KR20110101556A - 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양질의 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜층 증착 장치에 관한 것이다.
본 발명은 웨이퍼를 지지하는 서셉터가 구비된 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 일면에 구비되어 상기 웨이퍼에 반응 가스를 공급하는 인젝터; 및 상기 반응 챔버 내에 구비되고, 상기 인젝터의 반응 가스 분출구와 상기 웨이퍼의 에지를 연결하는 가상의 선 상에 구비된 가이드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 에피택셜층 성장 장치를 제공한다.
따라서, 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치에서 반응 가스의 투입부에서 웨이퍼의 에지 사이에 가이드가 구비되어, 반응 가스의 이동 거리가 감소하고 반응량이 증가하며, 웨이퍼의 에지 부분의 평탄도가 개선된다.

Description

웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치{Apparatus for depositing epitaxial layer on wafer}
본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양질의 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜층 증착 장치에 관한 것이다.
다결정 실리콘을 단결정 실리콘으로 만드는데 이용되는 가장 보편적인 방법이 초크랄스키(czochralski) 방법이다.
그리고, 초크랄스키 방법에 의해 성장된 원통형 잉고트를 절단기를 이용하여 디스크(disc) 모양으로 얇게 절단한 후에 표면을 화학적 기계적 방법으로 연마하여 얇은 웨이퍼를 만든다. 이때, 웨이퍼의 종류는 첨가된 불순물의 종류와 그 양에 의하여 결정되는데, 주기율 5족 물질인 인(Phosphorus, P) 또는 비소(Arsenic, As)와 같은 n형 불순물이 첨가되면 n형 웨이퍼로, 주기율 3족 물질인 붕소(Boron, B)와 같은 p형 불순물이 첨가되면 p형 웨이퍼로 만들어진다. 불순물은 실리콘 웨이퍼 전체에 골고루 분포되어야 하며, 불순물의 농도에 따라서 기판의 저항값은 좌우된다.
한편, 초크랄스키 방법을 통해 성장시키는 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 결정 방향(crystal orientation)을 맞추어서 새로운 고순도의 결정층을 형성하는 공정을 에피택셜 성장법(epitaxial growth) 또는 에피택셜 (epitaxial)법이라 하고, 이렇게 형성된 층을 에피택셜층(epitaxial layer) 또는 에피층(epi-layer)이라고 한다.
상술한 에피택셜층을 증착하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
에피택셜 웨이퍼는 기판으로 사용되는 폴리쉬드 웨이퍼 (Polished Wafer)에 대략 1130도(℃)의 고온으로 가열된 반응기의 화학 기상 증착법에 의해 얇은 단결정 층을 형성한 웨이퍼이다. 이때 화학 기상 증착 법은 원료로 사용되는 가스를 기상에서 고상으로 상변이를 유도하기 때문에, 원료 가스의 유체 흐름, 기판 웨이퍼를 지지해 주는 서셉터의 재질 및 모형, 원료 가스를 라디컬로 분해 시켜주는 에너지 원의 조화가 중요하다. 특히 300mm의 대구경 웨이퍼에서는 웨이퍼 끝 (Edge) 부분까지 균일한 에피탁셜 층 증착이 어렵기 때문에 반응기 내 가스의 유체 흐름이 중요한 변수이다.
도 1은 종래의 에피택셜층 성장 장치를 나타낸 도면이다.
종래의 에피택셜층 성장 장치는, 챔버(미도시) 내의 서셉터(100) 상에 웨이퍼(120)가 안착되어 있다. 그리고, 상기 서셉터(100)는 지지대를 통하여 지지되고, 열원(130)에서 방출된 열은 히팅 와이어(140)을 통하여 서셉터(100)를 거쳐서 웨이퍼(120)에 전달된다.
상기 웨이퍼(120)를 챔버 내의 서셉터(100)에 안착한 후, 챔버 덮개(미도시)로 밀봉하고 증착 화학 기상 증착 공정이 진행된다. 상기 공정은 1100℃~1200℃의 온도와 대기압 하에서 진행될 수 있고, 소스로서 SiHCl3과 도펀트로서 B2H6와 PH3와 메인 스트림으로서 H2가 포함된 가스를 주입하여 에피택셜층(110)의 증착이 이루어진다.
도 2a는 공정 온도에 따른 에피택셜 웨이퍼의 두께 프로파일을 나타낸 도면이고, 도 2b는 에피택셜층 증착 후의 평탄도 열위 맵을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 에피탁셜층 증착시에 공정온도에 따라 두께 에지 프로파일에 변화가 발생하는데, 온도가 높을수록 가스의 반응 속도를 높여 에피택셜층의 증착 두께를 증가시킨다.
그리고, 도 2a에 도시된 바와 같이 1130℃ 공정온도에서는 에지 프로파일의 기울기가 위로 상승한 양의 방향 (Edge Roll-up)으로 형성되나, 1100℃로 공정온도를 낮추면 에지 프로파일의 기울기가 음의 방향으로 (Edge Roll-off) 낮아진다.
따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 기판으로 사용되는 웨이퍼의 평탄도 프로파일이 볼록형(Convex)으로 에지쪽이 기울어질 경우, 1100℃의 공정온도에서 에피택셜층 증착시에 웨이퍼의 에지쪽에 두께 프로파일 경사가 기울어지면서 증착 후에 에지 부근 지점의 평탄도가 약 0.10 마이크로 미터(㎛) 이상 열위된다.
도 3은 기판의 형상과 에피택셜층의 두께 프로파일의 유형을 나타낸 도면이다.
현재 사용되는 폴리시드 웨이퍼는 전형적인 볼록형(Convex)이 많은데, 도시된 바와 같이 두께 프로파일이 기판 웨이퍼와 동일하게 에지-롤 오프(Edge-off off)이면 더욱 열위(degration)하게 된다.
이는, 에피택셜 반응에서 상하의 고온 램프로부터 에너지를 얻어 반응 가스를 기상에서 분해시키고, 이때 기판으로 사용되는 폴리쉬드 웨이퍼는 분해된 라디칼 원자와 화학적으로 결합하고, 기상의 원자들이 표면에서 계속 층층히 쌓아 올림으로 에피탁셜 층을 형성하기 때문이다. 즉, 에피탁셜층은 기판웨이퍼의 표면에 그대로 쌓이기 때문에 에피택셜 웨이퍼의 평탄도는 기판의 평탄도에 의존하게 됨을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 웨이퍼 상에 에피택셜층의 증착시에 낮은 온도에서도 에피택셜층의 측면 두께 프로파일(profile)의 기울기를 높이고자 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 웨이퍼를 지지하는 서셉터가 구비된 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 일면에 구비되어 상기 웨이퍼에 반응 가스를 공급하는 인젝터; 및 상기 반응 챔버 내에 구비되고, 상기 인젝터에서 공급된 반응 가스를 상기 웨이퍼의 에지로 가이드하는 가이드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 에피택셜층 성장 장치를 제공한다.
여기서, 상기 가이드는, 상기 인젝터의 가스 분출구와 상기 웨이퍼의 에지를 연결하는 가상의 선 상에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 가이드는 상기 챔버에 고정된 고정단과 상기 인젝터에서 분출된 반응 가스를 가이드하는 가이드단을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 고정단과 상기 가이드단은 서로 수직하게 구비될 수 있다.
그리고, 상기 고정단은, 육면체 형상으로 구비되고 일면이 상기 챔버와 면접할 수 있다.
그리고, 상기 인젝터의 반응 가스 분출구의 폭은 상기 웨이퍼의 폭보다 좁으며, 상기 가이드단은 단면이 삼각형을 이루고, 상기 인젝터에서 분출된 반응 가스는 상기 가이드 단의 일면을 따라 상기 웨이퍼로 가이드될 수 있다.
또한, 상기 가이드는 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 에피택셜층 성장 장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치에서 반응 가스의 투입부에서 웨이퍼의 에지 사이에 가이드가 구비되어, 반응 가스의 이동 거리가 감소하고 반응량이 증가한다.
둘째, 웨이퍼의 에지 부분에서의 반응 가스의 반응량이 증가하여, 웨이퍼의 에지 부분에도 에피택셜층이 충분히 증착된다.
도 1은 종래의 에피택셜층 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 2a는 공정 온도에 따른 에피택셜 웨이퍼의 두께 프로파일을 나타낸 도면이고,
도 2b는 에피택셜층 증착 후의 평탄도 열위 맵을 나타낸 도면이고,
도 3은 기판의 형상과 에피택셜층의 두께 프로파일의 유형을 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치의 일실시예의 작용 및 종래의 장치의 작용을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4a의 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치의 가이드를 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치의 효과를 종래와 비교한 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 웨이퍼의 에피택셜층의 증착 장치는 낮은 온도에서 에피택셜층의 측면 두께 프로파일(profile)의 기울기를 높이기 위하여, 원료 가스의 공급양을 늘리고자 한다.
여기서, 반응 챔버 내에 주입되는 원료 가스 전체의 양을 증가시키는 것이 아니라, 가스 투입단부터 웨이퍼의 에지 부분까지의 이동 거리를 짧게 하여, 결과적으로 유속증가에 따른 원료 가스의 접촉양을 증가시키고자 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치의 일실시예의 작용 및 종래의 장치의 작용을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 챔버(200)의 바디(210)에는 웨이퍼(230)가 안착된 서셉터(220)가 구비되어 있다.
그리고, 바디(210)의 일측면에 인젝터(240)가 구비되어 있다. 여기서, 인젝터(240)는, 원료 가스로서 소스로서 SiHCl3과 도펀트로서 B2H6와 PH3와 메인 스트림으로서 H2가 포함된 가스 등을 주입한다.
그리고, 열원에서 방출된 열이 히팅 와이어를 통하여 서셉터를 거쳐서 웨이퍼에 전달되는데, 이와 관련한 구성은 종래와 동일하므로 생략한다.
여기서, 상기 인젝터(240)에서 상술한 반응 가스 등이 바디(210) 내로 분사되고, 화살표로 도시된 경로를 따라 이동하여 상기 웨이퍼(230)의 에지로 공급된다.
그리고, 바디(210) 내에는 가이드(250)가 구비되어, 상기 인젝터(240)에서 분출된 반응 가스 등을 상기 웨이퍼(230)의 에지로 가이드(guide)한다.
여기서, 원료 가스로 사용되는 삼연화규소(Trichlorosilane; SiHCl3)는 공정온도가 1100~1150℃에서 사용되는데, 저온 성장일수록 웨이퍼 표면의 헤이즈(Haze) 레벨이 낮고 나노 품질 항목에서 유리하므로 약 1100℃로 낮춰서 진행한다.
여기서, 상술한 바와 같이 반응 가스의 접촉양이 적어서 온도차에 민감하게 반응하여 에피택셜층 프로파일의 에지에서 롤-오프가 발생할 수 있으므로, 반응 가스의 이동 거리를 단축시키고 유속을 증가시키기 위하여 가이드(250)를 설치하는 것이다.
즉, 도 4b에 도시된 종래의 챔버 구조에서는 반응 가스가 챔버 바디의 모서리까지 도달한 후 웨이퍼를 향하는데 비하여, 본 실시예에서는 가이드(250)를 따라서 진행하므로 반응 가스의 이동 거리가 단축된다.
따라서, 상기 가이드(250)는 상기 인젝터(240)의 반응 가스 분출구와 상기 웨이퍼(230)의 에지를 연결하는 가상의 선 상에 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 가이드(250)는 가이드단(250)a)과 고정단(250b)로 이루어져 있다. 여기서, 상기 가이드단(250a)은 상기 인젝터(240)에서 분출된 반응 가스를 가이드하며, 상기 고정단(250b)은 챔버의 바디(210)에 고정된다.
따라서, 상기 가이드(250) 중 가이드단(250a)의 측면이 상술한 인텍터(240)의 반응 가스 분출구와 웨이퍼(230)의 에지를 연결하는 가상의 선과 일치하는 것이 바람직하다. 즉, 가이드단(250a)의 삼각형 형상의 일면을 따라, 상기 인젝터(240)에서 분출된 반응 가스가 가이드된다.
그리고, 상기 가이드(250)는 상술한 반응 가스 등과 반응하지 않는 것이 바람직하며, 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 고정단(250b)과 상기 가이드단(250a)은 서로 수직하게 형성될 수 있는데, 고정단(250b)은 바디(210)의 측면과 나란하게 고정되고 가이드단(250a)은 상기 바디(210)의 측면과 수직하여 도 4a와 같이 인젝터(240)와 웨이퍼(230)의 에지를 연결하기 때문이다.
여기서, 상기 고정단(250b)은 도시된 바와 같이 육면체 형상으로 구비되어 그 일면이 챔버(200)의 바디(210)와 면접하여 고정될 수 있다.
그리고, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 인젝터(240)의 반응 가스 분출구의 폭은 상기 웨이퍼(230)의 폭을 수 있는데, 만약 웨이퍼의 폭이 더 크면 가이드(250)로 반응 가스를 모으는 효과가 크게 떨어질 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 웨이퍼의 에피택셜층 증착 장치의 효과를 종래와 비교한 도면이다.
도시된 바와 같이 도 6a에서는 가이드가 챔버 내에 구비되지 않으므로, 반응 가스의 접촉양이 적어서 온도차에 민감하게 반응하여 에피택셜층 프로파일의 에지에서 롤-오프가 발생한다.
그리고, 도 6b와 6c에서는 가이드에 따라 반응 가스의 이동 경로가 감소하고 웨이퍼의 에지 부분과의 접촉량이 증가하므로, 웨이퍼 에지 부분의 평탄도(flatness)가 개선됨을 알 수 있다.
또한, 반응 가스의 이동 거리가 더욱 감소된 도 6c에서 상술한 평탄도의 개선이 더욱 현저하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 220 : 서셉터 110 : 에피택셜층
120, 230 : 웨이퍼 130 : 열원
140 : 히팅 와이어 200 : 챔버
210 : 바디 240 : 인젝터
250 : 가이드 250a : 고정단
250b : 가이드단

Claims (7)

  1. 웨이퍼를 지지하는 서셉터가 구비된 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 일면에 구비되어 상기 웨이퍼에 반응 가스를 공급하는 인젝터; 및
    상기 반응 챔버 내에 구비되고, 상기 인젝터에서 공급된 반응 가스를 상기 웨이퍼의 에지로 가이드하는 가이드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 에피택셜층 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드는,
    상기 인젝터의 가스 분출구와 상기 웨이퍼의 에지를 연결하는 가상의 선 상에 구비된 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 에피택셜층 성장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드는,
    상기 챔버에 고정된 고정단과 상기 인젝터에서 분출된 반응 가스를 가이드하는 가이드단을 포함하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고정단과 상기 가이드단은 서로 수직한 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 고정단은,
    육면체 형상으로 구비되고 일면이 상기 챔버와 면접하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인젝터의 가스 분출구의 폭은 상기 웨이퍼의 폭보다 좁으며, 상기 가이드단은 단면이 삼각형을 이루고, 상기 인젝터에서 분출된 가스는 상기 가이드 단의 일면을 따라 상기 웨이퍼로 가이드되는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드는 석영(quartz)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에피택셜층 성장 장치.
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