KR20140105974A

KR20140105974A - 에피택셜 성장 장치

Info

Publication number: KR20140105974A
Application number: KR1020130019837A
Authority: KR
Inventors: 임홍강
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-09-03

Abstract

본 실시예의 에피택셜 성장 장치는, 반응 챔버 내에 수용된 웨이퍼 상에 에피택셜막을 성장시키는 장치로서, 복수의 홀이 형성되고, 웨이퍼가 안착되는 서셉터; 상기 서셉터를 지지하는 서셉터 지지암; 및 상기 서셉터 지지암과 연결되고, 회전가능한 샤프트;를 포함하고, 상기 샤프트와 서셉터 지지암 내부에는 수소 가스가 이동되는 경로가 제공되고, 상기 수소 가스는 상기 서셉터에 형성된 홀을 통해 하측에서 상측으로 분출되고, 상기 서셉터의 상부면에는 오목부가 형성되고, 상기 오목부는 상기 서셉터의 에지영역을 기준으로 0 내지 0.13mm 범위의 깊이로 함몰형성된다.

Description

에피택셜 성장 장치{Epitaxial growing apparatus}

본 발명은 에피택셜 성장 장치에 대한 것으로서, 에피택셜 성장시에 오토 도핑을 억제시킬 수 있는 서셉터와, 상기 서텝터가 포함된 에피택셜 성장 장치에 대한 것이다.

최근, 실리콘 웨이퍼의 표면상에 에피택셜막이 형성된 에피택셜 웨이퍼는 MOS소자용의 실리콘 웨이퍼로서 널리 사용되고 있다. 이들 에피택셜 웨이퍼는 MOS소자의 게이트 산화막에 대한 수율을 향상시키고, 기생용량(parasitic capacitance)의 감소, 소프트 오류(soft error)의 방지, 향상된 게터링 성능(gettering perfomance), 및 향상된 기계적 강도 등의 우수한 특성을 가진다.

이러한 에피택셜 웨이퍼 구조의 경우, 복수의 실리콘 웨이퍼상에 에피택셜 성장 처리를 동시에 수행하기 위해 실시되는 종래의 일괄법(batch method)에서는, 대구경 실리콘 웨이퍼와의 호환성을 유지하기가 어려워져 단일 웨이퍼 처리 에피택셜 성장 장치를 주로 채용해왔다. 최근에는, 직경이 300㎜ 이상인 웨이퍼상에 에피택셜 성장 처리를 수행할 수 있는 대구경 웨이퍼용의 에피택셜 성장 장치가 개발되어 왔다.

이들 단일 웨이퍼형 에피택셜 성장 장치의 경우, 웨이퍼를 장치의 내외 및 서셉터상으로 운반하는 방법은, 운반 지그(transportation jig)를 사용하는 승강법(elevating method) 또는 베르누이 척 법(Bernoulli chuck method)을 이용하여 웨이퍼를 운반하는 형태와, 핀(pin)들을 이용하여 웨이퍼의 저면을 지지하고 그 핀들을 상승시킴으로써 운반이 이루어지는 형태의 2가지 형태로 분류할 수 있다. 그러나, 각각의 경우에 있어서, 장치에 수평으로 배치된 단일 서셉터상에 반도체 웨이퍼가 장착된다. 그리고 나서, 웨이퍼 둘레에 위치한 적외선 램프 등의 열원을 이용하여 웨이퍼를 고온으로 올린다. 그리고 나서, 서셉터를 회전시키면서 고온에서 웨이퍼의 표면 위로 반응 가스(reactive gas)를 흐르게 함으로써 웨이퍼 표면에서의 에피택셜 성장이 시작된다.

한편, 최근 웨이퍼의 직경이 대형화됨에 따라 웨이퍼의 에지 부분까지 균일하게 에피택셜층을 형성하는 것이 어려워지면서, 이를 해결하기 위한 많은 노력들이 시도되고 있다. 특히, 300㎜ 이상의 대구경 웨이퍼에서 상기 웨이퍼의 에지 끝까지 에피택셜층을 균일하게 형성하기 위해서는 상기 프로세스 챔버 내의 유체 유동과 서셉터의 형태가 중요한 변수가 된다.

기존의 에피택셜 웨이퍼는 1019 ~1021 원자/㎤의 고농도 도편트를 도핑한 저저항률의 실리콘 단결정 기판 상에 1014 ~ 1017 원자/㎤ 의 저농도 도펀트를 도핑한 고저항률의 실리콘 에피택셜층이 성장된다. 이 경우, 상기 실리콘 단결정 기판의 배면으로부터 상기 실리콘 단결정 기판 내에 도핑된 도펀트가 챔버 내로 방출되어 상기 실리콘 에피택셜층에 도핑되는 현상인 오토도핑(auto-doping) 현상이 발생하게 된다.

또한, 최근 웨이퍼의 대구경화 및 D/R 축소 추세에 따라 배면을 경면으로 형성한 에피택셜 웨이퍼에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이를 위해서는, 저저항률의 기판 자체로부터 오토도핑을 제어해야 하며, 에피택셜층 성장과정에서 배면의 할로우(backside halo) 현상을 제어해야 한다.

제안하고자 하는 본 발명의 실시예는, 웨이퍼 기판의 비저항이 0.005ohm·cm 이하이면서, 웨이퍼 상에 에피텍셜 성장되는 막의 비저항이 0.05~5.0ohm·cm인 파워 디바이스(power device)를 제조하기 위한 에피텍셜 성장 장치에 대한 것으로서, 파워 디바이스 제조를 위한 에피택셜 성장 시에 오토 도핑을 억제할 수 있는 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

제안되는 바와 같은 서셉터 및 상기 서셉터를 포함하는 에피택셜 성장 장치에 의해서, 비저항값이 상당히 낮은 값을 갖는 기판에 에피택셜 성장을 시키더라도, 웨이퍼 에지 부분의 오토 도핑에 의한 품질 저하를 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 상부면에 홀이 형성되지 않은 서셉터를 이용하여 에피택셜 성장시키는 경우에 웨이퍼 에지 영역에서의 비저항의 급격한 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 오토도핑으로 인하여 웨이퍼 에지 영역의 칩에서 BVdss 불량을 확인한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 완드 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 서셉터 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따라 서셉터 하측으로부터 불활성 가스를 분출시켜 웨이퍼로부터 방출되는 불순물에 의한 오토 도핑을 억제하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 서셉터에서 오목도를 산출하는 방법을 설명하는 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 완드 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3과 도 4를 참조하여 본 실시예의 에피택셜 성장 장치의 개략적인 구성을 살펴보면, 로드락 챔버(10), 핸들링 챔버(20) 및 프로세스 챔버(50)를 포함한다. 그리고, 웨이퍼(1)의 로딩 및 언로딩을 위한 완드 유닛(wand unit)(30)이 구비된다.

상기 에피택셜 성장 장치는, 실리콘 웨이퍼 기판에 대해서 에피택셜 성장 시키기 위한 것이며, 여기서, 에피택셜 성장시 기판이 되는 웨이퍼의 비저항은, 0.005ohm·cm 이하이며, 기판인 웨이퍼 상에 에피택셜 성장되는 막의 비저항은 0.05ohm·cm ~ 5ohm·cm 범위의 갖는 것이며, 기판인 웨이퍼에 첨가되는 불순물로는 P, Sb, As, B 등이 될 수 있다.

고농도의 불순물을 기판에 주입하기 때문에, 웨이퍼 후면에 백실 레이어(backseal layer)를 형성하여 오토 도핑을 제어할 수 있으나, 이 경우 추가 공정에 따른 비용 증대가 발생하므로, 본 실시예에서는 상기 에피택셜 성장 장치의 서셉터 하측으로부터 수소 가스를 주입하여 기판의 에지 부위에서 방출되는 불순물이 기판에 흡수되지 않고 서셉터 하측으로 배출될 수 있는 구조가 제안된다. 이에 대해서는, 첨부되는 도면을 참조하여 후술하여 본다.

한편, 상기 로드락 챔버(10)는 웨이퍼 제조 장치로 상기 웨이퍼(1)를 유입 및 반출시킨다.

상기 로드락 챔버(10)는 내부로 상기 웨이퍼(1)의 출입이 가능하도록 전면이 개방되게 형성되고, 상기 개방된 면에는 상기 로드락 챔버(10)를 선택적으로 개폐하는 도어(11)가 구비된다. 그리고, 상기 웨이퍼(1)는 다수의 웨이퍼(1)를 수용하여 이송 가능한 유닛에 의해 상기 로드락 챔버(10)로 투입된다. 예를 들어, 상기 하여 유닛은 카세트 또는 FOUP(front opening unified pod)(3)이다. 그리고, 상기 로드락 챔버(10) 하부에는 상기 FOUP(3)에서 웨이퍼(1)를 추출 및 수납하기 위해 상기 FOUP(3)를 승강시키는 승강유닛(12)이 구비될 수 있다.

예를 들어, 상기 웨이퍼 제조 장치에는 2개의 로드락 챔버(10)가 구비될 수 있다. 즉, 하나의 로드락 챔버(10)는 웨이퍼 제조 공정이 수행되기 전의 웨이퍼(1)를 투입하고, 공정이 수행되기 전까지 대기시키는 역할을 하고, 다른 하나의 로드락 챔버(10)는 웨이퍼 제조 공정이 완료된 웨이퍼(1)를 반출하는 역할을 한다.

상기 핸들링 챔버(20)는 상기 로드락 챔버(10)와 상기 프로세스 챔버(50) 사이에서 상기 웨이퍼(1)를 이송한다.

상기 핸들링 챔버(20) 내부에는 상기 웨이퍼(1)를 파지하여 상기 로드락 챔버(10)와 상기 프로세스 챔버(50) 사이에서 이송하는 핸들링 로봇(21)이 구비된다. 상기 핸들링 로봇(21)은 직선이동 또는 회전이동이 가능한 통상의 로봇암(robot arm) 또는 핸들러(handler) 등이 사용될 수 있으며, 상기 핸들링 로봇(21)의 방식 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

상기 핸들링 챔버(20)와 상기 프로세스 챔버(50) 사이에는 게이트 밸브(40)가 구비된다. 상기 게이트 밸브(40)는 상기 핸들링 챔버(20)와 상기 프로세스 챔버(50)의 공간을 분리시키는 역할을 한다. 즉, 상기 게이트 밸브(40)는 상기 웨이퍼 제조 공정 동안 상기 프로세스 챔버(50)를 격리시키기 위해 상기 프로세스 챔버(50)의 입구를 선택적으로 폐쇄하고, 상기 웨이퍼(1)의 출입이 가능하도록 상기 프로세스 챔버(50)를 개방한다.

상기 완드 유닛(30)은 상기 프로세스 챔버(50)의 입구에 구비되어, 상기 핸들링 로봇(21)으로부터 전달받은 상기 웨이퍼(1)를 상기 프로세스 챔버(50)에 로딩하거나, 상기 프로세스 챔버(50)로부터 상기 웨이퍼(1)를 상기 핸들링 로봇(21)으로 언로딩한다.

상세하게는, 상기 완드 유닛(30)은 베르누이(Bernoulli) 원리를 이용하여 상기 웨이퍼(1)를 비접촉 상태로 파지하고 이송하는 장치이다. 상기 완드 유닛(30)은 하부로 질소가스를 분사하여 국부적인 진공을 형성하고, 이와 같이 형성된 진공에 의하여 상기 웨이퍼(1)를 상부에서 비접촉 상태로 파지하고 이송하는 장치이다.

상기 프로세스 챔버(50)는 상기 웨이퍼(1)를 수용하여, 상기 웨이퍼(1)의 표면에 소정 물질의 단결정층(에피택셜층)을 성장시키는 에피택셜 공정이 수행된다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 서셉터의 구조 및, 상기 서셉터의 하측으로부터 수소 가스를 공급함으로써, 웨이퍼 에지 부위에서 방출되는 불순물이 웨이퍼 내로 다시 투입되는 오토 도핑 현상을 억제하는 방안에 대해서 상세히 살펴본다.

도 5는 본 실시예에 따른 서셉터 구조를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 실시예에 따라 서셉터 하측으로부터 불활성 가스를 분출시켜 웨이퍼로부터 방출되는 불순물에 의한 오토 도핑을 억제하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 5를 참조하면, 반응기(100)는 수용된 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장 공정이 수행되는 반응 챔버(112)를 포함하고, 반응 챔버(112) 내에는 웨이퍼(1)가 안착되는 서셉터(170)와, 상기 서셉터(170)를 지지하는 서셉터 지지암(120)이 구비된다.

여기서, 에피택셜 성장 공정의 대상이 되는 웨이퍼는, 앞서 기재한 바와 같이, 비저항이 0.005ohm·cm 이하가 될 수 있으며, 실시예의 에피택셜 성장 장치에 의해 웨이퍼에 성장시키고자 하는 막의 비저항은 0.05ohm·cm ~ 5ohm·cm 범위의 갖는 경우가 될 수 있다. 즉, 파워 디바이스용 웨이퍼를 생산하기 위한 장치라 할 수 있다.

한편, 상기 서셉터 지지암(120)은 챔버(112)의 하부벽에 연결되는 튜브(126)를 통하여 하향 연장된 샤프트(124)에 장착된다.

또한, 반응 챔버(112)는 반응가스와 운반가스의 주입을 위한 유입구(140)를 포함한다. 그리고, 유출구(142)는 반응 챔버(112)의 타측에 마련되어 있어 유입구(140)와 유출구(142) 사이에 서셉터 지지암(120)이 위치하게 된다.

핸들링 챔버(미도시)로부터 픽업장치에 의해서 웨이퍼(W)가 반응 챔버(112)내로 제공되며, 챔버(112)내로 이동된 웨이퍼(W)는 서셉터(170)상에 안착되고, 상기 서셉터(170)는 성장 기판인 웨이퍼의 직경 보다 다소 크게 이루어질 수 있으며, 본 실시예에 따라, 상기 샤프트(124) 내부에 마련되는 가스 공급관을 통하여 수소 가스가 서셉터 하측에서 상측으로 이동될 수 있다.

상세히, 도 6을 참조하여 설명하면, 에피택셜 성장시에, 운반가스로 이용되는 수소 가스가 상기 서셉터(170)의 하측으로부터 분사되는 구조가 개시된다. 즉, 상기 서셉터(170)를 관통하는 복수의 홀 중 적어도 하나 이상의 홀을 통하여 에피택셜 성장을 위한 운반 가스와 동일한 수소 가스가 서셉터 하측에서 상측으로 이동되도록 한다.

본 실시예에 따르면, 샤프트(124)과, 상기 샤프트(124)과 연결되어 상기 서셉터(170)를 지지하는 서셉터 지지암(120) 내부로 수소 가스가 이동하는 배관이 형성된다. 그리고, 상기 서셉터(170)에는 복수개의 홀이 형성되어 있어 상기 지지암(120) 내부를 따라 이동하는 수소 가스가 상기 서셉터(170)를 관통할 수 있다.

특히, 본 실시예의 장치에 의해서, 상기 서셉터(170)에 형성된 홀을 지나 서셉터 상측으로 이동한 수소 가스는 다시 상기 서셉터(170)의 홀들을 따라 하측으로 하강하는 경로를 갖을 수 있다.

참고로, 고농도의 불순물이 주입된 웨이퍼에 에피택셜 성장을 하게 되면, 웨이퍼의 에지 영역으로부터 불순물이 분출하게 되는데, 이때 상기 불순물은 에피택셜막 증착시에 에피택셜막으로 유압되어, 에피택셜막의 비저항을 낮추는 불량을 야기할 수 있다.

이러한 오토 도핑 현상을 억제하기 위하여, 서셉터 하측에서 상측으로 이동한 수소 가스와 함께 상기 불순물이 서셉터 아래로 이동될 수 있도록 하는 것이다.

즉, 다시 설명하면, 도 6에 도시된 수소 가스의 이동경로를 나타내는 실선의 화살표를 보면, 샤프트(124) 및 서셉터 지지암(124) 내부에 마련된 공급관을 따라 이동한 수소 가스는, 서셉터(170)에 마련된 홀을 따라 서셉터 상측면으로 이동하게 되고, 다시 하강하게 되는데, 이때, 웨이퍼 에지 영역에서 분출되는 불순물과 함께 아래로 하강하게 된다.

이러한 구조로 인하여, 웨이퍼 에지 영역의 에피택셜막에 고농도 불순물로 인한 오토 도핑이 억제될 수 있으며, 이것은 결국 웨이퍼 품질의 향상을 도모할 수 있게 하는 결과가 된다.

또한, 상기 서셉터(170)는 기설정된 값의 오목도(concavity)를 갖으며, 이는 웨이퍼와 서셉터의 온도차로 인하여 웨이퍼 로딩시에 컬링(curling) 현상이 발생될 수 있기 때문이다.

아래의 표 1은, 상기 서셉터(170)의 오목도에 따른 컬링 현상의 발생여부에 대해서 실험한 데이터를 도표화된 것이다. 참고로, 오목도는 서셉터 에지부에서의 표면을 기준으로 몇 mm의 깊이로 함몰되는지를 가리키는 것으로서, 본 실시예에서는 서셉터 표면의 오목도가 0 내지 0.13의 범위를 갖는데, 최대 0.13mm 깊이로 함몰된 영역을 포함한다고 이해할 수 있다.

No.	Concavity	Curling
#1	0.021	Good
#2	0.085	Good
#3	0.143	Not Bad
#4	0.146	Not Bad
#5	0.179	Bad
#6	0.17	Bad

위의 실험 결과에서와 같이, 서셉터의 오목도는, 위의 표에서와 같이, 컬링 현상을 제어하기 위해서는, 그 값이 0 ~ 0.13mm의 범위의 깊이를 갖도록 서셉터 상부표면이 오목한 형상으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의해서, 에피택셜막 성장시에, 고농도 불순물이 주입된 웨이퍼로부터 불순물이 분출되더라도, 서셉터 하측으로부터 공급되는 수소 가스와 함께 서셉터 하측으로 빠져나갈 수 있기 때문에, 에피택셜막의 비저항이 감소하게 되는 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.

Claims

반응 챔버 내에 수용된 웨이퍼 상에 에피택셜막을 성장시키는 장치로서,
복수의 홀이 형성되고, 웨이퍼가 안착되는 서셉터;
상기 서셉터를 지지하는 서셉터 지지암; 및
상기 서셉터 지지암과 연결되고, 회전가능한 샤프트;를 포함하고,
상기 샤프트와 서셉터 지지암 내부에는 수소 가스가 이동되는 경로가 제공되고, 상기 수소 가스는 상기 서셉터에 형성된 홀을 통해 하측에서 상측으로 분출되고,
상기 서셉터의 상부면에는 오목부가 형성되고, 상기 오목부는 상기 서셉터의 에지영역을 기준으로 0 내지 0.13mm 범위의 깊이로 함몰형성되는 에피택셜 성장 장치.