KR20150061104A - 에피택셜 웨이퍼 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정 가스의 흐름에 따라 에피택셜층을 성장시키는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치로서, 상기 공정 가스가 흐르는 영역을 제공하는 반응 챔버, 상기 반응 챔버 측면부를 둘러싸는 상부 라이너 및 하부 라이너; 상기 반응 챔버의 중심부에 배치되며, 웨이퍼가 안착되는 서셉터, 상기 서셉터와 동일 평면상에 배치되며, 상기 하부 라이너의 상면에 안착되면서 상기 서셉터와 이격되는 예열링 및 상기 예열링 하부에 형성되며, 상기 하부 라이너의 측면에 접촉되는 고정 부재를 포함하고, 상기 고정 부재는 상기 하부 라이너의 측면과 원주 방향의 접촉면을 갖는 돌출부로 구성되며, 상기 돌출부는 상기 예열링과 서셉터가 일정한 간격을 갖도록 고정되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 하부 라이너에 안착되는 예열링이 에피택셜 성장 공정 시 서셉터와 모든 방향에서 일정한 거리를 유지하도록 고정되므로, 웨이퍼 측으로 흐르는 반응 가스가 일정하게 제어되어 웨이퍼 에지부의 에피택셜 두께를 균일하게 형성할 수 있다.

Description

에피택셜 웨이퍼 성장 장치{Apparatus for Growing Epitaxial Wafer}
본 발명은 에피택셜 성장장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 웨이퍼 상에 실리콘 단결정의 에피택셜 박막을 성장시키는 에피택셜 성장 장치에 관한 것이다.
경면 가공된 실리콘 웨이퍼에 실리콘 단결정의 에피택셜 박막을 성장시킨 것을 에피택셜 실리콘 웨이퍼(epitaxial silicon wafer)라고 한다. 에피택셜 반응기 내의 서셉터 위에 웨이퍼를 안착시키고, 반응기의 일단에서 타단으로 원료 가스를 공급하고, 공급되는 원료 가스와 웨이퍼를 반응시켜 웨이퍼 표면에 에피택셜막을 성장시킨 것이다.
도 1은 일반적인 에피택셜 반응기를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반응 용기(101)의 외주면에는 하부 라이너(102)가 형성되고, 상기 하부 라이너(102) 안쪽으로 반응 용기(101)의 중심부에는 웨이퍼(W)가 안착되는 서셉터(105)가 마련된다. 그리고, 반응 용기(101) 일단에 배치되는 가스 도입구(103)를 통하여 공급되는 원료 가스는 서셉터 지지대(106, 107)에 의해 지지되는 서셉터(105) 상에 안착된 웨이퍼(W) 표면을 따라 흐르면서 에피택셜 막을 성장시키고, 배출구(104)를 통해 배출된다.
상기 하부 라이너(102)의 내주면에는 웨이퍼에 전해지는 열을 균일하게 하기 위한 예열링(108)이 안착되며, 상기 예열링(108)은 서셉터(105)와 동일 평면상에서 상기 서셉터(105)를 둘러싸도록 배치된다.
상기 예열링(108)은 하부 라이너(102)에 안착되는 평판의 링 형상으로, 에피택셜 증착 공정시 반응 챔버의 높은 열로 인한 열팽창 및 진동에 의해 움직임이 발생하게 된다.
도 2 및 도 3은 서셉터와 예열링이 접촉한 모습을 나타낸 평면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 예열링(108)의 움직임에 의해 서셉터(105)와 일부분이 접촉하게 되면, 서셉터(105) 상에 안착된 웨이퍼 상으로 흐르는 가스 흐름에 영향을 주어 특히 웨이퍼 에지부분의 두께가 불균일하게 증착되는 문제점이 발생하게 된다.
그리고, 예열링(108)이 하부 라이너(102)에 안착된 상태에서 움직임에 따라 하부 라이너(102)와의 마찰이 발생하여 파티클이 발생할 수 있고 이는 반응 용기(101) 내의 오염을 유발시켜 에피택셜 웨이퍼의 품질에 영향을 미치게 된다.
또한, 예열링(108)이 서셉터(105)와 접촉한 경우에는 마찰에 의해 서셉터(105)의 탄화규소(SiC) 코팅이 벗겨지고 서셉터(105) 내부에 포함된 금속물질이 파티클 형태로 발생되어 반응 용기(101) 내부의 메탈 오염을 야기하게 된다. 이는 에피택셜 웨이퍼의 품질에 큰 영향을 미치게 되며, 균일한 품질의 에피택셜 웨이퍼의 생산 수율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하부 라이너에 안착되는 예열링이 고온의 에피택셜 증착 공정시에 서셉터와 일정한 거리를 유지하면서 고정될 수 있는 수단을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 공정 가스의 흐름에 따라 에피택셜층을 성장시키는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치로서, 상기 공정 가스가 흐르는 영역을 제공하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 측면부를 둘러싸는 상부 라이너 및 하부 라이너; 상기 반응 챔버의 중심부에 배치되며, 웨이퍼가 안착되는 서셉터; 상기 서셉터와 동일 평면상에 배치되며, 상기 하부 라이너의 상면에 안착되면서 상기 서셉터와 이격되는 예열링; 및 상기 예열링 하부에 형성되며, 상기 하부 라이너의 측면에 접촉되는 고정 부재;를 포함하고, 상기 고정 부재는 상기 하부 라이너의 측면과 원주 방향의 접촉면을 갖는 돌출부로 구성되며, 상기 돌출부는 상기 예열링과 서셉터가 일정한 간격을 갖도록 고정된다.
본 발명에 따른 에피택셜 성장 장치는 하부 라이너에 안착되는 예열링이 에피택셜 성장 공정 시 서셉터와 모든 방향에서 일정한 거리를 유지하도록 고정되므로, 웨이퍼 측으로 흐르는 반응 가스가 일정하게 제어되어 웨이퍼 에지부의 에피택셜 두께를 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 예열링과 하부 라이너 간의 마찰로 발생할 수 있는 파티클을 감소시킬 수 있어 성장되는 에피택셜 웨이퍼의 오염을 방지할 수 있다.
그리고, 예열링과 서셉터가 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 예열링과 서셉터의 마찰로 서셉터의 표면이 벗겨져 발생하는 파티클에 의한 금속오염을 차단할 수 있으며, 성장되는 에피택셜 웨이퍼의 품질을 균일하게 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 에피택셜 반응기를 나타낸 단면도
도 2a 및 도 2b는 서셉터와 예열링이 접촉한 모습을 나타낸 평면도
도 3은 본 발명에 따른 에피택셜 성장 장치를 나타낸 단면도
도 4a는 본 발명에 따른 예열링을 나타낸 단면도
도 4b는 본 발명에 따른 예열링을 하부에서 바라본 평면도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예열링을 나타낸 단면도
도 6은 본 발명에 따른 예열링과 서셉터를 상면에서 바라본 평면도
도 7은 웨이퍼의 에피택셜 공정시 서셉터와 예열링이 접촉한 경우와 일정한 거리를 유지하는 경우의 LLS를 비교한 도면
도 8은 웨이퍼 에피택셜 공정시 서셉터와 예열링이 접촉한 경우와 일정한 거리를 유지하는 경우의 에피택셜막 두께 변화를 나타낸 그래프
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.
도 3은 본 발명에 따른 에피택셜 성장 장치(200)를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 에피택셜 성장장치(200)는 한장의 웨이퍼(W)에 대한 에피택셜 성장 공정을 수행하는 매엽식이며, 반응 챔버(201), 가스 공급부(203), 가스 배출부(204), 서셉터(205), 서셉터 지지대(206), 리프트 핀(207), 하부 라이너(202), 상부 라이너(212), 예열링(208) 및 메인 샤프트(211)을 포함한다.
반응 챔버(201)는 석영 재질로 구성되며, 상기 반응 챔버(201) 외주면을 따라 하부 라이너(202)가 형성되고, 하부 라이너(202) 상부에는 상부 라이너(212)가 형성된다. 상부 라이너(212)와 하부 라이너(202) 사이에는 소정의 공간이 마련되고, 일측의 공간에는 가스 공급부(203)가 형성되고 타측의 공간에는 가스 배출구(204)가 형성된다. 가스 공급부(203)를 통해 원료 가스가 반응 챔버(201) 내로 도입되어 웨이퍼 표면을 따라 흐른 뒤 가스 배출구(204)를 통해 배출된다.
서셉터(205)는 평탄한 원판 형상의 지지판으로 카본 그래파이트(carbon graphite) 또는 탄화규소로 이루어지며 반응 챔버(201)의 내부의 중심부에 배치되고, 그 상부 면에 박막 형성을 위한 웨이퍼(W)가 안착되도록 지지된다.
그리고, 서셉터(405)는 메인 샤프트(211)에 의해 지지되며, 메인 샤프트(211)의 일단에서 소정의 각도로 이격되며 복수개로 갈라진 서셉터 지지대(206)에 의해 서셉터(205)가 수평방향으로 지지될 수 있다. 상기 각각의 서셉터 지지대(206)의 일단에는 지지핀(207)이 형성되고, 각각의 지지핀(207)들은 서셉터(205)의 외주부분을 지지함으로써 서셉터(205)가 수평을 이루도록 한다.
예열링(208)은 서셉터(205)와 동일 평면상에 위치하도록 배치되며, 서셉터(205)에 인접하는 하부 라이너(202)의 외주면에 안착되는 판상으로 형성되어 웨이퍼에 전해지는 가스의 온도를 균일하게 하는 역할을 한다. 본 발명에서는 이러한 예열링(208)의 구조를 특징적으로 변경하는 실시예를 제안하는 것으로, 서셉터(205)와 예열링(208)이 같은 중심을 가지면서 이격된 거리가 모든 방향에서 일정한 예열링의 구조에 대해 하기 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4a는 본 발명에 따른 예열링을 나타낸 단면도이며, 도 3에서 점선 부분을 확대한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 하부 라이너(202)에 안착되는 예열링(208)의 하부면에는 고정 부재(209)가 마련될 수 있다. 상기 고정 부재(209)는 예열링(208)의 하부면에 형성되며, 예열링(208)의 수평 방향으로의 움직임을 차단하는 수단으로서 복수개의 면을 갖는 다각형의 구조물, 예를 들면 정육각형 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 고정 부재(209)의 면 중에서 하부 라이너(202)와 접촉하는 면은 하부 라이너(202)와 같은 곡률을 갖는 곡면 형태로 형성되어야 한다. 상기와 같이 고정 부재(209)가 하부 라이너(202) 측면에 정확히 접촉하는 면이 형성되므로, 예열링(208)이 수평 방향으로 긴밀하게 고정될 수 있으며, 움직임에 따른 파티클 발생도 감소시킬 수 있다.
도 4b는 본 발명에 따른 예열링을 하부에서 바라본 평면도이다. 도 4b를 참조하면, 예열링(208)의 하부에 형성되는 고정 부재(209)는 하부 라이너(202)의 측면과 소정의 접촉면적을 가지면서 복수개로 형성될 수 있다. 상기 고정 부재(209)는 예열링(208)의 수평 방향으로의 움직임을 차단하기 위해 적어도 3개 이상으로 형성된 복수개의 돌출부일 수 있고, 예열링(208)의 하부에 연속적으로 형성되면서 하부 라이너(202)와 접촉하는 링 형상의 구조물일 수도 있다.
도 4b는 본 발명에 따른 예열링을 하부에서 바라본 평면도이며, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다.
도 4b를 참조하면, 각각의 고정 부재(209)가 서로 대칭을 이루도록 형성될 수 있다. 즉, 예열링(208)을 따라 180도만큼 대칭되는 지점에 또 다른 고정 부재가 형성될 수 있다. 각각의 고정 부재(209)들이 예열링의 중심방향으로 일직선인 위치에 형성됨에 따라, 하부 라이너(202)에 용이하게 안착되기 위한 여유 마진을 설정하여 예열링(208)을 제작할 수 있으며, 예열링(208) 안착된 후에는 수평방향으로의 움직임을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
그리고, 각각의 고정 부재(209)는 모든 방향에서의 움직임을 방지하기 위해 예열링(208)의 둘레를 따라 동일한 간격으로 이격되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 고정 부재(209)는 상기 서셉터를 중심으로 주기적인 위치에 형성될 수 있다. 각각의 고정 부재(209)는 하부 라이너(209)와의 접촉 면적을 줄이기 위해 최대한 적은 갯수로 형성되는 것이 바람직하나, 예열링의 크기 및 하부 라이너와의 공정 조건에 따라 고정 부재(209)의 접촉면적과 갯수는 상관관계를 고려하여 선택할 수 있다. 본 발명에서는 각각의 고정 부재(209)가 예열링(208)의 중심을 기준으로 45도의 간격으로 배치되어, 하부 라이너(202)와 8개의 접촉면을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 고정 부재(209)는 예열링(208)의 제조시 하부면을 기설정된 형상으로 제거하여 돌출부를 형성한 일체형으로 제조될 수 있으며, 각각의 고정 부재(209)가 예열링(208)과의 탈부착이 가능한 형태로 제조한 분리형일 수 있다. 분리형으로 제조되는 경우에도, 고정 부재(209)와 예열링(208)은 같은 재질로 형성되어 같은 열팽창 특성을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
실시예와 같은 예열링이 구비된 에피택셜 성장장치에서는, 예열링과 서셉터 간의 마찰에 의해 서셉터의 SiC 코팅막이 벗겨져 발생할 수 있는 파티클에 의한 챔버 내의 오염을 감소시킬 수 있고, 예열링과 하부 라이너간의 마찰로 발생되는 파티클을 감소시킬 수 있어, 성장되는 에피택셜 웨이퍼의 오염을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예열링을 나타낸 단면도이다. 도 5를 참조하면, 예열링(208')이 하부 라이너(209)의 상면과 접촉하는 영역에는 소정의 깊이만큼 파여진 홈부(210)가 형성될 수 있다. 상기 홈부(210)는 상기 하부 라이너(202)의 상면과 비접촉하면서, 상기 예열링(208')의 내부에서 원주 방향을 따라 주기적으로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 홈부(210)는 예열링(208')과 하부 라이너(202)간의 접촉 면적을 최소화하기 위해 형성되는 비접촉부로서, 예열링(208)의 둘레를 따라 원형의 띠 형상을 가지면서 연속적으로 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 실질적으로 예열링(208)의 최외각부만이 하부 라이너(202)에 접촉하게 되며, 에피택셜 공정 중 열팽창에 의한 마찰이 발생하여도 파티클이 발생하는 것을 감소시킬 수 있다.
그리고, 예열링(208') 하부에 부착되는 고정 부재(209)는 도 4에 개시된 실시예와 마찬가지로 예열링(208') 하부에 부착되면서 복수개의 면을 갖는 구조물로 형성될 수 있다. 상기 고정 부재(209) 또한, 하부 라이너(202)의 측면과의 마찰을 최소화하기 위해서 비연속적으로 형성되는 복수개의 구조물인 것이 바람직하며, 각각의 고정 부재(209)의 간격, 하부 라이너(202)와의 접촉면적 및 형성되는 갯수는 예열링(208')의 크기, 공정 조건 등에 의해서 다양하게 변경될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 예열링과 서셉터를 상면에서 바라본 평면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 에피택셜 성장장치는 서셉터(205)와 예열링(208)이 동일 평면 상에 위치하면서 모든 방향에서 일정한 거리를 가지도록 이격되기 때문에 서셉터의 회전에 따라 웨이퍼 표면으로 흐르는 가스가 일정하게 제어될 수 있다.
그리고, 예열링(208)과 서셉터(205)가 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 서셉터의 표면이 벗겨져 서셉터의 내부 물질이 파티클 형태로 석출되어 발생할 수 있는 금속오염을 차단할 수 있고 성장되는 에피택셜 웨이퍼의 품질을 균일하게 제어할 수 있다.
도 7은 웨이퍼의 에피택셜 공정시 서셉터와 예열링이 접촉한 경우와 일정한 거리를 유지하는 경우 웨이퍼의 LLS(Localized Light Scatters) 결함을 비교한 도면이다.
도 7을 참조하면 (a)의 경우는 예열링과 서셉터가 접촉한 경우 웨이퍼 표면의 LLS 결함을 측정하여 나타낸 것이며, 특히 원으로 표시된 영역의 빨간색 부분은 0.2㎛의 패턴형 LLS가 나타났음을 확인할 수 있다.
(b)의 경우는 실시예 1 또는 2에 의한 예열링에 의해 서셉터와 예열링이 일정한 간격을 유지한 경우 웨이퍼 표면의 LLS를 측정하여 나타낸 것이며, 패턴형 LLS가 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 8은 웨이퍼 에피택셜 공정시 서셉터와 예열링이 접촉한 경우와 일정한 거리를 유지하는 경우의 에피택셜막 두께 변화를 반경 방향으로 나타낸 그래프이다.
서셉터와 예열링이 접촉하지 않고 일정한 거리를 유지하는 경우에는, 웨이퍼의 표면으로 흐르는 가스의 흐름이 일정하게 제어되어 웨이퍼에 증착되는 에피택셜막 두께는 반경 방향으로 대칭적인 증감을 갖도록 형성된다. 그러나, 서셉터와 예열링이 접촉하여 가스 흐름의 변동이 발생하게 되면, 상기와 같은 에피택셜막 두께 프로파일에 비대칭이 발생하게 되고 이는 웨이퍼의 에지부에서 특히 심하게 나타난다. 웨이퍼 두께가 비대칭적으로 형성되면, 웨이퍼의 평탄도 품질이 저하되며 이는 반도체 소자 제조 수율에 악영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명의 에피택셜 성장장치에 구비되는 예열링은 하부 라이너에 안착되면서, 예열링의 수평방향으로의 움직임을 차단할 수 있기 때문에 웨이퍼 표면으로 흐르는 가스의 흐름을 일정하게 제어하므로 에피택셜막 두께가 대칭적으로 형성되며, 웨이퍼의 평탄도를 개선하는데 유리한 장점을 갖는다.
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.
200 : 에피택셜 성장 장치 207 : 지지핀
202 : 하부 라이너 211 : 메인 샤프트
203 : 가스 도입부 212 : 상부 라이너
204 : 가스 배출구 208, 208' : 예열링
205 : 서셉터 209 : 고정부재
206 : 서셉터 지지대 210 : 홈부

Claims (13)

  1. 공정 가스의 흐름에 따라 에피택셜층을 성장시키는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치로서,
    상기 공정 가스가 흐르는 영역을 제공하는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 측면부를 둘러싸는 상부 라이너 및 하부 라이너;
    상기 반응 챔버의 중심부에 배치되며, 웨이퍼가 안착되는 서셉터;
    상기 서셉터와 동일 평면상에 배치되며, 상기 하부 라이너의 상면에 안착되면서 상기 서셉터와 이격되는 예열링; 및
    상기 예열링 하부에 형성되며, 상기 하부 라이너의 측면에 접촉되는 고정 부재;를 포함하고,
    상기 고정 부재는 상기 하부 라이너의 측면과 원주 방향의 접촉면을 갖는 돌출부로 구성되며, 상기 돌출부는 상기 예열링과 서셉터가 일정한 간격을 갖도록 고정되는 에피택셜 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 하부 라이너의 측면과 연속적인 접촉면을 가지는 원형의 링 형상인 것을 특징으로 하는 에패택셜 성장 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 적어도 3개 이상 형성되며, 상기 하부 라이너 측면과 적어도 3개 이상의 접촉면을 갖는 에피택셜 성장 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 고정 부재는 45도의 각도를 가지면서 예열링 하부의 원주 방향을 따라 8개가 형성되며, 상기 하부 라이너 측면과 8개의 접촉면을 갖는 에피택셜 성장 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 서셉터를 중심으로 서로 대칭되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 서셉터를 중심으로 주기적인 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 접촉면은 상기 하부 라이너 측면의 형상과 일치하는 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 예열링과 일체형인 에피택셜 성장 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 예열링과 착탈이 가능한 분리형인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 예열링이 상기 하부 라이너의 상면과 접촉하는 영역에는, 상부 예열링의 내부가 소정의 깊이로 파여진 홈부가 형성되는 에피택셜 성장 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 홈부는 상기 하부 라이너의 상면과 비접촉하면서, 상기 예열링의 내부에서 원주 방향을 따라 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 홈부는 원형의 띠 형상을 갖는 연속적인 공간인 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 홈부는 상기 하부 라이너의 상면과 비접촉하면서, 상기 예열링의 내부에서 원주 방향을 따라 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장 장치.
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