도 제안되어 있다(특개 2002-198316호 공보).
그런데, 실리콘단결정기판 상에 실리콘단결정박막을 기상에피택셜성장시킬 때의 대표적인 문제로서, 패턴변형이 있다. 상기 패턴변형에 영향을 끼치는 요인으로서는 몇가지 있는 데, 일반적으로는 반응용기 내의 압력을 내려, 기판표면에 생 성된 HCl가스의 확산계수를 크게 하고, HCl가스에 의한 에칭작용을 저하시키면, 패턴변형량을 감소시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 이런 이유 때문에, 패턴이 형성된 실리콘단결정기판 상으로의 기상에피택셜성장에는 감압조건이 상응하게 된다.
그러나, 상기 특개 평7-193015호 공보에 기재된 것과 같은 장치를 사용하여, 감압하에서 에피택셜성장을 실행하면, 소기의 박막분포를 형성하는 것이 곤란할 경우가 있다.
본 발명의 과제는 양호한 박막분포를 확보하기 위해, 실리콘단결정기판 상으로 흐르는 원료가스의 유통경로를 제어할 수 있는 기상성장장치와, 이것을 이용한 에피택셜 웨이퍼의 제조방법을 제공하는 것이다.
특허문헌 1; 특개 평7-193015호 공보
특허문헌 2; 특개 2002-231641호 공보
특허문헌 3; 특개 2002-198316호 공보
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 실리콘단결정기판의 주표면 상에 실리콘단결정박막을 기상성장시키는 기상성장장치로서, 수평방향으로 제1단부측에 가스도입구가 형성되고, 동일하게 제2단부측에 가스배출구가 형성된 반응용기를 가지고, 실리콘단결정박막 형성을 위한 원료가스가 가스도입구에서 반응용기 내부로 도입되어, 상기 반응용기의 내부공간에서 대략 수평으로 회전유지되는 실리콘단결정기판의 주표면을 따라 원료가스가 흐른 후, 가스배출구에서 배출되도록 구성되고, 내부공간 내에서 회전구동되는 원반형상의 서셉터 상에 실리콘단결정기판이 배치되는 한편, 서셉터를 둘러싸는 것과 동시에, 상면이 상기 서셉터의 상면과 대략 일치하는 위치관계로서 둑형상 부재가 배치된다. 또한, 가스도입구는 둑형상 부재의 외주면에 대향하는 형상으로 개구하여, 상기 가스도입구로 유입되는 원료가스가 둑형상 부재의 외주면을 부딪혀 상면측으로 넘은 후, 서셉터 상의 실리콘단결정기판의 주표면을 따라 흐르도록 구성된 기상성장장치에 있어서, 반응용기의 제1단부에서 서셉터의 회전축선과 직교하여 제2단부에 이르는 원료가스의 흐름 방향을 따르는 가상적인 중심선을 수평기준선으로 하고, 서셉터의 회전축선과, 수평기준선의 쌍방으로 직교하는 방향을 폭방향으로 한 경우, 원료가스의 폭방향의 흐름을 분리하는 유도부를 , 둑형상 부재의 상면 상에 장착한 것을 주요한 특징으로 한다.
상기 본 발명의 기상성장장치에는 둑형상 부재의 상면에 원료가스의 유도부가 장착된다. 따라서, 둑형상 부재의 상면에 올라간 원료가스는 상기 유도부에 의해 폭방향의 흐름이 크게 제한된다. 이렇게 서셉터를 향하는 원료가스의 폭방향 흐름을 둑형상 부재의 상면 상에서 분리하는 것에 의해, 둑형상 부재의 바로 하류측에 탑재되는 기판 상으로 흐르는 원료가스의 폭방향 유통경로를 제어할 수 있으므로, 보다 균일한 막두께분포의 실리콘단결정박막을 형성하는 것이 가능하게 된다.
바람직한 형태로서, 상기 유도부는 원료가스가 수평기준선에 접근하는 것을 방해하도록 구성된다. 둑형상 부재는 원반형상의 서셉터를 둘러싸도록 원통형상으로 형성되어 있기 때문에, 상기 둑형상 부재의 외주면을 통해 상면으로 넘은 원료가스는 기판의 중심방향, 즉 수평기준선에 접근하면서 흐르는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 유도부에 의해, 원료가스가 수평기준선에 근접하여 흐르는 것을 저지 또는 제어하면, 원료가스의 유통경로 개선을 도모할 수 있다.
보다 구체적으로, 유도부는 원료가스의 흐름을 수평기준선에서 가까운 쪽과 먼쪽으로 나누는 유도판으로 구성할 수 있다. 이러한 유도판의 배치형태(배치위치, 배치방향, 배치수, 유도판의 두께 등)의 조정에 의해, 비교적 간단하게, 원료가스의 흐름방향을 제어하는 효과가 가장 높게 되도록 최적화를 실시한다.
또한, 유도판은 상기 유도판의 판면이 서셉터의 회전축선 및 수평기준선과 평행하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 원료가스의 흐름방향에 무리하게 역행하지 않도록 유도판을 배치하면, 가스흐름에 혼란이 생기기 어려우므로, 둑형상 부재의 상면으로 넘어간 원료가스의 유통경로를 균일화하기 쉽다.
또한, 가스도입구로부터의 원료가스를 둑형상 부재의 외주면을 향하여 안내하는 가스안내부재가 폭방향에 있어서, 수평기준선에 관하여 좌우로 분리한 형상으로 가스도입구와 둑형상 부재의 사이에 배치되어, 가스안내부재의 내측에 형성된 가스안내공간의 각각에 원료가스의 흐름을 폭방향에서 분리하는 가스안내부재측 칸막이판이 장착되어 있고, 둑형상 부재의 외주면에는 수평기준선에 대하여 좌우대칭으로 분리한 형상으로, 원료가스의 흐름을 폭방향에 있어서의 복수개소에 분리하는 둑형상부재측 칸막이판이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 둑형상 부재보다도 상류측을 흐르는 원료가스와, 둑형상 부재를 넘어가도록 하는 원료가스에 대해서도 폭방향의 흐름을 제어할 수 있도록 되기 때문에, 둑형상 부재의 상면에 배치하는 유도판과의 상승작용을 기대할 수 있다.
구체적으로, 유도판이 폭방향에 있어서의 둑형상 부재측 칸막이판 및 가스안내부재측 칸막이판의 배치위치보다도 외측에 배치되는 형태를 예시할 수 있다. 폭방향에 있어서 외측영역을 흐르는 원료가스일수록, 흐르는 방향을 기판의 중심방향, 즉 수평기준선 근처에서 크게 변화시키면서 서셉터에 도달하는 경향이 크다. 따라서, 본 발명의 유도판을 외측영역에 형성하는 것에 의해, 효율적으로 유통경로를 균일화할 수 있다.
보다 바람직하게는, 유도판이 둑형상부재측 칸막이판 및 가스안내부재측 칸막이판과 동일면 내에 배치된 제1유도판과, 폭방향에 있어서의 제1유도판의 배치위치보다도 외측에 배치된 제2유도판을 포함하여 구성할 수 있다. 이 구성에 의하면, 보다 확실하게 원료가스의 폭방향의 흐름을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 기상성장장치에는 반응용기 내부를 대기압보다도 감압된 상태로 유지하는 배기계를 장착할 수 있다. 이 구성에 의하면, 패턴이 형성된 기판 상에 기상성장시킬 때에, 패턴변형량을 작게 할 수 있는 감압조건 하에서의 에피택셜 성장이 가능하다.
또한, 본 발명의 에피택셜 웨이퍼의 제조방법은 이상에 설명한 기상성장장치의 반응용기 내에 실리콘단결정기판을 배치하고, 상기 반응용기 내에 원료가스를 유통시켜 실리콘단결정기판 상에 실리콘단결정박막을 기상에피택셜성장시키는 것에 의해 에피택셜 웨이퍼를 얻는 것을 특징으로 한다.
또한, 기상에피택셜성장의 원료가스로서, 모노클로로실란가스, 지클로로실란가스 및 트리클로로실란가스의 그룹으로부터 선택되는 1종을 사용하고, 이상에서 설명한 기상성장장치의 반응용기 내부를 대기압보다도 감압된 상태로 유지하면서, 실리콘단결정기판 상에 실리콘단결정박막을 기상에피택셜 성장시킬 수 있다.
또한, 둑형상 부재의 상면은 서셉터의 상면과 대략 일치하는 위치관계이지만, 이것은 둑형상 부재의 상면과 서셉터의 상면이 완전하게 일치하는 것을 반드시 의미하는 바는 아니며, 위치가 2mm정도까지 틀린 것은 일치하고 있다고 간주한다.
도 1은 본 발명의 기상성장장치의 일례를 도시하는 측면단면도.
도 2는 본 발명의 기상성장장치의 요부를 확대한 단면도.
도 3은 본 발명의 기상성장장치의 평면도.
도 4는 본 발명의 기상성장장치의 요부를 일부 절개하여 도시한 분해사시도.
도 5는 유도판의 배치형태의 다른 예를 도시한 단면도.
도 6은 유도판의 다른 형태의 사시도.
도 7은 본 발명의 기상성장장치에 있어서의 원료가스의 흐름을 설명한 모식도.
도 8은 종래의 기상성장장치에 있어서의 원료가스의 흐름을 설명한 모식도.
도 9는 둑형상 부재의 상면 상에서의 원료가스의 흐름 방향을 설명하는 개념도.
도 10A는 계산기 시뮬레이션에서 얻어진 본 발명의 기상성장장치에 있어서의 원료가스의 유통경로 분포도.
도 10B는 계산기 시뮬레이션에서 얻어진 종래의 기상성장장치에 있어서의 원료가스의 유통경로 분포도.
도 11A는 계산기 시뮬레이션에서 얻어진 본 발명의 기상성장장치에 대한 성장속도분포를 도시하는 등고선도.
도 11B는 계산기 시뮬레이션에서 얻어진 종래의 기상성장장치에 대한 성장속도 분포를 도시하는 등고선도.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최적의 형태를 첨부된 도면을 기초로하여 설명한다.
도 1∼도 4는 실리콘단결정기판의 주표면에 실리콘단결정박막을 기상성장시킨, 본 발명의 기상성장장치(1)의 일례를 모식적으로 도시한 것이다. 도 1은 그 측면단면도, 도 2는 도 1의 원료가스 도입부 부근의 확대도, 도 3은 도 1의 기상성장장치(1)의 평면도, 도 4는 도 1의 기상성장장치(1)의 요부를 일부 절개하여 도시한 분해사시도이다. 이 기상성장장치(1)는 도 1에 도시한 것처럼, 수평방향으로 제1단부(31) 측에 가스도입구(21)가 형성되고, 동일하게 제2단부(32) 측에 가스배출구(36)가 형성된 반응용기(2)를 가진다. 박막형성을 위한 원료가스(G)는 가스도입구(21)에서 반응용기(2) 내부로 도입되어, 상기 반응용기(2)의 내부공간(5)에서 대략 수평으로 회전유지되는 기판(W)의 주표면을 따르는 방향으로 흐른 후, 가스배출구(36)에서 배기관(7)을 거쳐 배출되도록 구성된다. 배기관(7)은 감압펌프(RP)(도 3)와 함께 기상성장장치(1)의 배기계를 구성한다.
도 1에 도시한 것처럼, 반응용기(2)의 내부공간(5)에는 수직인 회전축선(O) 둘레에 모터(13)에 의해 회전구동되는 원반 형상의 서셉터(12)가 배치되고, 그 상 면에 형성된 얕은 스폿페이싱(12b) 내에 실리콘에피택셜웨이퍼를 제조하기 위한 기판(W)이 1매만 배치된다. 즉, 상기 기상성장장치(1)는 매엽식으로서 구성된다. 기판(W)은 예를들면, 직경이 100mm 또는 그 이상의 것이다. 또, 기판(W)의 배치영역에 대응하여 반응용기(2)의 상하에는 기판가열을 위한 적외선가열램프(11)가 소정간격으로 배치된다.
반응용기(2)의 내부공간(5) 내에는 도 3에 도시한 것처럼 서셉터(12)를 둘러싸도록 둑형상 부재(23)가 배치되어 있다. 도 2에 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)는 그 상면(23a)이 서셉터(12)의 상면(12a)(인용하면 기판(W)의 주표면)과 대략 일치하는 위치관계로 배치된다. 도 1에 도시한 것처럼, 가스도입구(21)는 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)에 대향하는 형상으로 개구되고, 상기 가스도입구(21)로 유입되는 원료가스(G)는 도 2 또는 도 4에 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)에 부딪혀서 상면(23a)으로 올라간 후, 서셉터(12) 상의 기판(W)의 주표면을 따라 흐르도록 되어 있다. 본 실시형태에서는 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)은 서셉터(12)의 형상에 대응한 원통면 형상으로 되어 있다. 또한, 둑형상 부재(23)의 내주연을 따라, 판상으로 형성되고 열을 균일하게 하는 예열링(22)이 배치되며, 그 내측에 배치되는 서셉터(12)의 상면(12a)이 상기 예열링(22)의 상면(22a)(도 2참조)과 대략 동일면이 되어 있다. 또한, 내부공간(5) 내에는 둑형상 부재(23)에 대향하는 위치로, 둑형상 부재(23)와 거의 동일 지름인 상부내 인장부재(4)가 배치된다. 둑형상 부재(23) 및 상부내 인장부재(4)는 모두 석영재료로 제작된 링형상의 부품이다.
도 1에 도시한 것처럼, 기상성장장치(1)에 있어서는 반응용기(2)의 제1단부(31)에서 서셉터(12)의 회전축선(O)과 직교하여 제2단부(32)에 이르며 원료가스(G)의 흐르는 방향에 따르는 가상적인 중심선을 수평기준선(HSL)으로 한다. 그리고, 수평기준선(HSL)과 서셉터(12)의 회전축선(O)에 쌍방으로 직교하는 방향을 폭방향(WL)(도 3)으로 한다.
다음으로, 도 3 및 도 4에 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에는 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)이 배치되어 있다. 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 원료가스(G)의 폭방향(WL)의 흐름을 분리하도록 구성된다. 각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 둑형상 부재(23)의 상면(23a) 위에 탑재된 석영부재이고, 둑형상 부재(23)의 상면(23a)과 외주면(23b)의 경계로부터 둑형상 부재(23)와 예열링(22)의 경계에 걸쳐서 장착되어 있다.
본 실시형태에 있어서, 각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 상단이 상부 내 인장부재(4)의 하면(4a)(도 2 참조)까지 연장되어 접하도록 치수가 조정되어 있다. 따라서, 각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)의 외측에서 내측(또는 그 역)으로의 원료가스(G)의 폭방향(WL)의 유통은 차단되어 있다. 단, 미세조정을 위해, 각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)의 상단과 상부내 인장부재(4)의 하면(4a)의 사이에, 약간의 극간을 형성하는 것도 가능하다. 또, 각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에 형성된 홈에, 탈착가능하게 끼워넣도록 하여 위치를 고정할 수 있다. 이렇게 하면 유도판의 증감도 용이하다.
또, 상부내 인장부재(4) 측에 유도판을 고정하는 것도 가능하다. 즉, 도 5에 도시한 것처럼, 상부 내 인장부재(4)의 하면(4a)으로부터 둑형상 부재(23)의 상면(23a)을 향하여 직하방으로 연장되는 형태로 유도판(43)을 장착할 수 있다. 이러한 유도판(43)과 둑형상 부재(23)와의 사이에 약간의 극간(SH)이 형성되도록, 유도판(43)의 치수를 조정하여도 된다.
각 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에 있어서의 원료가스(G)의 흐름을 수평기준선(HSL)에서 가까운 쪽과 먼 쪽으로 나누도록 배치되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시하는 실시형태에서는, 유도판 40R과 40L, 유도판 41R, 41L은 각각 수평기준선(HSL)에 대해서 좌우대칭인 조가 되어 장착되어 있다. 또, 이들 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)은 판면이 서셉터(12)의 회전축선(O) 및 수평기준선(HSL)과 평행하도록 배치되어 있다.
또, 도 3에 도시한 것처럼, 가스도입구(21A, 21B)로 유입되는 원료가스(G)를 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)을 향하여 안내하는 가스안내부재(24R, 24L)가 수평기준선(HSL)의 좌우(구체적으로는 반응용기(2)의 지주(33)의 좌우)로 양분한 형태로 가스도입구(21(21A, 21B))와 둑형상 부재(23)의 사이에 배치되어 있다. 가스안내부재(24R, 24L)의 내부에 형성된 가스안내공간(240)(도 4)의 각각에 , 원료가스(G)의 흐름을 폭방향(WL)으로 분리하는 가스안내부재측 칸막이판(34R, 34L)이 장착되어 있다. 따라서, 각 가스안내공간(240)은 수평기준선(HSL) 근처의 각 가스안내공간(24T)과 수평기준선(HSL)으로부터 먼 쪽의 각 가스안내공간(24S)으로 분리된다.
한편, 도 3에서 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)에는 수평기 준선(HSL)에 대하여 좌우대칭으로 양분된 형태로, 원료가스(G)의 흐름을 폭방향(WL)에 대해서 복수개소에서 분리하는 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)이 배치되어 있다. 원료가스(G)는 둑형상 부재(23)의 상면(23a)으로 올라간 때에, 폭방향(WL)으로 흐르기 쉽다. 여기에서, 전술한 가스안내부재측 칸막이판(34R, 34L)과 함께 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)을 장착하므로, 원료가스(G)의 폭방향(WL)의 흐름을 제어하고 있다. 본 실시형태에서는 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)은 수평기준선(HSL)을 사이에 두고 좌우로 각각 1개소씩 배치되어 있다. 그리고, 가스안내부재측 칸막이판(34R, 34L)과 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)이 각각, 수평기준선(HSL) 및 회전축선(O)에 평행한 동일평면 내에 배치된 형태로 되어 있다.
또한, 도 3에 도시한 것처럼, 가스안내부재(24R, 24L)의 각각에 대응하여 가스도입구(21A, 21B)가 형성되어 있다. 가스배관(50)은 수평기준선(HSL) 근처의 가스안내공간(24T)(도 4)에 가스를 공급하는 내측배관(53)과, 수평기준선(HSL)에서 먼 쪽의 가스안내공간(24S)(도 4)에 가스를 공급하는 외측배관(51)으로 나뉘어지고, 각각 원료가스(G)의 유량을 매스플로어컨트롤러(MFC)(54, 52)에 의해 독립적으로 제어할 수 있도록 되어 있다. 여기에서, MFC(54, 52)의 대체용으로 수동밸브를 사용하여도 된다. 또한, 내측배관(53) 및 외측배관(51)은 각각 분기배관(56) 및 다른 분기배관(55)으로 나뉘어지고, 수평기준선(HSL)에 대하여 양측에 각각 내측가스도입구(21A) 및 외측가스도입구(21B)를 개구한다.
도 4에 도시한 것처럼, 가스안내부재(24R, 24L)는 가스도입구(21) 측과 둑형상 부재(23) 측으로 각각 개구되는 횡으로 길게 형성된 단면을 가지는 석영제의 통 형상부품이다. 가스안내부재측 칸막이판(34R, 34L)은 상호 평행하게 배치된 상면판(24a)과 하면판(24b)에 연결되는 형태로서, 가스안내부재(24R, 24L)의 각 내부에 배치되어 있다. 가스안내부재측 칸막이판(34R, 34L)이 일체화된 가스안내부재(24R, 24L)를 반응용기(2)에 대하여 착탈가능하게 배치한 때에 가스안내부재 측 칸막이판(34R, 34L)의 위치를 변경하고 싶은 경우에는 가스안내부재(24R, 24L)의 교환에 의해 간단히 대응할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있는 것처럼, 둑형상부재측 칸막이판(35R) 및 가스안내부재측 칸막이판(34R)은 수평기준선(HSL)과 서셉터(12)의 회전축선(O)의 쌍방에 평행한 동일면 내에 배치되고, 상기 면보다도 수평기준선(HSL)에서 먼 위치, 즉 폭방향(WL)에 대한 외측에, 유도판(41R)이 배치되어 있다. 마찬가지로, 둑형상 부재 측 칸막이판(35L) 및 가스안내부재측 칸막이판(34L)은 수평기준선(HSL)과 서셉터(12)의 회전축선(O)의 쌍방에 평행한 동일면 내에 배치되고, 상기 면보다도 수평기준선(HSL)에서 먼 위치에, 유도판(41L)이 배치되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 1조의 유도판(40R, 40L) 중, 한쪽의 유도판(40R)은 둑형상부재측 칸막이판(35R) 및 가스안내부재측 칸막이판(34R)과 동일면 내에 배치되고, 마찬가지로 다른 쪽의 유도판(40L)은 둑형상 부재 측 칸막이판(35L) 및 가스안내부재 측 칸막이판(34L)과 동일면 내에 배치되어 있다. 이때, 다른 조의 유도판(41R, 41L)은 상기 유도판(40R, 40L) 보다도 폭방향(WL)에 대한 외측에 배치되어 있다. 이러한 배치형태는 원료가스(G)의 폭방향(WL)의 흐름을 제어하는 데 적합하다.
또한, 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)을 유도판(40R, 40L)과 일체로 제작 해도 좋다. 구체적으로는 도 6에 도시하는 것처럼, 둑형상 부재(23)와 상부내 인장부재(4)로 형성되는 가스통로(60)(도 2 참조)에 일치하는 크랭크 형상을 가지는 유도판(42)을 예시할 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)에는, 상면(23a)의 외주연부를 가스안내부재(24R, 24L)와의 대향구간에 있어서 요부형상으로 잘라내는 것에 의해 활모양의 절취부(23k)가 형성된다. 도 1에 도시한 것처럼, 반응용기(2)는 하부용기(2b)와 상부용기(2a)로 구성되고, 상부내 인장부재(4)는 상부용기(2a), 둑형상 부재(23)는 하부용기(2b)의 내주면을 따라 배치되어 있다. 도 2에 도시한 것처럼, 절취부(23k)의 저면(23c)은 가스안내부재(24R, 24L)의 하면판(24b)의 내면의 연장에 대략 일치하는 형상이 되고, 가스안내면의 역할을 하게 된다. 그리고, 원료가스(G)는 절취부(23k)의 측면(둑형상 부재(23)의 외주면)(23b)에 부딪혀서 상면(23a)에 오르게 된다. 또한, 상부내 인장부재(4)는 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에 대향하는 제1면(4a)과, 절취부(23k)의 측면(23b)에 대향하는 제2면(4b)과, 마찬가지로 저면(23c)에 대향하는 제3면(4c)에 기초하는 단부(4d)를 가지고, 절취부(23k)와의 사이에 크랭크 형상의 단면을 가지는 가스통로(60)를 형성하고 있다. 도 4에 도시한 것처럼, 둑형상부재측 칸막이판(35R, 35L)은 가스통로(60)에 대응된 L자형상으로 형성되어 있다.
또한, 도 3에 도시한 것처럼, 가스도입구(21A, 21B)와 가스안내부재(24R, 24L)과의 사이에는 배플(26)이 배치된다. 도 4에 도시한 것처럼, 배플(26)은 가스안내부재(24R, 24L)의 개구부에 대응하여 횡으로 길게 형성되어 있다. 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 복수의 가스유통공(26a)이 형성되어 있다. 또한, 도 3에 도시한 것처럼, 둑형상 부재(23)와 가스배출구(36)의 사이에는 배출 측 가스안내부재(25)가 배치된다.
이하, 상기 기상성장장치(1)를 사용한 에피택셜 웨이퍼의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 1에서 도 4에 도시한 것처럼, 반응용기(2) 내부의 서셉터(12) 상에 기판(W)을 배치하고, 필요에 따라 자연산화막제거 등의 전처리를 실시한 후, 기판(W)을 회전시키면서 적외선가열램프(11)로 소정의 반응온도로 가열한다. 이 상태에서, 반응용기(2) 내부에 각 가스도입구(21A, 21B)로부터 원료가스(G)를 소정의 유속으로 유통시켜, 기판(W) 상에 실리콘단결정박막을 기상에피택셜 성장시키므로, 에피택셜 웨이퍼를 얻는다.
원료가스(G)는 상기의 기판(W) 상에 실리콘단결정박막을 기상성장시키기 위한 것이며,
Figure 112006050011210-PCT00001
,
Figure 112006050011210-PCT00002
,
Figure 112006050011210-PCT00003
,
Figure 112006050011210-PCT00004
등의 실리콘화합물 중에서 선택된다. 원료가스(G)에는 도펀트가스로서
Figure 112006050011210-PCT00005
또는 이나, 희석가스로서의
Figure 112006050011210-PCT00007
등이 적당하게 배합된다. 또, 박막의 기상성장처리에 앞서서 자연산화막제거처리를 실행할 때에는,
Figure 112006050011210-PCT00008
등의 부식성 가스를 희석가스로 희석한 전처리용 가스를 반응용기(2) 내에 공급하든지,
Figure 112006050011210-PCT00009
분위기 중에서 고온열처리를 실시한다.
반응용기(2) 내에 원료가스(G)를 유통시킬 때의 작용에 대해서 설명한다. 도 3의 평면도 중에 화살표가 붙은 일점쇄선으로 도시한 것처럼, 원료가스(G)는 배 플(26), 가스안내부재(24R, 24L)을 통하여, 둑형상 부재(23)의 외주면(23b)을 향하여 흐른다. 외주면(23b)에 부딪친 원료가스(G)는 둑형상 부재(23)의 상면(23a)으로 올라가서, 기판(W)의 주표면을 따라 흐른다. 그리고, 배출 측 가스안내부재(25)에 의해 배기가스(EG)가 배기관(7)에 모여서 배출된다.
도 8에 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)이 구성되지 않은 종래의 기상성장장치의 경우를 도시한다. 본 발명의 기상성장장치(1)의 대응부분은 제로(zero)를 추가한 부호로 나타낸다. 종래의 기상성장장치에서 원료가스(G)는 기판의 중심을 향하여 수평기준선(HSL)으로 접근하면서, 예열링(220)을 거쳐서 서셉터(120) 상부로 진행한다. 왜냐하면, 둑형상 부재(230)와 상부 내 인장부재(400)에 의해 형성되는 가스통로(도 2의 본 발명의 부호 60에 해당)를 통과할 때, 원료가스(G)는 가능한 한, 저항이 작은 방향으로 흐르게 되기 때문이다. 둑형상 부재(230)는 링형상의 형태를 가지기 때문에, 도 9의 모식도에 도시한 것처럼, 원료가스(G)가 둑형상 부재(230)의 상면(230a)을 가로지를 때의 직진거리(d2)는 기판의 중심방향의 최단거리(d1) 보다도 크다. 결국, 최단거리(d1)로 둑형상 부재(230)의 상면(230a) 상부를 통과하면, 서셉터를 향하는 원료가스(G)가 받는 저항은 가장 작게 된다. 또, 둑형상 부재(230) 및 상부 내 인장부재(400)는 링형상의 형태를 가지기 때문에, 직진거리(d2)는 수평기준선(HSL)에서 떨어질수록 크다. 따라서, 수평기준선(HSL)에서 떨어진 위치, 즉 폭방향(WL)의 외측을 흐르는 원료가스(G) 만큼, 둑형상부재(230)의 상면(230a) 상부로 흐름방향이 기판의 중심을 향하여 크게 변화한다.
원료가스(G)의 유속이 그렇게 크지 않은 경우에는, 둑형상 부재(230)를 넘은 후, 일단 기판의 중심을 향하여 진행하지만, 기류가 모이는 수평기준선(HSL) 부근의 압력이 높기 때문에, 기류는 곧 하류방향으로 방향을 바꾼다. 따라서, 원료가스(G)의 유속이 그렇게 크지 않는 경우에는, 원료가스(G)가 둑형상 부재(230)를 넘은 후, 일단 기판의 중심을 향하여 모이는 것은 큰 문제가 되지 않는다. 그러나, 원료가스(G)의 유속이 큰 경우에는, 가스의 운동량이 크므로, 기류가 모이는 수평기준선(HSL) 부근의 압력이 충분히 높아지는 위치까지, 기류는 하류방향으로 방향을 바꾸지 않는다. 결국, 기판의 중심을 향하여 진행하는 거리가 길다. 이 때문에, 원료가스(G)의 유속이 큰 경우에는 원료가스(G)가 둑형상 부재(230)를 넘은 후, 일단 기판의 중심을 향하여 진행하는 영향이 크게 된다.
반응용기 내부의 압력을 대기압보다도 낮게 한 상태에서의 실리콘단결정박막의 에피택셜성장(이른바, 감압에피택셜성장)에서는 반응용기 내부를 흐르는 원료가스(G)의 유속은 상압(常壓)에피택셜성장에 비하여 여러 배 빠르다. 따라서, 특히 감압에피택셜성장에서는 원료가스(G)가 둑형상 부재(230)를 넘은 후, 일단 기판의 중심을 향하여 진행하는 것을 무시할 수 없게 된다.
이것에 대하여, 본 발명에 관한 기상성장장치(1)에 있어서는, 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에 원료가스(G)의 흐름을 폭방향으로 분리하는 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)이 배치되어 있다. 따라서, 도 7에 도시한 것처럼, 원료가스(G)는 둑형상 부재(23)에 올라간 후에도 폭방향(WL)의 흐름이 제어되고, 비교적 똑바르게 서셉터(12) 상으로 흘러간다. 따라서, 기판(W) 상에서의 균일한 유통경로가 확보된다.
실험례
(계산기에 의한 모의실험)
도 1에서 도 4에 도시한 기상성장장치(1)에 있어서의 원료가스의 유통경로를 계산기 시뮬레이션으로 구했다. 또, 이것과 비교하기 위해, 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)을 구비하지 않은 종래의 기상성장장치에서의 원료가스의 유통경로도 구했다. 또한, 도 1에서 도 4에 도시한 가상성장장치(1)에서, 실리콘단결정기판(W) 상에 실리콘단결정박막을 기상에피택셜성장시킨 경우, 실리콘단결정박막의 성장속도 분포에 대해서도, 계산기 시뮬레이션으로 추측하였다. 또, 이것과 비교하기 위해, 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)을 구비하지 않는 종래의 기상성장장치에서, 실리콘단결정박막을 실리콘단결정기판(W) 상에 기상에피택셜성장시킨 경우의, 실리콘단결정박막의 성장속도 분포를 아울러서 추측하였다. 설정조건 등은 이하에 기재한 대로이다.
소프트웨어: Fluent Ver 6.0(플루언트ㆍ아시아 퍼시픽사 제품)
(치수)
ㆍ반응용기 직경=300mm
ㆍ반응용기 높이(서셉터(12)에서 반응용기(2)의 상면 내측까지의 거리)
=20mm
ㆍ둑형상 부재 높이(절취부(23k)의 저면(23c)에서 둑형상 부재(23)의 상
면(23a)까지의 높이)=16mm
ㆍ실리콘단결정기판 직경=200mm
(성장 온도)
ㆍ실리콘단결정기판…1400K
ㆍ반응용기 상면…700K
(반응용기 내부 압력)
ㆍ10000Pa
(원료가스)
ㆍ트리클로로실란…1.5mol%
ㆍ수소…98.5mol%
(원료가스 유량)
ㆍ내측 안내로(路)…13.5 리터/분(표준상태)
ㆍ외측 안내로(路)…13.5 리터/분(표준상태)
도 10A, 도 10B는 계산기 시뮬레이션으로부터 얻어진 원료가스(G)의 유통경로도, 도 11A, 도 11B는 실리콘단결정박막의 성장속도 분포를 도시하는 등고선도이다.
도 10A 및 도 11A는 본 발명의 기상성장장치(1)의 경우이고, 도 10B 및 도 11B는 종래의 기상성장장치의 경우이다.
우선, 도 10A에 도시한 것처럼, 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)을 가지는 본 발명의 기상성장장치(1)에서는 원료가스가 기판의 중앙(수평기준선)으로 근접해가는 경향이 작다.
한편, 도 10B에 도시한 것처럼, 유도판(40R, 40L, 41R, 41L)을 구비하지 않은 종래의 기상성장장치에서 원료가스(G)는 둑형상 부재(23)의 상면(23a)에서 흐르 는 방향을 크게 변화시키고 있다.
다음으로, 도 11A, 도 11B에 도시하는 성장속도분포를 도시하는 등고선에 대해서, 실리콘단결정기판(W)은 회전하지 않는다고 가정하고 있으므로, 도면 중에서 하류측으로 진행할수록, 성장속도가 느린 등고선을 나타내고 있다.
종래의 기상성장장치의 경우, 등고선이 크게 물결치고 있는 것에 대하여, 본 발명의 기상성장장치(1)의 경우, 등고선이 작은 물결을 반복하는 결과가 되었다.

Claims (10)

  1. 실리콘단결정기판의 주표면 상에 실리콘단결정박막을 기상성장시키는 기상성장장치로서,
    수평방향으로 제1단부 측에 가스도입구가 형성되고, 동일하게 제2단부 측에 가스배출구가 형성된 반응용기를 가지고고,
    실리콘단결정박막을 형성하기 위한 원료가스가 상기 가스도입구로부터 상기 반응용기 내에 도입되고,
    상기 반응용기의 내부 공간에서 대략 수평으로 회전유지되는 상기 실리콘단결정기판의 상기 주표면을 따라 상기 원료가스가 흐른 후, 상기 가스배출구로부터 배출되도록 구성되고,
    상기 내부공간 내에서 회전구동되는 원반 형상의 서셉터 상에 상기 실리콘단결정기판이 배치되는 한편, 상기 서셉터를 둘러쌈과 함께, 상면이 상기 서셉터의 상면과 대략 일치하는 위치관계로 둑형상 부재가 배치되고,
    또한, 상기 가스도입구는 상기 둑형상 부재의 외주면에 대향하는 형상으로 개구되고,
    상기 가스도입구로부터의 상기 원료가스가 상기 둑형상 부재의 외주면에 부딪혀 상면 측으로 올라간 후, 상기 서셉터 상의 상기 실리콘단결정기판의 주표면을 따라 흐르도록 구성된 기상성장장치에 있어서,
    상기 반응용기의 상기 제1단부로부터 상기 서셉터의 회전축선과 직교하여 상 기 제2단부에 이르는 상기 원료가스의 흐름 방향을 따른 가상적인 중심선을 수평기준선으로 하고, 상기 서셉터의 회전축선과, 상기 수평기준선의 쌍방으로 직교하는 방향을 폭방향으로 한 때에,
    상기 원료가스의 상기 폭방향의 흐름을 분리하는 유도부를 상기 둑형상 부재의 상면에 장착한 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도부는 상기 원료가스가 상기 수평기준선에 접근하는 것을 방해하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유도부는 상기 원료가스의 흐름을 상기 수평기준선으로부터 가까운 쪽과, 먼쪽으로 나누는 유도판인 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유도판은 상기 유도판의 판면이 상기 서셉터의 회전축선 및 상기 수평기준선과 평행이 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 가스도입구로부터 유입되는 상기 원료가스를 상기 둑형상 부재의 외주 면을 향하여 안내하는 가스안내부재가 상기 폭방향에 있어서 상기 수평기준선에 관하여 좌우로 양분한 형태로 상기 가스도입구와 상기 둑형상 부재와의 사이에 배치되고,
    상기 가스안내부재의 내측에 형성된 가스안내 공간의 각각에 상기 원료가스의 흐름을 상기 폭방향에서 분리하는 가스안내부재측 칸막이판이 장착되고,
    상기 둑형상 부재의 외주면에는 상기 수평기준선에 대하여 좌우대칭으로 양분된 형태로, 상기 원료가스의 흐름을 상기 폭방향에 있어서 복수개소로 분리하는 둑형상 부재측 칸막이판이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유도판이 상기 폭방향에 있어서의 상기 둑형상 부재측 칸막이판 및 상기 가스안내부재측 칸막이판의 배치위치보다도 외측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 유도판은 상기 둑형상부재측 칸막이판 및 상기 가스안내부재측 칸막이판과 동일면 내에 배치된 제1유도판과,
    상기 폭방향에 있어서의 상기 제1유도판의 배치위치보다도 외측에 배치된 제2유도판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 기재의 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응용기 내부를 대기압보다도 감압된 상태로 유지하는 배기계가 구성된 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 기재의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기상성장장치의 상기 반응용기 내에 상기 실리콘단결정기판을 배치하고, 상기 반응용기 내에 상기 원료가스를 유통시켜 상기 실리콘단결정기판 상에 상기 실리콘단결정박막을 기상에피택셜성장시키는 것에 의해 에피택셜 웨이퍼를 얻는 것을 특징으로 하는 에피택셜 웨이퍼의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원료가스로서 모노클로로실란가스, 지클로로실란가스 및 트리클로로실란가스의 그룹에서 선택되는 1종의 것을 사용하고, 상기 반응용기 내부를 대기압보다도 감압된 상태로 유지하면서, 상기 실리콘단결정기판 상에 상기 실리콘단결정박막을 기상에피택셜성장시키는 것을 특징으로 하는 에피택셜 웨이퍼의 제조방법.
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