KR20140107394A - 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 프로세스들 및 시스템들 - Google Patents

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Abstract

프로세스들 및 시스템들이 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위해 사용된다. 세정 가스는 적어도 하나의 가스로를 통해 연장하는 적어도 하나의 기체 유동 경로를 통해 유동될 수 있고, 가열된 세정 가스는 반응 체임버 안으로부터 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하기 위해 반응 체임버 내로 도입될 수 있다.

Description

반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 프로세스들 및 시스템들{PROCESSES AND SYSTEMS FOR REDUCING UNDESIRED DEPOSITS WITHIN A REACTION CHAMBER ASSOCIATED WITH A SEMICONDUCTOR DEPOSITION SYSTEM}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 침착 시스템 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 프로세스들, 및 이와 같은 프로세스들을 수행하기 위한 시스템들에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 안으로부터 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 프로세스들 및 시스템들을 포함한다.
침착 시스템 청정도는 이와 같은 시스템들에 의해 침착된 재료의 양을 결정하는데 중요한 파라미터이다. 예를 들어, 반응 체임버 내의 원치 않는 침착물들의 축적은 거기에서 침착되는 재료의 양의 저화를 초래할 수 있다.
침착 시스템들은 반도체 재료들, 예컨대 III-질화물들의 침착에 이용되는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 시스템들을 구비할 수 있다. III-질화물 반도체 재료들의 HVPE 성장의 경우에, 반응 체임버 내에서의 원치 않는 침착물들의 증가(buildup)는 높은 증발 온도를 가지는 III족 프리커서(예컨대, GaCl) 때문일 수 있다. III족 프리커서의 높은 증발 온도로 인해, 원치 않는 침착이 대략 500 ℃보다 낮은 온도에서 표면들 상에서 일어날 수 있다. 반응 체임버 내에서의 원치 않는 침착물들의 증가는 체임버 세정 프로세스들을 이용하여 원치 않는 침착물들 모두 또는 적어도 상당한 부분의 제거를 필요로 할 수 있다. 완전한 반응 체임버 세정에 대한 실패는 부분적으로 증가된 반응기 미립자들로 인해 거기에 침착되는 반도체 재료의 양의 열화를 초래할 수 있다.
반응 체임버 내의 원치 않는 침착물들은 또한 결합된 침착 시스템의 가열 및 냉각 효율에 대해 악영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 일부 침착 시스템들에서, 반응 체임버는 투명 재료들, 예컨대 투명 석영들(transparent quartz)을 포함할 수 있고, 가열은 투명 재료들을 통과하는 램프 소스들(lamp sources)로부터의 적외선(IR) 방사에 의해 수행될 수 있다. 반응 체임버의 표면들 상의 원치 않는 침착물들은 사실상 불투명일 수 있고, 반응 체임버의 전달 품질들(transmission qualities)에 영향을 미칠 수 있다. 석영 체임버의 광학 특성들이 변경되면, 반응 체임버의 초과 가열(excess heating)이 성장 사이클 동안 IR 흡수로 인해 일어날 수 있다.
그러므로, 시스템들 및 방법들은 반도체 침착 시스템들 내에서 원치 않는 침착물들의 형성을 감소시키는 것이 바람직하다.
간단한 요약
이 요약은 단순화된 형태로 개념들의 선택을 도입하기 위해 제공되고, 이와 같은 개념들은 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예들의 이하의 상세한 설명에서 더 상세히 기술된다. 이 요약은 청구된 대상의 중요 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 대상의 범위를 제한하는데 사용되도록 의도되지 않는다.
일부 실시예들에 있어서, 본 개시내용은 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 방법들을 포함한다. 실시예들의 방법들은 적어도 하나의 가스로를 통해 연장하는 적어도 하나의 기체 유동 경로를 통해 세정 가스를 유동시켜 세정 가스를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 방법들은 또한 프리커서 주입기를 통해 반응 체임버에 세정 가스를 도입하는 것 및 반응 생성물을 형성하기 위해 원치 않는 침착물들의 일부와 세정 가스를 반응시키고 배출 채널을 통해 반응 체임버로부터 반응 생성물을 배출하여 반응 체임버 안으로부터 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함할 수 있다.
실시예들은 또한 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않은 침착물들을 제어하기 위한 시스템들을 구비할 수 있고, 이와 같은 시스템들은 세정 가스의 소스, 세정 가스를 가열하기 위한 가스 가열 장치를 구비할 수 있고, 가스 가열 장치는 적어도 하나의 가스로를 통해 연장하는 적어도 하나의 기체 유동 경로를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 기체 유동 경로는 사형 구성(serpentine configuration)을 가지는 적어도 하나의 섹션을 포함한다. 시스템은 또한 상벽, 저벽, 및 적어도 하나의 측벽에 의해 규정되는 적어도 실질적으로 밀봉된 반응 체임버를 구비할 수 있고, 반응 체임버는 가스 가열 장치와 유체 연통(fluidic communication)하고 있다.
본 개시내용은 첨부된 도면들에 도시된, 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명을 참조하여 더 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 침착 시스템의 실시예의 예를 개략적으로 도시하는 컷-어웨이 사시도이고;
도 2는 본 발명의 가스 가열 장치의 예시적인 실시예이고;
도 3은 본 발명의 반응 체임버의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 단순화된 컷-어웨이 사시도.
본원에 제시된 설명들은 임의의 특정 시스템, 컴포넌트, 또는 디바이스의 실제 모습을 의미하지 않고, 본 발명의 실시예들을 기술하는데 채택되는 단지 이상화된 표현들이다.
본원에서 사용된 것과 같이, 용어 "III-V 반도체 재료"는 주기율표(B, Al, Ga, In, 및 Ti)의 IIIA족으로부터의 하나 이상의 원소들 및 주기율표(N, P, As, Sb, 및 Bi)의 VA족의 하나 이상의 원소들로 적어도 대부분 구성되는 임의의 반도체 재료를 의미하고 포함한다. 예를 들어, III-V 반도체 재료들은 GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, AlN, AlP, AlAs, InGaN, InGaP, InGaNP 등을 포함하지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
본원에서 사용된 것과 같이, 용어 "반응 체임버(reaction chamber)"는 재료가 재료 침착 공정에서 침착되는 일반적으로 밀봉된 공간을 규정하는 임의의 유형의 구조를 의미하고 포함한다.
본원에서 사용된 것과 같이, 용어 "원치 않는 침착물(undesirable deposit)"은 재료가 침착되도록 의도되지 않은 체임버 내의 표면 상에 침착되는 임의의 재료를 의미하고 포함한다.
본 발명의 실시예들은 침착 시스템 내에서, 더 상세하게는 반도체 침착 시스템 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 프로세스들 및 시스템들을 포함한다. 도 1은 본 발명의 실시예들에서 이용될 수 있는 비제한적인 예시적인 침착 시스템(100)을 도시한다. 반도체 침착 시스템(100)은 반응 체임버(102)를 구비할 수 있고, 여기서 반응 체임버(102)는 상벽(104), 저벽(106), 및 적어도 하나의 측벽을 구비하고, 이들은 함께 반응 체임버(102) 내에 적어도 실질적으로 밀봉된 공간을 규정한다.
비제한 예들에 있어서, 반도체 침착 시스템(100)은 예를 들어 질화 갈륨, 질화 알루미늄, 질화 인듐 및 그것의 합금들과 같은 III-질화물 반도체 재료들의 침착을 위해 이용되는 HVPE 반도체 침착 시스템을 포함할 수 있다. 예시적인 HVPE 반도체 침착 시스템은 솔로몬(Solomon) 등에게 2001년 1월 30일에 발행된 미국 특허 제 6,179,913 호에 기재된 것과 같이 III족-프리커서의 발생을 위한 내부 액체 갈륨 소스를 이용할 수 있고, 그 특허의 전체 개시내용은 참조로 본원에 포함된다. 추가의 예들에 있어서, HVPE 반도체 침착 시스템들은 반응 체임버 내에 직접 주입되는, GaCl3 프리커서의 외부 소스로부터 발생하는 III족-프리커서의 소스를 채용할 수 있다. 이와 같은 방법들 및 시스템들의 예들은 예를 들어, 아레나(Arena) 등의 이름으로 2009면 9월 10일에 공개된 미국 특허 출원 공개번호 제 US 2009/0223442 A1 호에 개시되어 있고, 그 공보의 전체 개시내용은 참조로 본원에 포함된다.
하나 이상의 반응 체임버 고정구들(124A-C)은 반응 체임버 내에 배치될 수 있다. 반응 체임버 고정구들(124A-C)은 기판 지지 구조(124A)(하나 이상 피가공 기판들(116)을 지지하기 위한), 공정 가스 주입기(124B)(하나 이상의 공정 가스들을 주입하기 위한), 및 하나 이상의 수동 열전달 구조들(passive heat transfer structures; 124C)(공정 가스들에 열 에너지를 제공하기 위한) 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 반응 체임버 고정구들(124A-C)은 원치 않는 침착물들의 축적(accumulation)에 영향받기 쉬울 수 있는 재료들로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 반응 체임버 고정구들(124A-C)은 탄화 규소, 탄화 붕소 및/또는 그라파이트(graphite)와 같은 재료들로부터 제조될 수 있다.
하나 이상의 침착 사이클들 중, 즉, 피가공 기판들(116) 위에서의 반도체 재료의 성장 중, 원치 않는 침착물들은 재료가 침착되도록 의도된 피가공 기판들(116) 상의 것들 외에 반도체 침착 시스템(100) 내의 표면들 상에 축적될 수 있다. 예를 들어, 원치 않는 침착물들은 반응 체임버(102)의 벽들 중 하나 이상의 위 및/또는 반응 체임버(102) 내에 배치된 반응 체임버 고정구들(124A-C) 중 하나 이상의 위에서 반응 체임버(102) 내에 축적할 수 있다. 하나 이상의 세정 프로세스들은 반응 체임버(102)의 벽들 중 하나 이상의 표면들로부터, 및/또는 반응 체임버(102) 내에 배치된 하나 이상의 반응 체임버 고정구들(124A-C)의 표면들로부터 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하기 위해 반응 체임버(102) 내에서 수행될 수 있다. 환언하면, 원치 않는 침착물들은 반도체 공정 가스들에 노출된 반응 체임버(102) 내의 위치들로부터 제거될 수 있다. 반도체 재료들을 침착하기 위한 프로세스들 및 시스템들이 이하에 간단히 기재되는데, 그 이유는 이들이 반응 체임버(102) 내에서 원치 않는 침착물들의 형성과 관련이 있기 때문이다.
반도체 침착 시스템(100)을 이용하는 반도체 재료들의 침착은 가스 주입 장치(110)에 의해 반응 체임버(102) 내로 공정 가스들을 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 공정 가스들은 가스 소스들로부터 가스 도관들(120A-120E)을 통해 가스 주입 장치(110)로 유동시킬 수 있고, 이후 개개의 가스 주입기들, 예컨대 공정 가스 주입기(124B)를 통해 반응 체임버(102) 내로 주입될 수 있다. 침착 목적들을 위해, 공정 가스들은 III족 프리커서 가스들, V족 프리커서 가스들, 캐리어 가스들, 도펀트 가스들 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
비제한적인 예시적인 침착 사이클에서, III족 프리커서는 GaCl3을 포함할 수 있다. GaCl3은 가스 소스들(108)로부터 가스 가열 장치(130)를 통해 유동할 수 있고, 여기서 GaCl3은 가열된다. 일부 실시예들에 있어서, GaCl3은 가스 가열 장치(130) 내에서 적어도 부분적으로 분해될 수 있다. 가열된/분해된 GaCl3은 이어서 가스 도관(120D)으로부터 가스 주입 장치(110)로 유동하고 공정 가스 주입기(124B)를 통해 반응 체임버(102) 내로 주입된다. 하나 이상의 추가 공정 가스들, 예컨대 하나 이상의 V족-프리커서들(예컨대, NH3), 도펀트들(예컨대, 실란(silane)) 및 캐리어 및/또는 퍼지 가스들(예컨대, H2, N2, Ar)이 또한 가스 도관들(120A, 120B, 120C, 120E)을 경유하여 가스 주입 장치(110)를 통해 반응 체임버(102)에 도입될 수 있다.
반응 체임버(102)로의 공정 가스들의 주입 시, III족 프리커서 및 V족 프리커서는 기판 지지 구조(124A)에 의해 지지되는 가열된 피가공 기판(116)과 상호 작용할 수 있다. III족 프리커서와 V족 프리커서 간의 상호 작용(예컨대, 반응)은 상승된 온도에서, 예를 들어 대략 500 ℃와 대략 1100 ℃ 사이의 온도들에서 일어날 수 있다.
이와 같은 상승된 온도 프로세스들을 달성하기 위한 가열은 적외선 에너지를 방사하도록 구성된 복사 가열 램프들(radiant heating lamps)을 포함할 수 있는 가열 요소들(118)에 의해 제공될 수 있다. 가열 요소들(118)은 기판 지지 구조(124A) 및 그 위에 지지되는 피가공 기판들(116)에 복사 에너지를 부여하도록 위치되고 구성될 수 있다. 추가의 실시예들에서, 가열 요소들(118)은 반응 체임버(102) 위에 위치될 수 있고, 또는 반응 체임버(102) 아래에 위치된 가열 요소들(118) 및 반응 체임버(102) 위에 위치된 가열 요소들 모두를 포함할 수 있다.
선택적으로, 공정 가스들의 추가 가열은, 프리커서 가스들로의 열의 전달을 향상시키기 위해 반응 체임버(102) 내에 위치될 수 있는 수동 열전달 구조들(124C)(예컨대, 흑체(black body)와 유사하게 작용하는 재료들을 포함하는 구조들)에 의해 제공될 수 있다. 수동 열전달 구조들은 예를 들어, 아레나(Arena) 등의 이름으로 2009년 8월 27일자로 공개된 미국 특허 출원 공개번호 제 US 2009/0214785 Al 호에 개시된 것과 같은 반응 체임버(102) 내에 제공될 수 있고, 그 출원의 전체 개시내용은 참조로 본원에 포함된다.
예이지만 제한하지 않은 것으로서, 침착 시스템(100)은 도 1에 나타낸 것과 같이, 반응 체임버(102) 내에서 하나 이상의 수동 열전달 구조들(124C)을 포함할 수 있다. 이들 수동 열전달 플레이트들(passive heat transfer plates; 124C)은 대략 평평할 수 있고 상벽(104) 및 저벽(106)과 대략 평행하게 배향될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이들 수동 열전달 구조들(124C)은 저벽(106)보다 상벽(104)에 더 가까이 위치될 수 있어, 이들은 피가공 기판(116)이 반응 체임버(102) 내에 배치되는 평면에 수직인 평면에 위치된다. 수동 열전달 구조들(124C)은 도 1에 나타낸 반응 체임버(102) 내에서 공간의 일부만을 가로질러 연장할 수 있고, 또는 이들은 반응 체임버(102) 내의 전체 공간을 실질적으로 가로질러 연장할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 퍼지 가스는 반응 체임버(102) 내에서 상벽(104)의 내측 표면 위에서의 재료의 원치 않는 침착물을 감소시키기 위해 반응 체임버(102)의 상벽(104)과 하나 이상의 수동 열전달 구조들(124C) 사이의 공간에 반응 체임버(102)를 통해 유동되게 할 수 있다. 이와 같은 퍼지 가스는 예를 들어 가스 유입 도관(120A)으로부터 공급될 수 있다. 물론, 도 1의 열 전달 구조들(124C)의 것들 이외의 구성들을 가지는 수동 열전달 구조들은 추가 실시예들에서는 반응 체임버(102) 내에 포함될 수 있고, 이와 같은 열 전달 플레이트들은 도 1의 열 전달 플레이트들(124C)이 위치되는 것들 이외의 위치들에 위치될 수 있다.
본원에 개략 설명된 침착 프로세스들 동안, 원치 않는 침착물들이 반응 체임버(102) 내에, 예컨대 반응 체임버(102)의 하나 이상의 벽의 표면들 위, 및/또는 반응 체임버(102)에 배치된 반응 체임버 고정구들(124A-C)의 표면들 위에 축적될 수 있다. 원치 않는 침착물들은 반응 체임버(102)와 결합된 고정구들 및 벽들의 표면들 상에 직접 형성될 수 있고, 또는 이들은 기체상(gas phase)으로 형성될 수 있고 이어서 이와 같은 표면들로 운반되어 침착될 수 있다.
원치 않는 침착물들은 예를 들어 III족 염화물과 암모니아 간의 반응에 의해 생성되는 생성물들 및 부산물들을 포함할 수 있다. III족 질화물 재료들의 침착을 위해 의도된 참착 프로세스들 동안, 반응 체임버(102) 내의 의도하지 않은 위치들에서(예컨대, 피가공 기판들(116) 상에 침착되지 않을 때), III족 질화물, 예컨대 질화 갈륨의 침착이 원치 않는 침착물의 형성을 구성할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 비제한 예들로서, 원치 않는 침착물들은 염화 암모늄 염들, 염화 갈륨, 갈륨, 및 질화 갈륨 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본원에 기재된 방법들의 실시예들은 반응 체임버(102) 내에서 이와 같은 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하기 위한 세정 프로세스들을 포함한다. 일반적으로, 세정 프로세스들은 반도체 침착 시스템(100) 내에서 수행되는 침착 사이클들 이전에 및/또는 침착 사이클들에 이어서 수행될 수 있다.
반도체 침착 시스템 세정 프로세스들의 실시예들이 예시적인 반도체 침착 시스템(100)(도 1) 및 도 2에 나타낸 예시적인 가스 가열 장치(130)를 참조하여 기재된다. 반도체 침착 시스템(100)은 사전 세정 상태(pre-clean state)로 놓일 수 있다. 예를 들어, 반도체 침착 시스템(100)은 가스 주입 장치(110)를 통한 반도체 공정 가스들의 흐름을 중단시키고, 반응 체임버(102)로부터 피가공 기판들(116)을 언로딩(unloading)하고, 대략 400 ℃보다 낮게 반응 체임버(102) 내의 온도를 설정하여 사전 세정 상태로 놓을 수 있다.
침착 시스템(100)을 사전 세정 상태로 놓았을 때, 세정 프로세스가 진행될 수 있다. 세정 프로세스는 사전 제거 단계, 제거 단계 및 후 제거 단계를 포함하는 하나 이상의 단계들을 포함할 수 있다. 세정 프로세스는 반도체 침착 시스템(100)을 후 세정 상태로 놓음으로써 끝날 수 있다.
사전 제거 단계는 세정 가스의 소스를 반응 체임버(102)에 공급하는 것 및 가스 가열 장치(130)를 통해 세정 가스를 유동시켜 세정 가스를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 세정 가스는 단일 세정 가스 또는 세정 가스들의 조합을 포함할 수 있고, 가스 소스들(108) 중 하나 이상으로부터 공급될 수 있다. 세정 가스는 배기 시스템(184)의 배출 채널(114)을 통해 반응 체임버(102)로부터 제거될 수 있는 하나 이상의 반응 생성물들(예컨대, 가스들, 증기들, 또는 가스들 또는 증기들 내에서 행해질 수 있는 고체 입자들)을 형성하기 위해 반응 체임버(102) 내에서 표면들 상의 원치 않는 침착물들과 반응하도록 그것의 능력을 위해 선택되는 조성을 가질 수 있다. 특히, 세정 가스는 후속 침착 사이클들에서 피가공 기판들(116) 상에 침착될 반도체 재료를 오염시킬 수 있고 또는 반응 체임버(102)의 손상으로 이어질 수 있는 잔류물들을 남기지 않아야 한다. 예를 들어, 세정 가스는 원치 않는 침착물들을 (열역학적으로) 강제로 분해시키기 위해 선택될 수 있다.
세정 프로세스들의 일부 실시예들에서, 세정 가스는 할로겐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세정 가스는 염소 및/또는 불소를 포함하는 하나 이상의 기체 종들(gaseous species)을 포함할 수 있다. 염소 함유 가스를 이용할 때, 염소 함유 가스는 염소(예컨대, Cl, Cl2) 및/또는 기체 염산(HCl) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 할로겐 함유 가스 외에, 세정 가스는 또한 추가 성분 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 추가 성분 가스는 수소 가스를 포함할 수 있다.
세정 가스의 가열은 가스 가열 장치(130)에 의해 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 하나의 예시적인 실시예에서, 일부 실시예들에서 가스 가열 장치는 반응 체임버(102) 내부에 또는 심지어 부분적으로 반응 체임버(102) 내에 배치될 수 있지만, 가스 가열 장치(130)는 반응 체임버(102) 외부에 배치될 수 있다. 본 발명의 방법들에 이용될 수 있는 가스 가열 장치의 예가, 예를 들어, 모든 목적들을 위해 이러한 인용문헌에 의해, 그 전체가 본원에 포함되는, 아레나 등에 의해 2009년 3월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제 61/157,112 호에 상세히 기재되었다.
도 2를 참조하면, 가스 가열 장치(130)는 가스 유입 포트(202) 및 가스 배출 포트(204)를 포함할 수 있고, 기체 유동 경로(206)는 도관(예컨대, 튜브)을 통해 가스 유입 포트(202)와 가스 배출 포트(204) 사이에서 가스 가열 장치(130)를 통해 연장한다. 기체 유동 경로(206)는 기체 유동 경로(206)를 통해 유동하는 세정 가스에 열 에너지를 공급하기 위해 이용되는 가스로(208)를 통해 연장한다.
도 2에 도시된 것과 같이, 기체 유동 경로(206)는 그것이 코일 구성(coil configruration)을 가지는 적어도 하나의 섹션을 포함하도록 구성될 수 있다. 코일 구성이 기체 유동 경로(206)를 위해 이용될 수 있어, 가스 유입 포트(202)와 가스 배출 포트(204) 사이의 기체 유동 경로 길이는 가스 유입 포트(202)와 가스 배출 포트(204) 사이의 실제 물리적 거리보다 길다. 가스 유입 포트(202)와 가스 배출 포트(204) 사이의 물리적 거리를 증가시키는 것은 가스로(208)를 통해 세정 가스의 잔류 시간(residence time)을 증가시킬 수 있어, 가스로(208)의 가열 능력(heating capacity)을 향상시킬 수 있다. 코일 구성들 이외의 구성들, 예컨대 사형 구성들(serpentine-shaped configurations)이 또한 채용될 수 있다.
가스로(208)는 열 에너지를 세정 가스에 공급하기 위한 능동 및 수동 가열 요소들을 구비할 수 있다. 예를 들어, 가스로(208)는 기체 유동 경로(206)에 근접하여 배치될 수 있는 하나 이상의 능동 가열 요소들(210)을 구비할 수 있다. 능동 가열 요소들(210)은 예를 들어, 저항 가열 요소들, 복사 가열 요소들, 및 무선 주파수 가열 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가스로(208)는 또한 흑체 구조, 예컨대 열을 재방사하는 흑체 물질(예컨대, 탄화 규소)을 포함하는 봉(rod)을 포함할 수 있는, 예를 들어, 수동 가열 요소(212)와 같은 수동 가열 요소들을 포함할 수 있다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 기체 유동 경로(206)는 몇몇 실시예들에서는 수동 가열 요소(212) 주위로(예컨대 코일 내에서) 연장할 수 있다.
가스 가열 장치(130)는 침착 시스템(100)으로부터 원치 않는 침착물들의 제거 효율을 향상시키기 위해 세정 가스에 열 에너지를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 세정 가스는 가스 가열 장치(130)를 이용하여 대략 600℃ 이상의 온도, 대략 800℃ 이상의 온도, 또는 심지어 대략 1000℃ 이상의 온도로 가열될 수 있다.
가스 가열 장치(130)를 이용하여 세정 가스를 가열한 후, 세정 가스는 프리커서 가스 주입기(124B)를 통해 반응 체임버(102) 내에 도입될 수 있다. 가스-세정 프로세스의 제거 단계는 반응 체임버(102) 안으로부터, 예컨대 반응 체임버(102)의 하나 이상의 벽들의 표면들로부터, 및/또는 반응 체임버(102) 내에 배치된 하나 이상의 반응 체임버 고정구들(124A-C)의 표면들로부터 원치 않는 침착물들을 제거하기 위해 가열된 세정 가스를 이용하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 세정 프로세스의 제거 단계는 하나 이상의 반응 생성물들을 형성하기 위해 원치 않는 침착물들과 세정 가스를 반응시켜 반응 체임버(102) 안으로부터 원치 않는 침착물들 중 적어도 일부를 제거하는 것, 및 배출 채널(114)을 통해 반응 체임버(102)로부터 하나 이상의 반응 생성물들을 배출하는 것을 포함한다.
세정 프로세스의 제거 단계는 단일 제거 단계 또는 다수의 제거 단계들을 포함할 수 있고, 이들 각각은 상이한 유형들의 침착물들의 제거에 맞추어질 수 있는 유사한 또는 상이한 세정 가스 화학(chemistries)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 제거 단계는 반응 체임버 내의 제 1 존으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하기 위한 제거 단계, 및 반응 체임버 내의 제 2 존으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하기 위한 제거 단계를 포함할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 제거 단계는 가스 가열 장치(130)의 가스 배출 포트(204)에 또한 결합되는 가스 주입 장치(110)와 유체 연통하는 프리커서 가스 주입기(124B)를 통해 반응 체임버(102)에 가열된 세정 가스를 도입하여 시작할 수 있다.
세정 프로세스의 제거 단계는 수소 가스 및 기체 염산의 기체 혼합물을 포함하도록 세정 가스를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 세정 프로세스의 제거 단계 중 수소 가스의 유량(flow rate)은 약 10 sl과 약 100 sl 사이의 체적을 가지는 반응 체임버(102)에 대해 대략 1 slm과 대략 30 slm 사이, 대략 1 slm과 대략 15 slm 사이, 또는 심지어 대략 1 slm과 대략 10 slm 사이에 있을 수 있다. 세정 프로세스의 제거 단계 중 기체 염산의 유량은 약 10 sl과 약 100 sl 사이의 체적을 가지는 반응 체임버(102)에 대해 대략 1 slm과 대략 100 slm 사이, 대략 1 slm과 대략 50 slm 사이, 또는 심지어 대략 1 slm과 대략 30 slm 사이에 있을 수 있다.
반응 체임버(102) 내의 압력은 또한 세정 프로세스의 제거 단계 중 반응 체임버(102) 안으로부터 원치 않는 침착물들의 제거 효율을 제어하는데 있어서 파라미터로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 세정 프로세스의 제거 단계 중, 반응 체임버(102) 내의 압력은 대략 1 Torr와 대략 800 Torr 사이, 대략 200 Torr와 대략 760 Torr 사이에 있을 수 있다.
반응 체임버(102) 내의 압력을 제어하는 것에 더하여, 반응 체임버(102) 내의 온도가 또한 세정 프로세스의 제거 단계 중 반응 체임버(102) 안으로부터 원치 않는 침착물들의 제거 효율을 향상시키기 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 반응 체임버는 세정 프로세스의 제거 단계 중 대략 600 ℃와 대략 800℃ 사이, 대략 600℃와 대략 1000℃ 사이, 또는 심지어 대략 600℃와 대략 1200℃ 사이의 온도들 또는 온도로 유지될 수 있다.
본원에서 이전에 기재된 것과 같이, 세정 프로세스의 몇몇 실시예들에서, 제거 단계는 2이상의 제거 단계들을 포함할 수 있다. 2이상의 제거 단계들은 반응 체임버(102) 내의 상이한 영역들로부터 원치 않는 침착물들을 우선적으로 제거하기 위해 이용될 수 있다. 2이상의 제거 단계들 각각은 세정 프로세스 파라미터들(예컨대, 반응기 압력, 반응기 온도, 세정 가스 조성, 세정 가스 유량들 등.) 중 하나 이상을 변화시켜 확립될 수 있다. 예를 들어, 제거 단계는 반응 체임버(102) 내의 제 1 존으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있고, 후속 제거 단계는 반응 체임버(102) 내의 제 2 존으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있다.
더 상세하게, 도 3은 반도체 침착 시스템(100)과 결합된 예시적인 반응 체임버(102)의 단순화된 횡단면도를 도시한다. 2이상의 제거 단계들을 포함하는 세정 프로세스의 비제한적인 예로서, 세정 프로세스는 반응 체임버(l02) 내의 제 1 존(300)으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있는 제거 단계를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 제 1 존(300)은 배출 채널(114)에 대해서보다 프리커서 가스 주입기(124B)에 대해 더 근접하여 반응 체임버(102) 내에 배치될 수 있다. 환언하면, 하나의 제거 단계 동안, 원치 않는 침착물들은 반응 체임버(102)로부터 반응 생성물 또는 생성물들의 제거 지점에 더 근접한 위치들에 비해 반응 체임버(102) 내로의 세정 가스의 주입 지점에 더 근접한 위치들로부터 우선적으로 제거될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 반응 체임버(102) 내의 제 1 존(300)으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있는 제거 단계는 세정 프로세스 파라미터들의 세트를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 세정 프로세스의 이러한 제거 단계는 대략 300 Torr과 대략 760 Torr에 있도록 반응 체임버 내의 압력을 선택하는 것, 대략 1 slm과 대략 10 slm 사이에 있도록 수소 가스 유량을 선택하는 것, 및 대략 1 slm과 대략 10 slm 사이에 있도록 기체 염산 유량을 추가 선택하는 것을 포함할 수 있다.
후속 제거 단계는 반응 체임버(102) 내의 제 2 존(302)으로부터 우선적으로 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있다. 제 2 존(302)은 프리커서 가스 주입기(124B)에 대해서보다 배출 채널(114)에 더 근접하여 배치될 수 있다. 환언하면, 제거 단계 중, 원치 않는 침착물들은 반응 체임버(102) 내로의 세정 가스의 주입 지점에 대해 반응 체임버(102)로부터의 반응 생성물 또는 생성물들의 제거 지점에 더 근접한 위치들로부터 우선적으로 제거될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 반응 체임버(102) 내의 제 2 존(302)으로부터 우선적으로 원치 않는 침착들의 적어도 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있는 제거 단계는 세정 프로세스 파라미터들의 추가의 상이한 세트를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 세정 프로세스의 이러한 제거 단계는 대략 200 Torr과 대략 800 Torr 사이에 있도록 반응 체임버 내의 압력을 선택하는 것, 대략 1 slm과 대략 10 slm 사이에 있도록 수소 가스 유량을 선택하는 것 및 대략 10 slm과 대략 30 slm 사이에 있도록 기체 염산 유량을 추가 선택하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 제거 단계들의 진행이 모니터링될 수 있어 세정은 반도체 침착 시스템(100)과 결합된 반응 체임버(102)가 충분히 세정될 때 조작자 지연(operator delay) 없이 자동으로 중단될 수 있다. 세정 프로세스의 이와 같은 모니터링은 반응 체임버 벽들의 광학 특성들을 모니터링 또는 감지하여, 및/또는 세정 프로세스 동안 반응 체임버(102)로부터 배출되는 가스들의 조성을 샘플링하여 제공될 수 있다.
일반 반응 체임버(102)가 충분히 세정된 것으로 간주되면, 제거 단계는 완료될 수 있다. 제거 단계의 완료시, 후 제거 단계가 시작될 수 있다. 예를 들어, 후 제거 단계는 반응 체임버(102) 안으로부터 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거한 후 반응 체임버(102) 안으로부터 잔류 세정 가스의 적어도 일부를 제거하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 잔류 세정 가스의 적어도 일부는 1회 이상 반응 체임버(102)를 퍼징하여 반응 체임버(102) 안으로부터 제거될 수 있다. 반응 체임버(102)를 퍼징하는 것은 불활성 가스로 반응 체임버를 퍼징하는 것 및 활성 가스로 반응 체임버를 퍼징하는 것 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기재된 것과 같이, 세정 프로세스의 후 제거 단계가 반응 체임버(102)로부터 잔류 세정 가스를 제거하기 위해 이용될 수 있어 반응 체임버(102)의 청정도(cleanliness)가 추가 침착 사이클들을 위해 수용 가능한 레벨로 복원될 수 있다. 예시적인 퍼지 단계들(purge stages)은, 특별한 순서 없이, 이하에 더 상세히 논의되는 것과 같이, 고온 불활성 가스 퍼지 및 고온 활성 가스 퍼지를 포함할 수 있다. 이들 퍼지 단계 또는 단계들은 반응 체임버(102)가 잔류 세정 가스, 예컨대 염소를 포함하는 가스들이 충분히 없는 것으로 간주될 때까지 1회 이상 반복될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 고온 불활성 가스 퍼지는 반응 체임버(102) 내로 수소 가스를 도입하는 것 및 어떤 기간 동안 반응 체임버 내의 온도를 상승시키는 것을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 수소 가스는 대략 5 slm과 대략 50 slm 사이의 유량으로 반응 체임버(102) 내로 유동할 수 있고, 반응 체임버(102) 내의 온도는 대략 600℃ 이상, 대략 800℃ 이상, 또는 심지어 대략 1200℃ 이상으로 증가될 수 있다. 고온 불활성 가스 퍼지는 대략 1분과 대략 10분 사이의 기간 동안 계속될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 고온 활성 가스 퍼지는 반응 체임버(102) 내로 암모니아 가스를 도입하는 것 및 어떤 기간 동안 반응 체임버 내의 온도를 상승시키는 것을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 암모니아 가스는 대략 1 slm과 대략 20 slm 사이의 유량으로 반응 체임버(102) 내로 유동할 수 있고, 반응 체임버(102) 내의 온도는 대략 600℃ 이상, 대략 800℃ 이상, 또는 심지어 대략 1200℃ 이상까지 증가될 수 있다. 고온 활성 가스 퍼지는 대략 1분과 대략 10분 사이의 기간 동안 계속될 수 있다.
세정 프로세스의 퍼지 단계들의 완료 시, 침착 시스템(100)은 후 세정 상태로 놓일 수 있다. 예를 들어, 침착 시스템(100)에 대한 후 세정 상태는 반응 체임버(102) 내로 피가공 기판들(116)을 로딩하는 것 및 반응 체임버(102) 내의 온도를 400℃보다 낮게 설정하는 것을 포함할 수 있다. 이와 같은 후 세정 상태는 후속 반도체 재료 침착 사이클들을 위한 침착 시스템을 준비하기 위해 이용될 수 있다.
위에 기재한 본 발명의 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않는데, 그 이유는 이들 실시예들이 첨부 청구항들의 범위 및 이들의 법적 등가물들에 의해 규정되는 본 발명의 실시예들의 단지 예들이기 때문이다. 어떠한 등가의 실시예들도 이 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 실제로, 본원에 나타내고 기재된 것들 이외에, 본 발명의 여러 변형들, 예컨대 기재된 요소들의 대안의 유용한 조합들이 상세한 설명으로부터 이 기술에서 숙련된 사람들에게 명백하게 될 것이다. 이와 같은 변형들은 또한 첨부 청구항들의 범위 내에 속하도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 반도체 침착 시스템들과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 가스로(gas furnace)를 통해 연장하는 적어도 하나의 기체 유동 경로를 통해 세정 가스를 유동시켜 세정 가스를 가열하는 단계;
    공정 가스 주입기(process gas injector)를 통해 상기 반응 체임버 내로 상기 세정 가스를 도입하는 단계; 및
    적어도 하나의 반응 생성물을 형성하기 위해 상기 세정 가스를 상기 원치 않는 침착물들의 상기 일부와 반응시키고 상기 반응 체임버로부터 상기 적어도 하나의 반응 생성물을 배출하여 상기 반응 체임버 안으로부터 상기 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    염소 함유 가스 및 수소 가스 중 하나 이상을 포함하도록 상기 세정 가스를 선택하는 단계를 더 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 가스로를 통해 연장하는 상기 적어도 하나의 기체 유동 경로를 통해 상기 세정 가스를 유동시키는 단계는 코일 구성(coil configuration)을 가지는 적어도 하나의 기체 유동 경로 섹션을 통해 상기 세정 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    대략 600℃ 이상의 온도까지 상기 세정 가스를 가열하는 단계를 더 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거하는 단계는
    제 1 세정 단계에서 상기 반응 체임버 내의 제 1 존(first zone)으로부터 우선적으로 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하는 단계; 및
    이어서 제 2 세정 단계에서 상기 반응 체임버의 제 2 존 안으로부터 우선적으로 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응 체임버 내의 제 1 존으로부터 우선적으로 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하는 단계는 상기 반응 체임버의 배출 채널(exhaust channel)에 대해서보다 상기 공정 가스 주입기에 더 근접하여 배치된 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 우선적으로 제거하는 단계를 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응 체임버 내의 제 2 존으로부터 우선적으로 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 제거하는 단계는 상기 공정 가스 주입기에 대해서보다 상기 반응 체임버의 배출 채널에 더 근접하여 배치된 상기 원치 않는 침착물들의 일부를 우선적으로 제거하는 단계를 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 체임버 안으로부터 상기 원치 않는 침착물들의 적어도 일부를 제거한 후 상기 반응 체임버 안으로부터 잔류 세정 가스의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반응 체임버 안으로부터 상기 잔류 세정 가스의 적어도 일부를 제거하는 단계는 1회 이상 상기 반응 체임버를 퍼징(purging)하는 단계를 더 포함하고, 1회 이상 상기 반응 체임버를 퍼징하는 단계는 불활성 가스 및 활성 가스(active gas) 중 적어도 하나로 상기 반응 체임버를 퍼징하는 단계를 포함하는, 원치 않는 침착물들을 감소시키기 위한 방법.
  10. 반도체 침착 시스템과 결합된 반응 체임버 내에서 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템으로서,
    세정 가스의 소스;
    상기 세정 가스의 소스와 결합된 상기 세정 가스를 가열하기 위한 가스 가열 장치로서, 상기 가스 가열 장치는 적어도 하나의 가스로를 통해 연장하는 적어도 하나의 기체 유동 경로를 포함하는, 상기 가스 가열 장치, 및
    상벽, 저벽, 및 적어도 하나의 측벽에 의해 규정되는 적어도 실질적으로 밀봉된 반응 체임버를 포함하고, 상기 반응 체임버는 상기 가스 가열 장치와 유체 연통(fluidic communication)하는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 세정 가스의 소스는 염소 함유 가스 및 수소 가스 중 하나 이상을 포함하는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 가열 장치는 상기 반응 체임버의 외부에 배치되는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 가열 장치는:
    가스 유입구(gas inlet);
    가스 배출구(gas outlet); 및
    상기 가스 유입구로부터 상기 가스 배출구로 연장하는 기체 유동 경로를 포함하고;
    상기 기체 유동 경로는 상기 가스 유입구와 상기 가스 배출구 간의 최단 거리보다 긴 길이를 가지는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기체 유동 경로는 코일형 구성(coiled configuration)을 가지는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 가열 장치는 상기 기체 유동 경로에 근접하여 배치되는 적어도 하나의 가열 요소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나 가열 요소는 저항 가열 요소(resistive heating element), 유도 가열 요소(inductive heating element), 및 복사 가열 요소(radiant heating element)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 능동 가열 요소를 포함하는, 원치 않는 침착물들을 제어하기 위한 시스템.
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