KR20090027146A - 서셉터, 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법 - Google Patents

서셉터, 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법 Download PDF

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KR20090027146A
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히로노부 히라타
요시카즈 모리야마
마사요시 야지마
신이치 미타니
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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 서셉터, 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법에 관한 것으로서, 서셉터는 웨이퍼(w)의 직경보다 작고, 표면에 웨이퍼(w)를 얹어 설치하기 위한 볼록부를 갖는 이너 서셉터와, 중심부에 개구부를 갖고, 이너 서셉터를 개구부가 차폐되도록 얹어 설치하기 위한 제 1 단부(b)와, 상기 제 1 단부의 상단에 설치되어 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 제 2 단부를 갖는 아우터 서셉터를 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

서셉터, 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법{SUSCEPTOR, MANUFACTURING APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 예를 들면 반도체 웨이퍼의 이면부터 가열하면서 표면에 반응 가스를 공급하여 성막(成膜)을 실시하기 위해 이용되며, 반도체 웨이퍼를 유지하기 위한 서셉터, 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정의 에피택시얼막의 형성 등에 이용되는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치에 있어서, 웨이퍼의 하방에 열원, 회전 기구를 갖고, 상방으로부터 균일한 프로세스 가스를 공급하는 것이 가능한 이면 가열 방식이 이용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 미세화, 고기능화에 따라 성막 공정에서의 금속 오염의 레벨에는 높은 수준이 요구되고 있다. 상술한 이면 가열 방식에서는 웨이퍼의 하방에 열원, 회전 기구를 갖고 있고, 이들 열원, 회전 기구와 완전히 분리되지 않으므로 금속 원자의 확산, 이동에 의해 웨이퍼 오염이 발생하는 문제가 있다.
통상 웨이퍼는 성막 장치(반응로) 내에서 서셉터에 의해 유지되고, 반송 시에는 서셉터에 설치된 핀 구멍을 관통하는 밀어올림 핀에 의해 상승 이동된다. 이 때문에 특히 핀 구멍으로부터의 웨이퍼 오염을 차단하는 것이 곤란한 문제가 있다.
한편, 예를 들면 일본 공개특허공보 제2000-43302호([0019]~[0022], [0036], 도 1 등)에서 웨이퍼 온도 분포의 균일성을 도모하기 위해 핀 구멍을 설치하지 않은 서셉터의 구조가 제안되어 있다. 그러나 실제로 핀 구멍을 갖고 있지 않은 서셉터 구조로 하면, 웨이퍼를 얹어 설치할 때, 웨이퍼 하부에 기체층이 형성되어 웨이퍼가 들뜨기 때문에 안정적으로 유지하는 것이 곤란하다. 또한 웨이퍼를 가열하고, 회전시켜 프로세스 가스를 공급함으로써 성막할 때, 이와 같은 불안정한 상태에서는 균일한 성막이 곤란하다.
그리고, 균일한 성막을 실시하기 위해서는 웨이퍼를 고속 회전시킬 필요가 있지만, 이와 같은 불안정한 상태에서는 고속 회전시에 웨이퍼가 서셉터를 얹어 설치하는 위치에서 벗어날 가능성이 있고, 고속 회전에 의한 균일한 성막이 곤란해지는 문제가 있다.
본 발명의 일 형태의 서셉터는 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 서셉터로서, 상기 웨이퍼의 직경보다 작고, 표면에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 볼록부를 갖는 이너 서셉터와, 중심부에 개구부를 갖고, 상기 이너 서셉터를 상기 개구부가 차폐되도록 얹어 설치하기 위한 제 1 단부와, 상기 제 1 단부의 상단에 설치되어 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 제 2 단부를 갖는 아우터 서셉터를 포함한다.
본 발명의 일 형태의 반도체 제조 장치는 웨이퍼가 도입되는 반응로와, 상기 반응로에 프로세스 가스를 공급하기 위한 가스 공급 기구와, 상기 반응로로부터 상기 프로세스 가스를 배출하기 위한 가스 배출 기구와, 상기 웨이퍼의 직경보다 작고, 표면에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 볼록부를 갖는 이너 서셉터와, 중심부에 개구부를 갖고, 상기 이너 서셉터를 상기 개구부가 차폐되도록 얹어 설치하기 위한 제 1 단부와, 상기 제 1 단부의 상단에 설치되어 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 제 2 단부를 갖는 아우터 서셉터와, 상기 웨이퍼를 상기 이너 서셉터 및 상기 아우터 서셉터의 하부로부터 가열하기 위한 히터와, 상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 기구와, 상기 이너 서셉터를 상승·하강시키기 위한 상하 구동 기구를 포함한다.
본 발명의 일 형태의 반도체 제조 방법은 반응로 내에 웨이퍼를 반입하여 상기 반응로내에 설치되고, 상기 웨이퍼의 직경보다 작고, 표면에 볼록부를 갖는 이너 서셉터를 상승시키며, 상기 이너 서셉터의 상기 볼록부상에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하고, 상기 이너 서셉터를 하강시켜 중심부에 개구부를 갖는 아우터 서셉터의 제 1 단부상에 상기 개구부를 차폐하도록 얹어 설치하고, 또한 상기 웨이퍼를 상기 아우터 서셉터의 상기 제 1 단부의 상단에 설치된 제 2 단부상에 얹어 설치하고, 상기 웨이퍼를 상기 이너 서셉터 및 상기 아우터 서셉터를 통해 가열하고, 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼상에 프로세스 가스를 공급하는 것을 포함한다.
상기 설명과 다음의 발명의 실시를 위한 구체적인 내용은 단지 예시로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명에서는 핀 구멍을 설치하지 않은 서셉터를 이용하여 확산 길이가 충분해지고, 금속 오염을 억제시키며, 웨이퍼 하부와 이너 서셉터 사이에 볼록부에 의한 틈이 형성되어 웨이퍼를 안정적인 상태로 서셉터에 유지하는 것이 가능해지고, 단부가 웨이퍼의 베벨 테이퍼 각과 거의 동일한 테이퍼를 가지므로, 테이퍼에서 웨이퍼의 베벨부를 얹어 설치되게 하여 보다 안정적으로 유지시키는 것이 가능해진다. 또한, 단부에 의해 웨이퍼와 아우터 서셉터 사이에 미소 갭을 형성할 수 있으므로, 웨이퍼에 휘어짐 등이 발생한 경우에도 웨이퍼는 안정적으로 웨이퍼 외주에서 유지되는 것이 가능해지며, 웨이퍼에 부여하는 열전도량이 항상 일정하게 유지되고, 웨이퍼면내 온도 분포가 항상 일정하게 될 수 있어서, 웨이퍼상에 균일한 에피택시얼막을 형성하는 것이 가능해진다. 그리고, 소자 형성 공정 및 소자 분리 공정을 거쳐 반도체 장치가 형성될 때, 소자 특성의 편차를 억제하고, 수율, 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
상세한 설명을 위해 본 발명의 실시예가 참조되며, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면에 도시된다. 동일한 참조 번호가 도면의 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 어디든 사용될 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1에 본 실시형태의 서셉터의 단면도를 도시한다. 도면에 도시한 바와 같이, 서셉터(11)는 이너 서셉터(12)와, 상기 이너 서셉터(12)와 분리 가능한 아우터 서셉터(13)로 구성되어 있다.
이너 서셉터(12)는 도 2에 도시한 바와 같이, 얹어 설치되는 웨이퍼(w)의 직경보다 작고, 엣지 부분에 단부(12a)가 설치되어 있다. 그리고, 그 상면에는 웨이퍼(w)를 얹어 설치하기 위해, 예를 들면 4 군데의 도트 형상의 볼록부(12b)가 동일 원주상에 대략 등간격으로 배치되어 있다.
아우터 서셉터(13)는 도 3에 도시한 바와 같이, 중심부에 개구부(13a)가 설치되어 있고, 이 개구부(13a)의 엣지 부분에는 단부(13b, 13c, 13d)가 설치되어 있다. 하단의 단부(13b)에는 개구부(13a)를 차폐하도록 이너 서셉터(12)가 얹어 설치되고, 중간의 단부(13c)에 의해 웨이퍼(w)의 사이에 예를 들면 0.2mm 정도의 미소한 갭이 형성되며, 최상단의 단부(13d)에 웨이퍼(w)가 얹어 설치된다. 이 단부(13d)의 웨이퍼(w)의 베벨부(wb)가 얹어 설치되는 부분에는 예를 들면 22°의 베벨 테이퍼 각과 거의 동일한 각도가 되도록 테이퍼(13e)가 형성되어 있다.
이와 같은 서셉터(11)는, 예를 들면 도 4에 도시한 반도체 제조 장치내에 얹어 설치된다. 도면에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(w)가 성막 처리되는 반응로(21)에는 반응로(21) 상방으로부터 프로세스 가스를 웨이퍼(w)상에 정류판(22)을 통해 공급하기 위한 가스 공급구(23)와, 반응로(21) 하방으로부터 프로세스 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(24)가 설치되어 있다.
반응로(21)의 하방에는 반응로(21)의 외부에 구동 기구(도시하지 않음)를 갖고, 웨이퍼(w)를 회전시키기 위한 회전 기구(25)가 설치되어 있다. 그리고, 이 회전 기구(25)는 상술한 구성의 서셉터(11)의 아우터 서셉터(13) 외주부에서 접속되어 있다.
서셉터(11)의 하방에는 웨이퍼(w)를 가열하기 위한 인 히터(26a)가 설치되고, 서셉터(11)와 인 히터(26a) 사이에 웨이퍼(w)의 주연부를 가열하기 위한 아웃 히터(26b)가 설치되어 있다. 이들 인 히터(26a), 아웃 히터(26b)는 온도 측정 기구(도시하지 않음)에 의해 측정되는 웨이퍼 온도에 기초하여 온도 제어 기구(도시하지 않음)에 의해 제어된다. 인 히터(26a)의 하방에는 원반 형상의 리플렉터(27)가 설치되어 있다. 그리고, 인 히터(26a), 리플렉터(27)를 관통하도록 이너 서셉터(12)를 상하로 이동시키기 위한 밀어올림 핀(28)이 설치되어 있다.
이와 같은 반도체 제조 장치를 이용하여 웨이퍼(w)상에 예를 들면 Si 에피택시얼막이 형성된다. 우선, 도 5에 도시한 바와 같이, 예를 들면 8 인치의 웨이퍼(w)가 외주 부분에서 반송 암(29)에 의해 유지되고, 반응로(21)에 반입된다. 그리고, 밀어올림 핀(28)에 의해 이너 서셉터(12)를 상승시킨다. 이 때, 웨이퍼(w) 는 이너 서셉터(12)의 외측에서 반송 암(29)에 의해 유지되어 있고, 이너 서셉터(12)를 상승시킴으로써 이너 서셉터(12)상에 웨이퍼(w)가 얹어 설치된다. 그리고, 밀어올림 핀(28)에 의해 이너 서셉터(12)를 하강시킴으로써 웨이퍼(w) 및 이너 서셉터(12)를 아우터 서셉터(13)에 유지시킨다.
이 때, 웨이퍼(w)는 이너 서셉터(12)의 볼록부(12b)상에 얹어 설치되고, 웨이퍼(w) 하부와 이너 서셉터(12) 사이에는 틈이 형성된다. 이너 서셉터의 단부(12a)는 아우터 서셉터(13)의 단부(13b)상에 얹어 설치되고, 웨이퍼(w)는 단부(13c) 사이에 미소 갭이 형성되고, 단부(13d)상에 얹어 설치된다.
계속해서 온도 측정 기구(도시하지 않음)에 의해 측정되는 웨이퍼(w)의 온도에 기초하여, 온도 제어 기구(도시하지 않음)에 의해 인 히터(26a), 아웃 히터(26b)의 온도가 예를 들면 1400~1500℃의 범위로 적절히 제어하여 웨이퍼(w)의 온도를 면내에서 균일하게 예를 들면 1100℃가 되도록 제어한다. 또한, 회전 기구(25)에 의해 웨이퍼(w)를 예를 들면 900rpm으로 회전시킨다.
그리고, 가스 공급구(23)로부터 예를 들면 캐리어 가스: H2를 20~100SLM, 성막 가스:SiHCl3을 50sccm~6SLM, 도판트 가스: B2H6, PH3: 미량으로 이루어진 프로세스 가스가 정류판(22)상에 도입되고, 정류 상태로 웨이퍼(w)상에 공급된다. 이 때, 반응로(21) 내의 압력은 가스 공급구(23), 가스 배출구(24)의 밸브를 조정함으로써 예를 들면 1333Pa(10Torr)~상압(常壓)으로 제어된다. 이와 같이 하여 각 조건이 제어되어 웨이퍼(w)상에 에피택시얼막이 형성된다.
이와 같이 형성된 에피택시얼막에 있어서, SPV(Surface Photovoltage)법에 의해 Fe의 확산 길이를 측정했다. 측정 결과, 종래의 핀 구멍을 갖는 서셉터를 이용한 경우, 확산 길이는 불충분했던 것에 대해, 본원 발명과 같이 핀 구멍을 설치하지 않은 서셉터를 이용한 경우, 확산 길이는 충분해지고(예를 들면, 400㎛), 금속 오염이 억제된 것을 알 수 있다.
또한, 웨이퍼(w) 하부와 이너 서셉터(12) 사이에는 볼록부(12b)에 의해 틈이 형성되어 있으므로 웨이퍼(w)를 안정적인 상태로 서셉터(11)에 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 단부(13d)는 웨이퍼(w)의 베벨 테이퍼 각과 거의 동일한 테이퍼(13e)를 갖는다. 따라서, 테이퍼(13e)에서 웨이퍼(w)의 베벨부(wb)가 얹어 설치됨으로써 보다 안정적으로 유지시키는 것이 가능해진다.
또한, 단부(13c)에 의해 웨이퍼(w)와 아우터 서셉터(13) 사이에 미소 갭을 형성할 수 있으므로, 웨이퍼(w)에 휘어짐 등이 발생한 경우에도 웨이퍼(w)는 안정적으로 웨이퍼 외주에서 유지되는 것이 가능해진다. 그리고, 웨이퍼에 부여하는 열전도량이 항상 일정하게 유지되고, 웨이퍼면내 온도 분포가 항상 일정하게 될 수 있다.
그 결과, 웨이퍼상에 예를 들면 막두께의 편차가 0.5% 이하의 균일한 에피택시얼막을 형성하는 것이 가능해진다.
그리고, 소자 형성 공정 및 소자 분리 공정을 거쳐 반도체 장치가 형성될 때, 소자 특성의 편차를 억제하고, 수율, 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능해진 다. 특히 N형 베이스 영역, P형 베이스 영역이나 절연 분리 영역 등에 수10㎛~100㎛ 정도의 막두께 성장이 필요한 파워 MOSFET나 IGBT(절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터) 등의 파워 반도체 장치에서 적용되는 것이 바람직하다. 파워 반도체 장치의 에피택시얼 형성 공정에 적용됨으로써 양호한 소자 특성을 얻는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서 도 1에 도시한 바와 같이, 이너 서셉터(12)와 아우터 서셉터(13)의 단부를 설치했지만, 단부의 단수, 단차는 적당하게 설계할 수 있다. 또한, 각각의 단부는 적당한 테이퍼를 갖고 있다.
예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이 서셉터(31)에서 이너 서셉터(32), 아우터 서셉터(33)의 끼워맞춤부를 각각 2 단으로 해도 좋다. 이와 같이 다단으로 함으로써 서셉터 이면측으로부터 오염 물질의 통과를 억제하고, 웨이퍼의 금속 오염을 보다 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 이너 서셉터(12)에서 단부(12a)를 설치하는 것이 금속 오염을 억제하는 데에 효과적이지만, 반드시 설치할 필요는 없다. 이면을 평탄하게 하여 아우터 서셉터(13)의 단부(13b)상에 얹어 설치해도 좋다.
그리고, 이너 서셉터(12)의 상면에 설치된 볼록부(12b)는 도트 형상의 것을 4 군데로 했지만, 웨이퍼(w)를 수평하게 유지할 수 있으면 좋다. 특히 그 형상, 배치 등은 한정되지 않는다. 예를 들면, 웨이퍼(w)와의 접촉 면적을 가능한한 작게 하기 위해서는 3군데의 도트 형상의 볼록부로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 1 군데 이상에 절개부(비연속부)를 갖는 링형상이라도 좋다.
또한, 볼록부는 반드시 이너 서셉터(12)의 외주 근방에 배치될 필요는 없다. 도 7에 도시한 바와 같이, 이너 서셉터(42)에서 볼록부(42a)는 중앙부의 동일 원주상에 대략 등간격으로 배치되어도 좋다. 이와 같이 배치시킴으로써 보다 안정적인 웨이퍼(w)의 유지가 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는 Si 단결정층(에피택시얼 성장층) 형성의 경우를 설명했지만, 폴리Si층 형성시에 적용되는 것도 가능하다. 또한, 다른 화합물 반도체, 예를 들면 GaAs층, GaAlAs나 InGaAs 등에도 적용 가능하다. 또한, SiO2막이나 Si3N4막 형성의 경우에도 적용 가능하다. SiO2막의 경우, 모노실란(SiH4) 외에 N2, O2, Ar 가스를, Si3N4막의 경우, 모노실란(SiH4) 외에 NH3, O2, Ar 가스 등이 공급되게 된다.
개시된 본 발명의 실시예의 이해로부터 본 발명의 다른 실시가 당업자에게 명확할 것이다. 다음 청구 범위에 의해 지시된 본 발명의 범위와 정신과 함께, 본 실시예는 예시로서만 생각되도록 의도되었다.
도 1은 본 발명의 일 형태의 서셉터의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 형태의 이너 서셉터의 단면도,
도 3은 본 발명의 일 형태의 아우터 서셉터의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 형태의 반도체 제조 장치의 단면도,
도 5는 본 발명의 일 형태의 반도체 제조 장치의 단면도,
도 6은 본 발명의 일 형태의 서셉터의 단면도, 및
도 7은 본 발명의 일 형태의 이너 서셉터의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 서셉터 12 : 이너 서셉터
13 : 아우터 서셉터 21 : 반응로
23 : 가스 공급구 24 : 가스 배출구

Claims (5)

  1. 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 서셉터에 있어서,
    상기 웨이퍼의 직경 보다 작고, 표면에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 볼록부를 갖는 이너 서셉터, 및
    중심부에 개구부를 갖고, 상기 이너 서셉터를 상기 개구부가 차폐되도록 얹어 설치하기 위한 제 1 단부와, 상기 제 1 단부의 상단에 설치되어 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 제 2 단부를 갖는 아우터 서셉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼록부는 동일 원주상에 복수 설치되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단부는 상기 웨이퍼의 베벨부가 얹어 설치되는 부분에 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  4. 웨이퍼가 도입되는 반응로,
    상기 반응로에 프로세스 가스를 공급하기 위한 가스 공급 기구,
    상기 반응로로부터 상기 프로세스 가스를 배출하기 위한 가스 배출 기구,
    상기 웨이퍼의 직경보다 작고, 표면에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 볼록부를 갖는 이너 서셉터,
    중심부에 개구부를 갖고, 상기 이너 서셉터를 상기 개구부가 차폐되도록 얹어 설치하기 위한 제 1 단부와, 상기 제 1 단부의 상단에 설치되어 상기 웨이퍼를 얹어 설치하기 위한 제 2 단부를 갖는 아우터 서셉터,
    상기 웨이퍼를 상기 이너 서셉터 및 상기 아우터 서셉터의 하부로부터 가열하기 위한 히터,
    상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 회전 기구, 및
    상기 이너 서셉터를 상승·하강시키기 위한 상하 구동 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  5. 반응로내에 웨이퍼를 반입하는 단계,
    상기 반응로내에 설치되어 상기 웨이퍼의 직경보다 작고, 표면에 볼록부를 갖는 이너 서셉터를 상승시키며, 상기 이너 서셉터의 상기 볼록부상에 상기 웨이퍼를 얹어 설치하는 단계,
    상기 이너 서셉터를 하강시키고, 중심부에 개구부를 갖는 아우터 서셉터의 제 1 단부상에 상기 개구부를 차폐하도록 얹어 설치하고, 또한 상기 웨이퍼를 상기 아우터 서셉터의 상기 제 1 단부의 상단에 설치된 제 2 단부상에 얹어 설치하는 단계,
    상기 웨이퍼를 상기 이너 서셉터 및 상기 아우터 서셉터를 통해 가열하는 단 계,
    상기 웨이퍼를 회전시키는 단계, 및
    상기 웨이퍼상에 프로세스 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
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