KR20140049474A - 에피택셜 성장용 서셉터 및 에피택셜 성장방법 - Google Patents

에피택셜 성장용 서셉터 및 에피택셜 성장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 챔버 내에서 웨이퍼와 소스 가스를 반응시켜 에피택셜층을 성장시킨 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 서셉터로서, 상기 웨이퍼가 배치되는 개구부가 형성된 포켓; 상기 웨이퍼가 지지되는 렛지부 및 상기 서셉터 개구부 윗면의 외주부에 형성되는 가스조절 부재를 포함하고, 상기 가스조절 부재는 상기 웨이퍼 <110> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재와, 상기 웨이퍼 <100> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 제2 가스조절 부재 및 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재 사이에 형성되는 제3 가스조절 부재를 포함하고, 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재, 상기 제3 가스 조절 부재는 상기 웨이퍼 원주를 따라 형성되는 영역의 크기가 서로 다르도록 형성되며, 상기 제1, 제2 및 제3 가스조절 부재는 가스의 유량을 변화시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로의 경사도가 서로 다르도록 형성된다. 따라서, 서셉터의 외주부에 가스 흐름 증가 및 감소 장치(가스조절 부재)가 형성되는 영역을 다르게 형성함으로써, 반도체 웨이퍼에 에피택셜층을 형성시 웨이퍼 에지부의 에피층 두께의 편차를 감소시킬 수 있다.

Description

에피택셜 성장용 서셉터 및 에피택셜 성장방법{Susceptor for Epitaxial Growth And Epitaxial Growth Method}
본발명은 에피택셜 웨이퍼를 제작하기 위한 서셉터에 관한 것으로, 특히 웨이퍼 에지부의 평탄도를 제어하기 위한 서셉터에 관한 것이다.
붕소(B)등의 불순물이 도핑되어 낮은 비저항을 가지는 실리콘 웨이퍼 상에 상대적으로 불순물이 적게 도핑되어 높은 비저항을 가지는 실리콘 에피택셜층을 기상 성장시킨 실리콘 에피택셜 웨이퍼는, 높은 게더링 능력과 낮은 레치업(latch-up)특성, 그리고 고온에서 슬립(slip)에 강한 특징을 가지고 있어, 최근 MOS 소자뿐 아니라 LSI 소자 제조용 웨이퍼로 널리 이용되고 있다.
이러한 에피택셜 웨이퍼에 대해 요구되는 품질 항목으로는, 기재 기판과 에피택셜층을 포함한 에피택셜 웨이퍼의 표면에 대한 항목으로서 평탄도, 입자 오염 정도 등이 있고, 에피택셜 자체에 대한 항목으로서 에피택셜층의 두께 균일도, 비저항 및 그 균일도, 금속 오염, 적층 결함, 슬립 전위 등이 있다.
이중 평탄도는 에피택셜 웨이퍼 상에 반도체 소자를 제조하는 과정에서 사진 식각 공정과 CMP(chemical mechanical polishing) 공정, 그리고 SOI(Silicon On Insulator)웨이퍼를 위한 접합 공정 등에 많은 영향을 미친다. 특히 웨이퍼의 가장자리가 밀려 올라가거나 내려가는 ERO(Edge Roll-off)는 사진 식각 공정에서의 디포커스(defocus), CMP 공정에서의 연마 균일도, SOI 접합 공정에서의 접합 불량 등에 큰 영향을 미치고 있으며, 웨이퍼의 직경이 300mm 이상으로 커짐에 따라 웨이퍼 가장자리의 평탄도는 에피택셜 웨이퍼의 품질 항목에서 중요도가 점점 커지고 있기에, 에피택셜 웨이퍼의 가장자리의 평탄도가 왜곡되는 현상의 원인을 규명할 필요가 있다.
기판이 되는 반도체 웨이퍼는 전체적으로 균일한 막두께를 얻기 위해 소정의 회전 속도로 에피택셜 제조장치의 챔버 내부에 장착되어 에피택셜층을 형성하면서 회전한다. 따라서, 웨이퍼의 결정 방위는 에피택셜 제조 장치에 대해 항상 변화하게 된다. 즉, 상기 웨이퍼는 포켓(Pocket)을 가지는 서셉터에 고정되기 때문에 웨이퍼의 결정 방위는 서셉터에 대해 일정하게 고정된다.
웨이퍼 가장자리의 두께는 웨이퍼가 서셉터에 놓인 채로 회전하므로 결정 방위에 따라 주기적으로 증감하는 차이가 생기게 된다.
도 1은 웨이퍼의 결정 방위를 나타낸 도시도이며, 도 2 는 종래 웨이퍼에 에피택셜층을 증착할 시 방위별로 포켓의 높이가 일정한 서셉터를 사용한 경우 웨이퍼의 방위에 따라 증착되는 에피택셜층 두께를 나타낸 그래프이다.
우선 도 1을 참조하면, 웨이퍼의 (100)면의 3시 방향을 0도라 하였을 시 상기 0도 방향은 <110>결정 방위가 되며, 상기 <110>결정 방위에 대해 45도 이동한 방향은 <110>결정 방위가 된다. 즉, <110> 및 <110>결정 방위는 90도를 주기로 같은 결정 방위를 나타내게 된다.
도 2를 참조하면, 도 1의 웨이퍼의 방위에 따라 증착되는 에피택셜막 두께의 편차가 가장 크게 나타난 부분을 도시한 그래프이다. 직경이 300㎜인 웨이퍼에 대해 특히, 상기 웨이퍼의 중심으로부터 149㎜지점의 에지부의 에피택셜층의 두께는 웨이퍼의 180도 부근인 <110>방위에서 가장 두껍게 형성되고, 135도 및 225도 부근인 <100>방위에서는 가장 얇게 형성되는 평가결과가 도출되었다.
웨이퍼 방위에 따른 결정면의 특성에 따라 에피택셜층의 성장 속도가 달라지고, 웨이퍼 에지부 에피택셜층의 두께의 편차가 발생하게 된다.
이는, 결국 웨이퍼의 <110>결정 방위에서는 에피택셜층의 성장이 증가하고, 웨이퍼의 <100>결정 방위에서는 에피택셜층의 성장이 상대적으로 감소되는 것을 의미한다.
따라서, 웨이퍼의 에지부에는 45도를 주기로 에피택셜층의 두께의 편차가 발생하는 구간이 존재하게 되며, 상기와 같이 두께의 편차가 심화됨에 따라 웨이퍼의 품질에 영향을 미치며, 반도체 소자를 형성하는 점에 있어 많은 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에피택셜 웨이퍼 표면의 평탄도를 향상시키기 위한, 특히 가장자리부의 두께를 균일하게 제어하기 위한 서셉터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 챔버 내에서 웨이퍼와 소스 가스를 반응시켜 에피택셜층을 성장시킨 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 서셉터로서, 상기 웨이퍼가 배치되는 개구부가 형성된 포켓; 상기 웨이퍼가 지지되는 렛지부; 및 상기 서셉터 개구부 윗면의 외주부에 형성되는 가스조절 부재;를 포함하고, 상기 가스조절 부재는 상기 웨이퍼 <110> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재와, 상기 웨이퍼 <100> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 제2 가스조절 부재 및 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재 사이에 형성되는 제3 가스조절 부재를 포함하고, 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재, 상기 제3 가스 조절 부재는 상기 웨이퍼 원주를 따라 형성되는 영역의 크기가 서로 다르도록 형성되며, 상기 제1, 제2 및 제3 가스조절 부재는 가스의 유량을 변화시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로의 경사도가 서로 다르도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본발명에 의하면, 반도체 웨이퍼에 에피택셜층을 형성시, 서셉터의 외주부에 가스 흐름 증가 및 감소 장치(가스조절 부재)가 형성되는 영역을 다르게 형성함으로써 웨이퍼 에지부의 에피층 두께의 편차를 감소시킬 수 있다.
그리고, 반도체 웨이퍼에 에피택셜층을 형성시, 서셉터의 외주부에 가스흐름 증가 및 감소 장치(가스조절 부재)를 웨이퍼의 결정 방위별로 다르게 형성함으로써, 웨이퍼 에지부의 에피층 두께를 균일하도록 제어할 수 있다.
또한, 가스조절 부재의 높이 및 각도를 웨이퍼의 결정 방위에 따라 변경함으로써, 웨이퍼의 구역별로 가스 흐름을 미세하게 조정할 수 있으므로 웨이퍼 에지부의 에피층 두께를 일정하게 제어할 수 있다.
그리고, 본발명의 실시예에 따른 가스 조절 장치를 구비한 서셉터에 의하면, 평탄도가 균일한 반도체 웨이퍼를 제공할 수 있게 되어, 소자가 형성되는 반도체 웨이퍼의 고품질화 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 반도체 웨이퍼의 결정 방위를 나타내는 도시도
도 2는 종래의 서셉터를 사용할 시 웨이퍼 결정 방위에 따른 에피층 두께를 소정의 부분만 나타낸 도면
도 3은 웨이퍼의 결정 방향에 따라 웨이퍼 에피층 두께의 증감이 일어나는 영역을 도시한 평면도
도 4는 에피택셜 웨이퍼를 제작하기 위한 서셉터의 구조를 나타내는 도면
도 5는 비교예 1에 따라 웨이퍼 에지부의 에피층 두께를 측정한 그래프
도 6a는 비교예 2에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 평면도
도 6b는 비교예 2에 따라 웨이퍼 에피층의 두께를 에지부 전구간에서 나타낸 그래프
도 6c는 도 6b에서 소정의 영역을 나타낸 그래프
도 7a는 비교예 2에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 도면
도 7b는 실시예에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 도면
도 7c는 실시예에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 평면도
도 8a는 실시예에 따른 가스조절 부재를 형성한 경우 평가한 웨이퍼 에지부 두께를 나타낸 그래프
도 8b는 도 8a에서 소정의 영역을 나타낸 그래프
도 9a는 실시예에 따른 서셉터의 포켓 상부 영역만을 정면에서 바라본 도면
도 9b는 다른 실시예에 따른 서셉터의 포켓 상부 영역만을 정면에서 바라본 도면
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 서셉터를 나타낸 단면도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
반도체 웨이퍼는 균일한 막두께를 형성하기 위해 소정의 회전 속도로 에피택셜 제조장치의 챔버 내부에 구비되는 서셉터에 지지되어 회전한다. 일반적으로, 에피택셜층의 성장 속도는 에피택셜 성장용 가스의 유량, 실리콘 성분의 농도, 온도 등에 의존하기 때문에 상기의 요소들을 변화시킬 수 있는 부재를 웨이퍼가 지지되는 포켓의 개구부의 내주면 부근에 구비하는 것이 바람직하다. 본실시예에서는 웨이퍼의 주변부 평탄도를 개선하기 위하여 가장자리를 따라 흐르는 가스의 유량을 제어하고자, 서셉터의 개구부 부근 윗면에 형성되는 가스조절 부재를 통해, 결정 방위별 에피층 두께를 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 여러가지 비교예를 통해 결정 방위별로 다르게 형성되는 가스조절 부재의 영역을 제어하고자 한다.
실리콘 단결정의 경우 (100)결정에 있어서, 에피택셜층의 성장 속도는 결정 방위 의존성이 있는 것으로 알려져 있으며, 가장자리 영역으로 갈수록 심화되고 성장 속도가 달라짐으로 인하여 웨이퍼 주변부의 두께는 90도를 주기로 에피택셜막 두께에 증감이 생기게 된다.
도 3은 웨이퍼의 결정 방향에 따라 웨이퍼 에피층 두께의 증감이 일어나는 영역을 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 웨이퍼의 중심을 기준으로 <100>결정 방위를 갖는 3시 방향을 0도라 가정하면, 0도, 90도, 180도, 270도를 기준으로 소정의 각도를 갖는 영역은 웨이퍼 에피층 두께가 상대적으로 두껍게 형성되는 영역이며, 상기와 같은 기준으로 45도, 135도, 225도, 315도를 기준으로 하는 소정의 영역은 웨이퍼 에피층의 두께가 상대적으로 얇게 형성되는 영역을 나타낸다. 물론, 웨이퍼 회전에 따라 상기의 각은 결정 방위에 의존하여 변동될 수 있다.
이후의 설명에서, 상기 0도, 90도, 180도, 270도 각각을 기준으로 소정 범위 이내의 영역은 Higher 영역, 45도, 135도, 225도, 315도 기준으로 소정 범위 이내의 영역은 Lower 영역, 그리고 상기 Higher 영역과 Lower 영역 사이의 영역은 Buffer 영역이라 칭하기로 한다. 구체적으로 상기 Higher 영역과 Lower 영역 및 Buffer 영역은 웨이퍼 에지부의 평탄도를 제어하기 위해 가스조절 부재가 형성되는 서셉터 상의 영역을 의미한다. 즉, 웨이퍼의 <100> 결정방향을 중심으로 소정의 각도로 형성되는 Lower 영역, <110> 결정방향을 중심으로 소정의 각도로 형성되는 Higher 영역을 정의할 수 있으며, 상기 Lower 영역과 Higher 영역 사이의 소정의 영역을 Buffer 영역이라 정의할 수 있다.
도 4는 에피택셜 웨이퍼를 제작하기 위한 서셉터의 구조를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 반도체 웨이퍼(5)는 서셉터(susceptor, 10)의 개구부인 포켓(pocket, 20)내에 형성되는 렛지(ledge)부(41)에 의하여 지지된다. 상기 포켓(20)은 기본적으로 평탄한 밑면을 가지는 원형의 오목형상으로 형성되고 상기 렛지부(41)와, 바닥부(42)를 포함하고, 상기 포켓(20)의 내측의 오목형상 내에 웨이퍼가 수용될 수 있다. 즉, 포켓의 형상은 내주면(21) 및 밑면에 의해 정의되며, 렛지부(41)는 내주면(21)으로부터 내주측으로 소정의 길이만 늘어나는 테이퍼 모양의 윗면을 가지면서 개구부의 둘레 방향을 따라 밑면에 형성된다. 상기 렛지부(41)는 반도체 웨이퍼의 접촉을 가능한 적게 하며 상기 웨이퍼(5)를 확실히 지지하기 위해, 윗면이 테이퍼 면을 가지면서 포켓의 밑면이 되는 구조이다.
상기와 같은 서셉터가 반응 챔버(미도시) 내부에 구비되고, 에피택셜 성장용 가스가 주입되면서 웨이퍼(5)에 에피택셜층이 형성된다. 여기서, 가스 분사구는 서셉터의 외주측(미도시)에 구비되며, 소스 가스는 서셉터 외주에서 웨이퍼가 있는 내주 방향으로 흐르게 된다. 즉, 소스 가스는 서셉터 개구부의 윗면(22)을 지나 웨이퍼에 도달하며, 상기 개구부가 직각으로 경사진 포켓의 내주면의 길이는 포켓의 높이(H)로 정의할 수 있으며, 상기 포켓의 높이(H)는 가스의 흐름에 영향을 주는 요소이다.
본 발명에서는 상기 서셉터 개구부의 윗면(22)에 가스조절 부재를 형성함으로써, 서셉터 외주에서 웨이퍼 방향으로 흐르는 가스 유량을 조절하여 특히 웨이퍼 에지부의 두께의 편차를 감소시킬 수 있는 서셉터의 구조를 제안한다.
이하에서는 비교예와 실시예와의 비교를 통해 본 발명을 실시하기 위한 서셉터의 바람직한 구조에 대해 살펴보기로 한다.
(비교예 1)
비교예 1은 도 4에서 서셉터의 포켓의 높이(H)가 웨이퍼 결정의 각 방향에서 모두 일정하게 형성되어 있는 경우이며, 웨이퍼에 대한 에피층 증착 공정을 수행후 웨이퍼 에지부에 대한 에피층의 두께를 측정한 것이다.
도 5는 비교예 1에 따라 웨이퍼 에지부의 에피층 두께를 측정한 그래프이며, 구체적으로 직경이 300㎜인 웨이퍼의 에지부 149㎜의 전구간에 대하여 에피층의 두께 차이를 나타낸 평가 데이터이다.
도 5를 참조하면, 웨이퍼의 <110>결정 방향인 0도, 90도, 180도, 270도에서는 에피층의 두께가 증가하는 경향이, 그리고 <100>결정 방향인 45도, 135도, 225도, 315도에서는 에피층의 두께가 감소하는 경향이 있음을 확인할 수 있고, 149㎜ 지점의 웨이퍼 에지부 전 구간에서 에피층 두께의 최대 편차는 173.44㎚를 나타내었다.
(비교예 2)
도 6a는 비교예 2에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 평면도이다.
도 6a를 참조하면, 웨이퍼의 <110> 결정방향을 중심으로 소정의 각도로 형성되는 Higher 영역에는 가스의 흐름을 감소시키도록 형성되는 제1 가스조절 부재가 마련될 수 있고, 웨이퍼의 (100) 결정방향을 중심으로 소정의 각도로 형성되는 Lower 영역에는 가스의 흐름을 증가시키도록 형성되는 제2 가스조절 부재가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 Lower 영역과 Higher 영역 사이의 소정의 영역인 Buffer 영역에 제3 가스조절 부재가 마련되며, 상기 제3 가스조절 부재는 제1 및 제2 가스조절 부재 사이에서 가스를 유동적으로 흐르게 하기 위해 단차를 갖도록 형성될 수 있다.
비교예 2에서 상기 Higher 영역은 웨이퍼 중심을 기준으로 35로 형성되는 서셉터 상의 영역, 상기 Lower 영역은 웨이퍼의 중심을 기준으로 35도로 형성되는 영역, 그리고 Buffer 영역은 상기 Higher 영역 및 Lower 영역 사이에서 10도로 형성되는 영역으로 설정한 후에, 각 구간에 따른 가스조절 부재를 형성하였다. 그리고, 웨이퍼에 대한 에피층 증착 공정을 수행 후에 웨이퍼 에지부에 대한 에피층의 두께를 측정한 것이다. 즉, 비교예 2에서는 Higher 영역 및 Lower 영역의 범위가 같도록 형성하며, Buffer 영역을 기준으로 대칭이 되도록 형성하였다.
구체적으로, Lower 영역의 포켓 높이(H)는 0.8㎜, Higher 영역의 포켓 높이(H)는 1.0㎜, 그리고 Buffer 영역의 포켓 높이(H)는 상기 Lower 영역과 Higher 영역 사이의 임의의 값을 적용하였다.
여기서, 상기 포켓의 높이(H)는 가스조절 부재의 높이를 포함한 높이일 수 있다. 구체적으로, 상기 포켓의 높이(H) Higher 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재, Lower 영역에 형성되는 제2 가스조절 부재 및 Buffer 영역에 형성되는 제3 가스조절 부재의 높이를 포함할 수 있다.
도 6b는 비교예 2에 따라 웨이퍼 에피층의 두께를 에지부 전구간에서 나타낸 그래프이다. 도 6b를 참조하면, 웨이퍼 에지부의 149mm 지점에서 웨이퍼 두께의 편차는 약 128.75nm를 나타내었다.
도 6c는 도 6b에서 평가된 웨이퍼 에지부 중 소정의 영역을 나타낸 그래프이며, 특히 135도~225도의 구간만을 나타낸 것이다. 도 6c를 참조하면, 웨이퍼의 에지부 두께는 180도인 Higher 영역에서 최고로 나타나며, 45도를 기준으로 에지부 두께가 감소하다가 증가하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다.
비교예 2에서는, 제1 및 제2 가스조절 부재가 형성되는 Higher 영역 및 Lower 영역은 35도의 각도를 가지면서 Buffer 영역을 기준으로 대칭이 되도록 배치하여 웨이퍼에 에피층을 증착한다. 가스조절 부재를 형성하지 않은 비교예 1에 비해 웨이퍼 에지부 전영역에 대한 두께 편차가 감소하지만, 현재 반도체 웨이퍼에 요구되어지는 에지부 두께 편차 품질을 만족하지는 못하는 실정이다.
(실시예)
실시예는 제1 가스조절 부재가 형성되는 Higher 영역과 제2 가스조절부재가 형성되는 Lower 영역을 제3 가스조절 부재가 형성되는 Buffer 영역을 기준으로 비대칭적으로 형성하는 방법에 관해 설명한다.
도 7a는 비교예 2에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 도면이며, 도 7b는 실시예에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 도면이다. 도 7a와 도 7b를 함께 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 7a는 구체적으로 비교예 2의 서셉터 상에서 나타난 웨이퍼의 두께 중 소정의 영역만을 나타낸 것이며, 특히 도 6c와 같이 135~225도에 해당하는 영역을 나타낸 것이다. 도 7a를 참조하면, 결정 방위 <110>인 Higher 영역의 중심에서 웨이퍼 에지부 두께가 가장 두껍게 나타나고, Buffer 영역과 Higher 영역의 경계에서는 두께가 가장 얇게 나타남을 알 수 있다. 이러한 경향이 90도를 주기로 웨이퍼의 360도 전구간에 대해 나타남을 도 6b의 그래프를 통해 확인할 수 있었다.
본 발명에서는 이러한 경향에 따른 웨이퍼 두께의 편차를 더욱 감소시키고자, Higher 영역, Lower 영역 및 Buffer 영역이 형성되는 범위를 비교예 2에서 나타난 웨이퍼 두께에 따라 설정하는 것이다.
즉, 웨이퍼 에피층 두께가 상대적으로 크게 나타나는 <110> 결정방향의 중심부에는 에피층의 두께를 감소시키기 위해 0~10도 정도로 마련되는 Higher 영역을 설정하고, 상기 Higher 영역에는 가스 유량을 감소시키기 위한 제1 가스조절 부재를 형성할 수 있다.
그리고, 에피층의 두께가 상기 Higher 영역을 기준으로 감소되는 B의 영역에는 에피층의 두께를 점진적으로 증가시키도록 제3 가스조절 부재가 형성될 Buffer 영역으로 설정한다. 그리고, 상기 Buffer 영역의 외주에는 Lower 영역이 마련될 수 있다. 즉, 비교예 2에서는 Higher 영역 또는 Lower 영역의 범위가 35도의 각도로 형성되었으나, 본 실시예에서는 Higher 영역과 Buffer 영역의 범위 합인 B 영역은 35도로 형성됨이 바람직하다.
도 7c는 실시예에 따라 서셉터에 가스조절 부재가 형성되는 영역을 나타낸 평면도이다.
도 7c를 참조하면, 본 발명에서 제1 가스조절 부재가 형성되는 Higher 영역은 0~10도의 범위를 가지면서 90도의 주기로 서셉터 상에 형성될 수 있다. 상기 Higher 영역과 인접하는 Buffer 영역은 2.5~17.5도의 범위를 가지면서 상기 Higher 영역의 양측에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 Buffer 영역과 인접하는 Lower 영역은 55~85도의 범위를 가지면서 90도의 주기로 서셉터 상에 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예는 Buffer 영역을 기준으로 Higher 영역과 Lower 영역이 비대칭적으로 형성된다.
도 8a는 실시예에 따라 가스조절 부재를 형성하여 웨이퍼 에지부 두께를 평가하여 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 웨이퍼 에지부 149mm의 전구간에 대해 두께 편차는 83.62nm수준으로 나타났으며, 이는 웨이퍼 에지부의 두께를 비교예 2에서 나타난 두께 편차인 약 128nm보다 작게 제어할 수 있음을 의미하며, 웨이퍼의 전체 두께에 대비하여 149mm 지점의 두께 편차는 3.25%보다 작게 제어할 수 있다.
도 8b는 도 8a에서 서셉터의 135도에서 225도까지의 영역을 나타낸 그래프이다. 도 8b를 참조하면, 실시예와 같이 변경된 Higher 영역과 Lower 영역 및 Buffer 영역에 의해 웨이퍼의 두께는 에지부에서 비교예 2에 비해 더욱 평탄하게 나타남을 확인할 수 있었으며, 도면에서 보여지는 90도 영역에서 두께 편차는 약 44.28nm 수준으로 나타남을 알 수 있다.
서셉터의 포켓 높이를 일정하게 형성한 비교예 1은 웨이퍼 에지부 두께 편차가 약 173nm로 나타났으며, 서셉터의 포켓 높이를 구간에 따라 다르게 형성한 비교예 2는 웨이퍼 에지부 두께 편차가 약 128nm로 나타났다. 따라서 비교예 2는 비교예 1에 대비하여 에지부 두께 편차가 26%정도 개선되었다.
그리고, 실시예는 웨이퍼 에지부 두께 편차가 약 83nm 수준으로 나타남에 따라 비교예 1에 대비해 웨이퍼 에지부 두께 편차가 52% 이상 개선되었음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 실시예는 결정 방향에 따라 웨이퍼 두께의 변동 경향을 확인하여, 이에 따라 가스조절 부재가 형성될 영역을 결정하였기에 웨이퍼 에지부의 두께를 더욱 균일하도록 제어할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 실시예에 따른 서셉터의 포켓 상부 영역만을 정면에서 바라본 도면이며, Higher 영역(A1)의 각도 변화에 따른 서셉터의 정면 형상을 나타낸 것이다.
도 9a를 참조하면, 서셉터의 Higher 영역(A1)은 H2의 포켓 높이를 가지며 약 10도로 형성되고, Lower 영역(C1)은 H1의 포켓 높이를 가지면서 55도로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다. 그리고, 상기 Higher 영역과 Lower 영역 사이를 연결하기 위한 Buffer 영역(B1)은 소정의 경사도를 가지면서 2.5~17.5도의 영역에 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 구체적으로 상기 Higher 영역이 0도로 형성되는 실시예를 나타낸 것이다. <110> 결정방위에는 Higher 영역이 존재하지 않으며, 가스가 균일하게 흐를 수 있도록 소정의 경사부를 가지는 Buffer 영역(B2)만으로 형성될 수 있는 실시예를 나타내는 것이다.
이와 같이 본 발명에서 Higher 영역, Lower 영역 및 Buffer 영역의 범위를 설정함으로써, 웨이퍼 에지부의 에피층 증착 두께 편차를 감소시킬 수 있다.
한편, 웨이퍼 상에 증착하려는 에피층의 두께가 증가할수록 웨이퍼 에지부의 에피층의 두께 편차는 증가하는 경향을 보인다. 에피층의 두께가 증가함에 따라 타 품질적인 측면인 후면 증착이 증가하게 되나, 이는 포켓의 높이를 높게 할수록 감소시키는 것이 가능하다. 따라서, 형성하려는 에피층의 두께에 따라 형성하고자 하는 각영역별 포켓의 높이는 전체적으로 상승하거나 하향될 수 있다.
Higher 영역의 포켓 높이를 조절하기 위해서는 서셉터 상에 실리콘을 코팅하여 상기 포켓 높이를 조절할 수 있다. 형성하고자 하는 에피층의 두께에 따라, 서셉터 상의 Lower 영역, Buffer 영역, Higher 영역에 실리콘을 증착하며, 다시 높이를 조절해야 하는 경우 HCL 에칭을 통해 코팅된 실리콘을 제거할 수 있다.
본발명에서는 웨이퍼의 결정 방위를 구역별로 나누어 포켓의 높이와 영역의 크기를 설정함과 동시에, 상기 웨이퍼의 결정 방위 구역별로 형성되는 가스조절 부재의 여러가지 실시예를 제안한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 서셉터를 나타낸 단면도
도 10을 참조하면, 서셉터(10) 내부에 구비되는 포켓(20) 개구부의 윗면(22)에 가스의 흐름을 조절하기 위한 가스조절 부재(30)가 형성된다. 상기 가스조절 부재(30)는 서셉터의 외주방향의 단부에서 웨이퍼 방향의 단부측 또는 에지측으로 경사진 형태로서 상기 서셉터(10)의 외주에서 웨이퍼 방향으로 유동하는 가스의 흐름을 감소시키도록 형성된다. 즉, 상기 가스조절 부재(30)는 에피층의 두께가 상대적으로 두껍게 형성되는 <110>결정 방위, 즉 Higher 영역에 형성될 수 있으며 내주 포켓의 높이(H2)가 외주 포켓의 높이(D2)보다 크게 형성되어, 가스의 흐름이 다른 영역에서보다 감소되기 때문에 에피층이 얇게 형성될 수 있다.
상기 도 10에서 제안한 가스조절 부재(30)는 포켓의 높이가 순차적으로 변화하는 구조로서, 가스가 매끄럽게 흐를 수 있기 때문에 에피층 두께 변화를 더욱 미세하게 조절하는데 유리하다.
또한, 도 10의 가스조절 부재(30)는 Higher 영역과 Lower 영역에 동시에 형성될 수 있다. 웨이퍼의 에지부 에피택셜막 두께를 전반적으로 증가시키고자 할 경우, 상기 가스조절 부재(30)는 가스의 유량을 증가시키기 위해 서셉터 방향에서 웨이퍼의 중심방향으로 경사진 형상으로 Higher 영역과 Lower 영역에 형성될 수 있다. 이 때, Higher 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재의 경사도를 Lower 영역에 형성되는 제2 가스조절 부재의 경사도보다 크게 형성함으로써, 증가시키고자하는 웨이퍼의 에지부 에피택셜막 두께 편차를 제어할 수 있다.
마찬가지로, 웨이퍼의 에지부 에피택셜막 두께를 전반적으로 감소시키고자 할 경우, 상기 가스조절 부재(30)는 도 9과 같이 가스의 유량을 감소시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로 경사진 형상으로 Higher 영역과 Lower 영역에 형성될 수 있다. 이 때, Lower 영역에 형성되는 제2 가스조절 부재의 경사도를 Higher 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재의 경사도보다 크게 형성함으로써, 감소시키고자하는 웨이퍼의 에지부 에피택셜막 두께 편차를 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스조절 부재는 가스흐름의 증가 또는 감소의 필요에 따라 계단식, 사다리꼴, 삼각형 형상으로 마련될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 여러 가스조절 부재의 실시예는 에피택셜 웨이퍼의 방위별로 나타나는 에지부 두께의 편차를 줄이기 위해 적용될 수 있다. 가스조절 부재가 가스의 유량을 감소시키는 경우는 <110>결정 방위인 Higher 영역에 형성되며, 가스의 유량을 증가시키는 경우는 <100>결정 방위인 Lower 영역에 형성되는 것으로 설명하였지만, <110>결정 방위 영역에만 가스 유량을 감소시키는 가스조절 부재를 형성하고, <100>결정 방위 영역 및 Buffer 영역에는 가스조절 부재를 형성하지 않을 수도 있으며, 반대의 경우도 마찬가지로 가능하다.
이는 웨이퍼의 가장자리부 평탄화에 영향을 미치는 요소가 여러가지이기 때문에, 상기와 같이 가스조절 부재를 유연하게 배치함으로서 웨이퍼에 형성되는 에피층의 두께 편차가 심한 곳만을 미세하게 조정할 수 있게 된다.
본 발명에서는 웨이퍼의 직경이 300㎜인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 웨이퍼의 직경이 300㎜ 이상으로 더욱 확장되는 경우에도 적용이 가능하다.
본발명의 에피택셜 제조용 서셉터에 의하면, 반도체 웨이퍼에 에피택셜층을 형성시 서셉터의 외주부에 가스흐름 증가 및 감소 장치(가스조절 부재)를 결정 방위별로 높이를 다르게 형성함으로써 가스 흐름을 제어할 수 있어, 에피택셜 웨이퍼의 두께를 직경에 따라 일정하도록 제어할 수 있다.
또한, 가스조절 부재의 높이 및 단차를 웨이퍼의 결정 방위에 따라 변경함으로써, 웨이퍼의 구역별로 가스 흐름을 미세하게 조정할 수 있으므로 에피택셜 웨이퍼의 두께 평탄도를 일정하게 제어할 수 있다.
그리고, 본발명의 실시예에 따른 서셉터에 의하면, 에지부 평탄도가 균일한 반도체 웨이퍼를 제공할 수 있게 되어, 소자가 형성되는 반도체 웨이퍼의 고품질화 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
본발명에서는 실리콘 웨이퍼 (100)면의 에피택셜 성장을 예로 하여 설명하였지만, 본발명은 이에 한정되지 않고 결정 방위 의존성이 있는 에피택셜 성장 속도를 가지는 모든 물질의 에피택셜 제조 장치나 그 장치에 사용되는 서셉터에 이용될 수 있다. 또한, 결정방위 역시 <110>, <100>에 대하여 설명하였지만 같은 결정특성을 가지는 [110]방향, [100]방향에 모두 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 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 (13)

  1. 챔버 내에서 웨이퍼와 소스 가스를 반응시켜 에피택셜층을 성장시킨 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 서셉터로서,
    상기 웨이퍼가 배치되는 개구부가 형성된 포켓;
    상기 웨이퍼가 지지되는 렛지부; 및
    상기 서셉터 개구부 윗면의 외주부에 형성되는 가스조절 부재;를 포함하고,
    상기 가스조절 부재는
    상기 웨이퍼 <110> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재와, 상기 웨이퍼 <100> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 제2 가스조절 부재 및 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재 사이에 형성되는 제3 가스조절 부재를 포함하고,
    상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재, 상기 제3 가스 조절 부재는 상기 웨이퍼 원주를 따라 형성되는 영역의 크기가 서로 다르도록 형성되며,
    상기 제1, 제2 및 제3 가스조절 부재는 가스의 유량을 변화시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로의 경사도가 서로 다르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재는 상기 제3 가스 조절 부재를 중심으로 각각 그 영역의 크기가 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스조절 부재는 웨이퍼 에지부 에피층의 두께가 상대적으로 두껍게 증착되는 영역에 형성되며, 웨이퍼 <110>결정방향을 중심으로 0~5도를 갖도록 서셉터 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 가스조절 부재는 웨이퍼 에지부 에피층 두께가 증가 또는 감소하는 영역에 형성되며, 상기 제1 가스조절 부재 양측에 2.5~17.5도의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  5. 제 1항에 있어서,
    제2 가스조절 부재는 웨이퍼 에지부 에피층의 두께가 상대적으로 얇게 증착되는 영역에 형성되며, 웨이퍼 <110> 결정방향을 중심으로 55~80도를 갖도록 서셉터 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 가스조절 부재는 가스의 유량을 변화시키기 위해 서셉터 상에서 서로 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가스조절 부재는 웨이퍼의 결정 방향에 따라 90도를 주기로 상기 서셉터 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스조절 부재는 가스유량을 감소시키기 위해 소정의 두께를 갖는 실리콘 증착막이며, 상기 제2 가스조절 부재는 가스 유량을 증가시키기 위해 소정의 두께를 갖는 실리콘 증착막인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스조절 부재는 가스유량을 감소시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로 경사진 형상의 구조물인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 가스조절 부재는 가스유량을 증가시키기 위해 서셉터 방향에서 웨이퍼의 중심방향으로 경사진 형상의 구조물인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스조절 부재와 제2 가스조절 부재는 가스의 유량을 감소시키기 위해 웨이퍼의 중심방향에서 서셉터 방향으로 경사진 형상의 구조물이며, 제1 가스조절 부재의 경사도는 제2 가스조절 부재의 경사도보다 큰 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 서셉터.
  12. 챔버 내에서 웨이퍼와 소스 가스를 반응시켜 에피택셜층을 성장시킨 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 서셉터로서,
    상기 웨이퍼가 배치되는 개구부가 형성된 포켓;
    상기 웨이퍼가 지지되는 렛지부; 및
    상기 서셉터 개구부 윗면의 외주부에 형성되는 가스조절 부재;를 포함하고,
    상기 가스조절 부재는
    상기 웨이퍼 <110> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 형성되는 제1 가스조절 부재와, 상기 웨이퍼 <100> 결정방향에 대향하는 소정의 영역에 제2 가스조절 부재 및 상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재 사이에 형성되는 제3 가스조절 부재를 포함하고,
    상기 제1 가스조절 부재와 상기 제2 가스조절 부재, 상기 제3 가스 조절 부재는 상기 웨이퍼 원주를 따라 형성되는 영역의 크기가 서로 다르도록 형성되는 에피택셜 성장용 서셉터.
  13. 제 1항 내지 12항 중 어느 하나의 에피택셜 성장용 서셉터를 포함하는 에피택셜 성장 장치.



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