KR20120118416A - 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법 및 장치 - Google Patents

공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치로서, 상부 돔, 하부 돔 및 측벽에 의해 한정되는 반응기 챔버와, 재료 층의 증착 동안 기판 웨이퍼를 보유하는 서셉터와, 서셉터를 둘러싸는 예열 링과, 라이너와, 라이너와 예열 링 사이에서 기능하는 스페이서를 포함하고, 예열 링은, 균일한 폭을 갖는 간극이 예열 링과 서셉터 사이에 존재하는, 중심 위치에 라이너상에서 지지되며, 스페이서는 예열 링을 중심 위치에 유지시키고 예열 링과 라이너 사이에 거리 △를 형성하는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치에 관한 것이다.

Description

공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DEPOSITING A MATERIAL LAYER ORIGINATING FROM PROCESS GAS ON A SUBSTRATE WAFER}
본 발명은 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치 및 이런 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로는, 본 발명은 화학 기상 증착(CVD)으로 재료 층을 증착하는 장치, 예컨대 실리콘과 같은 반도체 재료로 이루어진 기판 웨이퍼상에 에피텍셜 층(epitaxial layer)을 증착하는 장치에 관한 것이다.
공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치의 기본 구성은 공지되어 있으며, 예컨대 국제공개공보 제2007/050309 A1호의 개시 내용으로부터 명확히 알 수 있다. 따라서, 이런 장치는 상부 돔, 하부 돔 및 측벽에 의해 한정되는 반응기 챔버를 포함한다. 복사 가열 시스템이 반응기 챔버 상부 및 하부에 배열되어, 재료 필름의 증착 동안, 기판 웨이퍼 위로 안내된 공정 가스가 활성화되어 공정 가스의 성분에서 유발된 재료 층이 기판 웨이퍼의 표면상에 형성되도록, 충분한 열을 생성한다. 기판 웨이퍼는 예열 링에 의해 둘러싸인 서셉터(susceptor)에 의해 보유된다. 예열 링은 반응기 챔버의 측벽의 일부분인 라이너상에 위치된다. 예열 링은 기판 웨이퍼로 안내되는 공정 가스의 가열을 지원하는 기능을 한다. 공급 및 배출 개구가 공정 가스를 공급하고 공정 가스에서 유발된 폐가스를 방출하기 위해 측벽에 통합된다.
일본특허출원 제2006049503 A2호에는 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼상에 에피텍셜 필름을 증착하는데 사용되는 장치가 개시되어 있다.
이 장치는 상술된 기본 구성을 가지며, 반응기 챔버의 측벽에 통합된 추가의 공급 및 배출 개구를 또한 갖는다. 추가의 공급 및 배출 개구는, 서셉터 하부에 존재하는 반응기 챔버의 체적부 내로 세정 가스를 공급하고 이런 체적부로부터 세정 가스를 방출하는 기능을 한다. 일본특허출원 제2006049503 A2호의 개시 내용에 따르면, 기체 화합물은 예열 링과 서셉터 사이의 간극을 통해 성장한 에피텍셜 층으로 진행하여 반도체 웨이퍼의 에지 영역의 에피텍셜 층의 저항률(resistivity)을 변화시킬 수 있다. 이런 "오토도핑(autodoping)"을 방지하기 위해, 일본특허출원 제2006049503 A2호는 간극을 덮는 것을 제안한다.
본 발명의 발명자는 국제공개공보 제2007/050309 A1호 또는 일본특허출원 제2006049503 A2호에 개시된 장치와 대체로 유사하게 구성된 장치를 이용할 때의 문제점을 고려할 필요가 있다는 것을 알게 되었다.
왜냐하면, 기판 웨이퍼의 직경을 고려하면, 실리콘으로 이루어진 에피텍셜 증착 층의 저항률의 반경 방향 프로파일이 현저하게 비대칭이 될 위험성이 존재하기 때문이다. 이상적으로, 프로파일은 대칭이거나 적어도 거의 대칭이다.
또한, 입자들이 증착 재료 층을 비교적 강하게 오염시킬 것이라는 것도 예상하여야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 기술된 문제점을 방지하는 해결책을 제공하는 것이다.
이런 목적은, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치로서, 상부 돔, 하부 돔 및 측벽에 의해 한정되는 반응기 챔버와, 재료 층의 증착 동안 기판 웨이퍼를 보유하는 서셉터와, 서셉터를 둘러싸는 예열 링과, 라이너와, 라이너와 예열 링 사이에서 기능하는 스페이서를 포함하고, 예열 링은, 균일한 폭을 갖는 간극이 예열 링과 서셉터 사이에 존재하는, 중심 위치에 라이너상에서 지지되며, 스페이서는 예열 링을 중심 위치에 유지시키고 예열 링과 라이너 사이에 거리 △를 형성하는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치에 의해 달성된다.
서셉터 및 기판 웨이퍼는 재료 층을 기판 웨이퍼상에 층착하는 동안 서셉터 및 기판 웨이퍼의 중심부를 중심으로 회전된다. 이런 회전 운동을 하지 않는 예열 링은 재료 층을 기판 웨이퍼상에 층착하는 동안 중심 위치에 유지되어야 한다. 본 발명의 발명자는, 증착 공정의 개시시에는 중심 위치에 놓여 있을 거라 추정되는 예열 링이 증착 공정 동안 비제어식으로 중심 위치를 이탈한다는 점 때문에 기술된 문제점이 해결된다는 것을 알게 되었다. 그 이유는 열 팽창으로 인한 예열 링과 라이너 사이의 반경 방향 상대 이동 때문이며, 이런 상대 이동은 예열 링과 라이너의 재료의 상이한 열 팽창 성질에 기인한다.
라이너에 대한 예열 링의 변위는 첫째로, 예열 링이 중심 위치에 유지되는 통상적인 경우 예열 링과 서셉터 사이의 간극의 폭이 균일하게 유지되지 않게 한다. 간극의 폭은 증착 공정 동안 서셉터의 주연부를 따라 변동되기 시작한다. "오토도핑" 효과는 간극이 더 넓은 지점에서 강화되는데, 왜냐하면 그런 위치에선 더 많은 가스가 간극을 통과하여 재료 층을 성장시킬 수 있기 때문이다.
라이너에 대한 예열 링의 변위는 둘째로, 입자들이 마찰로 인해 발생하여 증착된 재료 층으로 진행하여 증착된 재료 층을 오염시킨다. 예열 링의 변위는 예열 링과 서셉터가 서로 접촉하여 입자 형성을 강하게 증가시킬 수도 있다. 이런 이유로, 예열 링과 서셉터 사이의 간극은 적어도 2mm의 폭을 반드시 갖도록 주의해야 한다. 그러나, 이런 간극의 폭은 기술된 "오토도핑" 효과를 촉진시킨다.
기술된 문제점을 방지하기 위해, 청구된 본 발명의 장치는 라이너와 예열 링 사이에서 기능하는 스페이서를 가지며, 이런 스페이서는 예열 링의 열 팽창 및 라이너의 열 팽창에 관계없이 예열 링을 중심 위치에 유지시키고 예열 링과 라이너 사이에 거리 △를 형성한다. 이런 식으로, 예열 링과 라이너 사이의 직접 접촉이 완전히 또는 거의 완전히 방지된다. 접촉되지 않기 때문에, 재료 필름의 증착 동안 열 팽창으로 인한 예열 링과 라이너 사이의 반경 방향 상대 이동으로 인한 입자 형성이 더 이상 유발되지 않는다.
본 발명의 장치의 서셉터 및 예열 링은 바람직하게는 국제공개공보 제2007/050309 A1호에 개시된 장치에 적절한 것으로 기재된 재료, 특히 바람직하게는 실리콘 카바이드로 이루어진다. 예열 링은 바람직하게는 국제공개공보 제2007/050309 A1호의 예열 링에 적절한 것으로 기재된 형태를 갖는다.
본 발명의 장치의 상부 돔과 하부 돔 및 라이너는 적외선(IR radiation)에 투과성인 재료, 바람직하게는 석영으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스페이서는 예열 링 및 라이너의 적절한 성형에 의해 형성된다. 이런 성형은, 예컨대 라이너의 홈에 위치되는 웨지형 돌출부를 갖는 예열 링에 특징이 있을 수 있으며, 돌출부의 개방 각도는 홈의 개방 각도보다 크다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 스페이서는, 예열 링을 중심 위치에 그리고 라이너 위의 특정 거리에 고정시키는, 활주 볼에 의해 형성된다. 본 발명은 본 발명의 실시예에 기초하여 그리고 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명된다.
본 발명에 따르면, 예열 링의 열 팽창 및 라이너의 열 팽창에 관계없이 예열 링을 중심 위치에 유지시키고 예열 링과 라이너 사이에 0.01mm 이상 2mm 이하의 균일한 거리 △를 형성하는 스페이서를 가짐으로써, 재료 필름의 증착 동안 열 팽창으로 인한 예열 링과 라이너 사이의 반경 방향 상대 이동으로 인한 입자 형성이 더 이상 유발되지 않으며 반도체 웨이퍼의 에피텍셜 증착 층의 저항률의 반경 방향 프로파일이 거의 대칭이고 균일하여, 오토도핑 및 실리콘 웨이퍼의 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구성요소를 갖춘 반응기 챔버의 도면.
도 2는 서셉터, 예열 링 및 라이너의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 구성요소를 도시하는 상세도.
도 4는 예 및 비교예에 기초한 실리콘 웨이퍼상에 에피텍셜 증착된 실리콘 층의 저항률의 반경 방향 프로파일의 도면.
도 5 및 도 6은 에픽텍셜 증착된 실리콘 층을 갖는 실리콘 웨이퍼에 대해 수행된 입자 측정의 결과를 도시하는 도면.
도 1은, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치의 통상적인 구성요소를 갖고 본 발명에 따른 구성요소를 포함하는, 반응기 챔버를 도시한다. 도시된 구성요소는 상부 돔(1), 하부 돔(2) 및 측벽(3)을 포함한다. 기판 웨이퍼(4)는 예열 링(6)에 의해 둘러싸인 서셉터(5)에 의해 보유된다. 예열 링(6)은 반응기 챔버의 측벽(3)의 일부인 라이너(7)상에 위치된다. 예열 링(6)과 라이너(7) 사이의 스페이서로서 기능하는 활주 볼(8)이 예열 링의 에지 구역에 분배된다. 활주 볼은 바람직하게는 실리콘 카바이드로 이루어지며, 활주 볼의 개수는 바람직하게는 3개 내지 8개, 특히 바람직하게는 4개이다.
도 2는 서셉터(5), 예열 링(6), 라이너(7), 및 예열 링(6)의 둘레에 분배된 4개의 활주 볼(8)의 위치를 도시하는 평면도이다.
도 3으로부터 명확한 바와 같이, 활주 볼(8)은 예열 링(6) 및 라이너(6)에 부분적으로 매설된다. 활주 볼(8)은 각각의 경우, 예열 링(6)이 예열 링 자체의 열 팽창 및 라이너(7)의 열 팽창에 관계없이 중심 위치에 유지되고 예열 링 아래에 배열된 라이너(7)와 접촉되지 않는 결과로, 반경 방향으로 연장된 장형 구멍(9) 내에 위치된다.
활주 볼(8)에 인접하는 구역의 예열 링(6)과 라이너(7) 사이의 거리 △는 바람직하게는 0.01mm 이상 2mm 이하이다. 거리가 더 작은 경우, 마찰로 인한 입자 발생의 위험성이 증가한다. 거리가 더 큰 경우, 서셉터 하부의 체적부로부터의 가스가 "오토도핑"을 유발하고 그리고/또는 반응기 벽에 퇴적될 위험성이 증가한다.
"오토도핑" 효과에 대응하기 위해, 예열 링(6)과 서셉터(5) 사이의 간극 D는 바람직하게는 0.1mm 이상 2mm 이하의, 특히 바람직하게는 1mm 이하의 균일한 폭을 갖는다. 간극 D가 0.1mm보다 작은 경우, 예열 링(6)은 열 팽창으로 인해 서셉터(6)에 접촉할 수 있다. 간극 D가 2mm보다 큰 경우, 상당한 "오토도핑" 효과를 예상하여야 한다.
예열 링(6)의 외측 방향 경계부와 예열 링(6)의 외측 방향 경계부에 대향하게 위치된 라이너(7)의 내측 방향 경계부 사이의 거리 d는 바람직하게는 0.1mm 이상 1.9mm 이하이다. 거리가 더 작은 경우, 라이너(7)와 예열 링(6)이 열 팽창으로 인해 서로 접촉할 위험성이 증가한다.
예 및 비교예:
본 발명의 유리한 효과는, 증착된 층의 저항률의 반경 방향 프로파일 또는 증착된 층상에서 검출된 입자의 개수와 같은 성질이 실리콘으로 이루어진 에피텍셜 증착 층을 갖춘 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼의 경우와 비교되는 경우에 명확해진다.
도 4는 예 및 비교예에 기초하여 실리콘 웨이퍼상에 에피텍셜 증착된 실리콘 층의 저항률의 반경 방향 프로파일을 도시한다. 도면은 5개의 측정 지점의 반경 방향 위치 P 및 실리콘 웨이퍼의 직경을 따르는 관련된 저항률 R의 경우를 도시한다. 원형으로 도시된 측정 지점은 본 발명에 따른 스페이서가 없는 장치에서 코팅된 비교예에 따른 실리콘 웨이퍼를 나타낸다. 저항률의 반경 방향 프로파일은 확실히 비대칭이며 실리콘 웨이퍼의 중심 구역에 비해 실리콘 웨이퍼의 에지 구역에서 상당히 감소한다는 것을 보여준다. 장방사형으로 도시된 측정 지점으로 나타내진 바와 같이, 예에 따른 반도체 웨이퍼의 에피텍셜 증착 층의 저항률의 반경 방향 프로파일은 거의 대칭이며 거의 균일하였다. 예에 따른 실리콘 웨이퍼는 본 발명에 따른 스페이서를 포함하는 장치에서 비교예에 따른 실리콘 웨이퍼와 동일한 공정 조건하에서 코팅되었다.
도 5 및 도 6은 실리콘으로 이루어진 에피텍셜 증착 층을 갖는 실리콘 웨이퍼에 대해 수행된 입자 측정의 결과를 도시한다. 도면은 비교예 및 예에 따라 코팅된 25개의 실리콘 웨이퍼 각각의 경우에 대해 산란 광 측정에 의해 검출된 입자의 위치를 복합적으로 보여주는 맵을 도시한다. 예(도 6)에 따른 실리콘 웨이퍼는 상당히 적게 입자로 오염되었으며, 비교예(도 5)에 따른 실리콘 웨이퍼와 같은 예열 링에 인접한 에지 구역에서의 입자 축적이 없다는 것을 보여준다.
1 : 상부 돔
2 : 하부 돔
3 : 측벽
4 : 기판 웨이퍼
5 : 서셉터
6 : 예열 링
7 : 라이너
8 : 활주 볼

Claims (7)

  1. 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치이며,
    상부 돔, 하부 돔 및 측벽에 의해 한정되는 반응기 챔버와,
    재료 층의 증착 동안 기판 웨이퍼를 보유하는 서셉터와,
    서셉터를 둘러싸는 예열 링과,
    라이너와,
    라이너와 예열 링 사이에서 기능하는 스페이서를 포함하고,
    상기 예열 링은, 균일한 폭을 갖는 간극이 예열 링과 서셉터 사이에 존재하는, 중심 위치에 라이너상에서 지지되고,
    상기 스페이서는 예열 링을 중심 위치에 유지시키고 예열 링과 라이너 사이에 거리 △를 형성하는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 간극은 0.1mm 이상 2mm 이하인, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예열 링의 외측 방향 경계부와 상기 외측 방향 경계부에 대향하게 위치된 라이너의 내측 방향 경계부 사이의 거리는 0.1mm 이상 1.9mm 이하인, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스페이서에 인접한 구역의 예열 링과 라이너 사이의 거리 △는 0.01mm 이상 2mm 이하인, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활주 볼이 스페이서를 형성하고, 활주 볼은 예열 링의 에지 구역에 분배되고 예열 링 및 라이너에 부분적으로 매설되는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 장치.
  6. 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법이며,
    예열 링 위의 공정 가스를 제1항 또는 제2항에 따른 장치의 서셉터에 의해 보유되는 기판 웨이퍼로 안내하는 단계를 포함하는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 기판 웨이퍼는 증착 동안, 간극이 예열 링과 서셉터 사이에 존재하는 중심 위치에 보유되고,
    상기 간극은 0.1mm 이상 2mm 이하의 균일한 폭을 갖는, 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법.
KR1020120038146A 2011-04-18 2012-04-12 공정 가스에서 발생된 재료 층을 기판 웨이퍼상에 증착하는 방법 및 장치 KR101461272B1 (ko)

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