KR20120057395A - 서셉터 및 반도체 제조장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 반도체 제조장치는 기판의 표면에 막을 형성시키는 반도체 제조장치의 서셉터에 있어서, 상기 서셉터는 기판과 접하는 상면을 포함하는 단층구조로 형성되고, 상기 서셉터의 저면은 곡면으로 형성된다.

Description

서셉터 및 반도체 제조장치{SUSCEPTOR AND SEMICONDUCTOR MANUFACTURING DEVICE}
본 발명은 서셉터(susceptor) 및 이를 내장한 반도체 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 기판(wafer) 상에 박막을 형성하는 기술 중에 화학적 방식을 이용하는 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition; CVD)은 소스 물질의 화학 반응을 이용하여 기판 표면상에 반도체 박막이나 절연막 등을 형성한다. 이러한 화학 기상 증착 방법은, 현재 기판 상에 실리콘 막, 산화물 막, 실리콘 질화물 막, 또는 실리콘 산질화물 막, 텅스텐 막 등과 같은 다양한 박막들을 증착하기 위해 이용되고 있다. 이들 화학 기상 증착에 사용되는 기판 로딩 장치로는 진공방식의 서셉터(susceptor)가 많이 사용되고 있다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 서셉터 및 반도체 제조장치를 제공한다.
실시예는 기판 또는 기판의 휘어짐을 감소하여 파장의 균일성이 개선된 서셉터 및 반도체 제조장치를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 반도체 제조장치는 기판의 표면에 막을 형성시키는 반도체 제조장치의 서셉터에 있어서, 상기 서셉터는 기판과 접하는 상면을 포함하는 단층구조로 형성되고, 상기 서셉터의 저면은 곡면으로 형성된다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 서셉터 및 반도체 제조장치를 제공한다.
실시예는 기판 또는 기판의 휘어짐을 감소하여 파장의 균일성이 개선된 서셉터 및 반도체 제조장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 3족 질화물 반도체층의 성장단계에 따른 기판의 곡률 변화의 일 예를 나타내는 그래프
도 2는 종래 서셉터 상의 기판에 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 제조장치를 개략적으로 나타낸 측 단면도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 서셉터의 평면도
도 5는 도 4의 B-B' 단면도
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 서셉터 상의 기판에 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조층들이 웨이퍼, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 서셉터 및 반도체 제조장치에 대해 설명한다.
도 1은 종래 3족 질화물 반도체층의 성장에서 웨이퍼의 곡률 변화의 일 예를 나타내는 그래프로서, 3족 질화물 반도체층의 성장에 앞서 행해지는 가열(예: 1100℃)에서 사파이어 웨이퍼는 일반적으로 아래로 오목하게(concave) 휘어진다. 이 오목한 휘어짐은 직접 가열되는 사파이어 웨이퍼의 하면과 가스가 공급되는 사파이어 웨이퍼의 상면 사이의 온도차에 기인하는 것이다.
이 전처리 과정 이후 버퍼층의 성장을 위해 온도가 낮추어지며, 이때 웨이퍼의 휘어짐은 감소된다. 이후, 도핑되지 않은 GaN과 GaN으로 된 n형 질화물 반도체층의 성장을 위해 온도가 높아지며, n형 질화물 반도체층의 성장에 따라 오목한 휘어짐의 정도가 증가하게 된다. 이때 웨이퍼의 오목한 휘어짐은 웨이퍼 상면과 하면의 온도차와 사파이어 웨이퍼와 3족 질화물 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하는 것이다.
다음으로, InGaN으로 된 활성층의 성장을 위해 온도가 낮추어지며, 웨이퍼의 휘어짐도 감소하게 된다. 다시, GaN으로 된 p형 질화물 반도체층의 성장을 위해 온도가 높아지며, 이 과정에서 웨이퍼의 휘어짐은 증가하게 되고, 상기 휘어짐은 p형 질화물 반도체층의 성장 동안에 지속된다.
3족 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 온도가 낮아짐에 따라 웨이퍼의 휘어짐은 감소하나, 최종적으로는 웨이퍼가 볼록하게 또는 오목하게 휘어진 상태로 형성될 수 있다.
도 2는 종래 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지이다.
종래 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 웨이퍼는 전체적으로 대칭적으로 아래로 오목한(concave) 형상을 갖는다. 이는 C면 사파이어 웨이퍼 위에 3족 질화물 반도체층을 성장시킬 때의 일반적인 물리 현상이라 할 수 있다.
그리고 이러한 휘어짐은 온도를 낮추어 활성층을 성장시킬 때도 유지되며, 이는 웨이퍼의 하부에 위치하는 히터에 의해 웨이퍼가 가열될 때, 웨이퍼의 에지부가 서셉터로부터 거리를 두게 되므로 웨이퍼의 중앙부와 웨이퍼의 에지부 사이에 온도의 불균일을 가져오게 된다.
도 2는 이러한 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지로서, 430 내지 450nm까지 발광 파장이 분포하여 웨이퍼를 양산 제품으로 사용하기 어렵게 된다. 즉, 하나의 사파이어 웨이퍼에서도 영역에 따라 서로 다른 발광 파장영역을 갖는 발광 다이오드가 생산된다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 서셉터 상에 로딩된 상기 사파이어 웨이퍼의 가열 상태가 전체 웨이퍼에 걸쳐 다르기 때문에 하나의 사파이어 웨이퍼에 형성되는 물질막인 질화막의 두께도 영역에 따라 심한 편차를 나타내고 이러한 편차에 따라 발광 다이오드 반도체 소자의 발광 파장의 특성이 나타나게 된다.
이를 방지하기 위하여 두꺼운 웨이퍼를 사용하면 웨이퍼의 휘어짐을 억제할 수는 있지만, 웨이퍼로부터 개별 발광 소자를 만드는데 어려움이 있다.
이와 같이, 하나의 서셉터 상에서 장착된 다수개의 사파이어 웨이퍼로부터 생산되는 발광 다이오드의 발광 파장영역이 균일하지 않고, 하나의 사파이어 웨이퍼에서도 생산되는 발광 다이오드의 발광 파장영역이 다양하게 나타나므로 신뢰성의 측면에서 이를 감소시킬 수 있는 서셉터가 요구된다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 제조장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 반도체 제조장치(20)는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), CVD(chemical vapor deposition) 등의 장비를 포함하게 되며, 이러한 장비를 이용하여 웨이퍼 상에 질화 갈륨계 반도체 발광소자, HEMT(high electron mobility transistor), FET(field effect transistor), 레이저 다이오드 등의 소자를 성장시켜 준다.
이러한 반도체 제조장치(20)는 반응 챔버(21), 서셉터(susceptor 또는 wafer carrier)(23), 회전축(26)을 포함하게 된다. 상기 반응 챔버(21) 내에는 소스 물질의 화학 반응을 이용하여 웨이퍼 표면상에 반도체 박막이나 절연막 등을 형성하기 위해 소스 물질이 유입된다.
이러한 반도체 제조장치(20)는 서셉터(23)의 포켓(230)에 안착되는 웨이퍼를 가열하면서 표면 상에 반응가스를 공급하여 반도체 박막이나 절연막 등을 기상 성장시킨다.
상기 서셉터(23)를 갖는 반도체 제조장치의 동작에 대해 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 설명의 편의를 위해 MOCVD 장비를 이용하는 것으로 설명하기로 한다.
상기 반응 챔버(21)에 연결된 가스 유입관(미도시)을 통하여 반응 챔버(21) 내에 원료 가스 및 캐리어 가스가 유입되면, 트릴메틸 알루미늄 가스, 암모니아 가스 및 수소 또는 질소로 된 캐리어 가스가 유입된다.
가스 유입관을 통해서 유입된 트릴메틸 알루미늄 가스와 암모니아 가스는 개별적으로 가스들끼리 반응하지 않도록 상기 반응챔버 내부로 안내되고, 웨이퍼는 히트 블록에 의해서 대략 1000℃의 온도로 가열됨과 동시에 원료 가스와 직접 접촉하는 반응챔버 내벽의 온도, 특히 서셉터(23) 상부의 온도도 상승하게 된다.
이에 따라, 트릴메틸 알루미늄 가스와 암모니아 가스의 기상 반응이 형성되고, 웨이퍼 상에 예를 들어, 질화알루미늄이 증착될 수 있다.
상기 반응 챔버(21)의 서셉터(23)에는 하나 이상의 포켓(230)이 형성되고, 하부에 결합된 회전축(26)에 의해 회전된다. 상기 포켓(230)에는 단층(240)이 형성되고 웨이퍼가 안착된다. 상기 포켓(230)의 지면 깊이는 웨이퍼의 사이즈에 따라 변경될 수 있다.
도 4를 참조하면, 서셉터(23)는 상면에는 하나 이상의 포켓(230)이 형성될 수 있다. 상기 포켓(230)의 개수는 바람직하게 1~50개 정도가 형성될 수 있다. 본 발명은 도 4과 같이 서셉터(23)의 상면(24)에 6개의 포켓(230: P1~P6)이 형성되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다.
도 5는 도 4의 B-B' 단면도이다. 도시된 바와 같이, 제1 포켓(P1)과 제 4포켓(P4)은 서셉터 상에서 대칭되어 있다. 서셉터(23)의 상면에 형성된 하나 이상의 포켓(230)은 단층(240) 및 곡면으로 형성되는 저면(250)을 포함하도록 형성되며, 상기 포켓(230)으로 웨이퍼가 장착될 수 있다. 이러한 서셉터(23)는 가열 수단으로서 MOCVD 장비의 반응 챔버 내의 온도 및 서셉터(23) 하부에 위치한 히트 블록(미도시)에 의해 가열되며, 하부의 회전축(26)에 의해 회전하게 된다. 여기서, 회전축(26)은 도시된 바와 같이 서셉터(23)의 하부에 형성된 회전축 결합홈(260)에 결합될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 단층(240)의 최상부는 고리 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 단층(240)의 상면의 높이가 동일한 원형의 띠(고리)로 형성되어 상기 띠 부분과 웨이퍼가 접촉하게 된다.
또한 웨이퍼와 접하게 되는 상기 단층(240)의 상면은 평평한 고리형상(Rim type) 또는, 상면의 일부가 돌출된, 즉 상면의 높이가 변하는 돌기형상(Tab type)으로 형성될 수 있다. 상기 돌기의 높이 및 간격은 동일하게 형성될 수 있고, 상이하게 형성될 수도 있다. 2인치 웨이퍼를 사용하는 경우 고리형상으로, 6인치 웨이퍼를 사용하는 경우 돌기형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 포켓(230)의 저면(250)은 오목(concave) 또는 볼록(convex)하게 형성될 수 있다.
오목 또는 볼록하게 형성된 상기 저면(250)의 중심으로부터 단층(240)까지의 수직 방향의 거리(h)는 웨이퍼의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 2인치 웨이퍼를 사용하는 경우 상기 포켓(230)의 저면(250)은 볼록하게 형성될 수 있고, 상기 저면(250)의 중심으로부터 단층(240)까지의 수직 방향의 거리(h)는 20μm 내지 50μm, 바람직하게는 20μm 내지 30μm의 값을 갖도록 형성할 수 있고, 6인치 웨이퍼를 사용하는 경우 상기 포켓(230)의 저면(250)은 오목하게 형성될 수 있고, 상기 저면(250)의 중심으로부터 단층(240)까지의 수직 방향의 거리(h)는 h는 20μm 내지 80μm, 바람직하게는 30μm 내지 50μm의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 구성과 같이 포켓(230)의 저면(250)이 오목하게 형성되므로 웨이퍼의 중앙부분(inner area)에 가해지는 열이 둘레영역(outer area)에 가해지는 열의 온도보다 낮아지게 되어 웨이퍼가 오목하게 휘어지는 현상을 감소시킬 수 있다.
서셉터 내에 형성된 포켓의 단차 및 저면(250)의 형상은 동일하게 형성하거나, 임의의 포켓에 대해서만 같은 형상으로 형성할 수도 있다.
본 발명의 서셉터는 카본(Carbon) 재질로 제작될 수 있으며, 상기 서셉터의 표면 및 포켓(230)을 포함한 서셉터 전체는 실리콘 카바이드(Silicon carbide, SiC)가 코팅될 수 있다.
여기서, 본 발명에 의한 서셉터의 표면에 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 나이트라이드 막을 코팅함으로써, 불산을 이용한 화학적 세정에 의해 카본 재질의 서셉터가 손상되는 것을 방지하고 특성 저하를 방지할 수 있다.
여기서, 상기 실리콘 카바이드 막의 증착 두께는 70μm 내지 150μm가 적합하다.
도 6은 실시예에 따른 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후 하나의 웨이퍼의 발광 파장 분포의 일 예를 나타내는 이미지이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 비해 437 내지 445nm까지 발광 파장이 상대적으로 제어된 웨이퍼를 얻을 수 있다. 즉, 하나의 사파이어 웨이퍼에서 영역에 따른 파장영역의 편차가 감소된 발광 다이오드가 생산된다.
이상에서 검토한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 웨이퍼의 휘어짐에 의한 파장의 불균일성을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 웨이퍼의 둘레 영역과 내부 영역의 발광 다이오드 소자 특성이 거의 유사하여 서로 다른 발광 파장 영역을 갖는 발광 다이오드가 생성되는 것을 최소화할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판의 표면에 막을 형성시키는 반도체 제조장치의 서셉터에 있어서,
    상기 서셉터는 기판과 접하는 상면을 포함하는 단층구조로 형성되고, 상기 서셉터의 저면은 곡면으로 형성되는 서셉터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터의 저면은 오목 또는 볼록의 형상으로 형성되는 서셉터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는 카본(Carbon) 재질 또는 알루미늄 나이트라이드(Aluminium Nitride)를 포함하는 서셉터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판이 6인치인 경우, 상기 저면은 오목의 형상으로 형성되고 상기 저면의 중심으로부터 상기 상면까지의 수직 방향의 거리는 40 내지 80μm의 값을 갖는 서셉터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 웨이퍼가 2인치인 경우, 상기 저면은 볼록한 형상으로 형성되고 상기 저면의 중심으로부터 상기 상면까지의 수직 방향의 거리는 20μm 내지 50μm의 값을 갖는 서셉터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 접하는 상면의 높이는 동일하게 형성되는 서셉터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 접하는 상면은 적어도 일부 영역에서 돌출된 서셉터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단층은 2단 이상으로 형성되는 서셉터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 C면 사파이어 웨이퍼인 서셉터.

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