KR20190022808A - 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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KR20190022808A
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Abstract

코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 방법 및 디바이스로서, 서셉터 상에 놓여 있는 기판 웨이퍼 상에 층을 증착시키기 위해 반도체 재료의 기판 웨이퍼 위로 그리고 반응기 챔버 내로 제1 가스 유입구들을 통해 제1 유동 방향을 따라 프로세스 가스를 도입하는 단계 - 상기 프로세스 가스로부터 오는 재료는, 상기 서셉터 주위에 배열된 예열 링 상에 침전됨 - 와, 상기 반응기 챔버로부터 코팅된 기판 웨이퍼를 추출하는 단계를 포함하며, 상기 반응기 챔버로부터 상기 코팅된 기판 웨이퍼를 추출한 후, 상기 제1 가스 유입구를 통해 상기 제1 유동 방향을 따라 상기 반응기 챔버 내로, 그리고 상기 제1 가스 유입구들이 사이에 배열되는 제2 가스 유입구를 통해, 상기 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 예열 링 위에, 에칭 가스를 도입함으로써 상기 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 방법 및 디바이스
본 발명은 코팅된 반도체 웨이퍼, 바람직하게는 에피택셜 층을 갖는 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법, 및 이 방법을 수행하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 제조는, 기판 웨이퍼가 기상 증착(CVD)에 의해 개별적으로 코팅되는 반응기 챔버 내의 기판 웨이퍼 상에 층의 증착을 종종 수반한다. 이러한 반응기 챔버는, 라이너와 상부 및 하부 돔(dome)으로도 지칭되는 상부 및 하부 커버를 포함한다. 층의 증착 동안에, 기판 웨이퍼는 서셉터 상에 놓이고, 상부 및 하부 돔의 상하부에 배열된 상부 및 하부 램프 어레이로부터의 방사선에 의해 가열된다. 프로세스 가스는 가스 인젝터(injector)에 의해 가스 유입구(inlet opening)를 통해 반응기 챔버 내로 그리고 기판 웨이퍼 위에 공급되며, 프로세스 가스는 프로세스 가스에 노출된 기판 웨이퍼의 표면 상에 재료 층으로서 분해되고 부분적으로 증착된다. 또한, 재료는 반응기 챔버 내부, 특히 서셉터를 둘러싸는 예열 링 상에 침전될 수 있다. 의도하지 않은 이러한 재료 침전물은 세정 프로세스에 의해 특정 시간 간격에서 제거되어야 한다. 이것은 일반적으로 프로세스 가스 대신에 반응기 챔버 내로 가스 유입구를 통해, 재료 침전물과 반응하여 가스 반응 생성물을 형성하는 에칭 가스를 공급함으로써, 소위 챔버 에칭에 의해 행해진다. 이어서, 반응 생성물은 가스 배출구를 통해 반응기 챔버로부터 제거된다.
US 2015/0368796 A1은 에피택시 반응기에서 사용되는 가스 인젝터를 개시하고 있다. 상기 가스 인젝터는 에피택셜 층의 증착을 개선하기 위한 선택적 에피택셜 프로세스를 수행하기 위해, 제1 및 제2 가스 유입구에 프로세스 가스 및 에칭 가스를 연속적으로 또는 동시에 공급한다.
US 6245149는 에피택셜 층, 예를 들어 실리콘의 에피택셜 층으로 기판 웨이퍼를 코팅하는 디바이스 및 방법을 개시한다. 이 방법은 또한 에칭 가스로서 염화수소에 의한 챔버 에칭을 포함한다.
챔버 에칭은 기판 웨이퍼의 코팅이 그것 때문에 중단되어야 하기 때문에 생산성 손실을 수반한다. 서셉터에 바로 인접한 예열 링의 위치로 인해, 의도하지 않은 재료 침전물이 예열 링에서 가장 크다. 따라서, 챔버 에칭의 지속 기간은 본질적으로 예열 링으로부터 특정 두께의 재료 침전물을 제거하는데 필요한 시간에 의해 좌우된다.
본 발명의 목적은 이 시간을 가능한 한 짧게 만드는 것이다.
본 발명의 목적은, 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 의해 달성되며, 이 방법은, 서셉터 상에 놓여 있는 기판 웨이퍼 상에 층을 증착(deposit)시키기 위해 반도체 재료의 기판 웨이퍼 위로 그리고 반응기 챔버 내로 제1 가스 유입구들을 통해 제1 유동 방향을 따라 프로세스 가스를 도입하는 단계 - 상기 프로세스 가스로부터 오는 재료는, 상기 서셉터 주위에 배열된 예열 링 상에 침전됨 - 와, 상기 반응기 챔버로부터 코팅된 기판 웨이퍼를 추출하는 단계를 포함하며, 상기 반응기 챔버로부터 상기 코팅된 기판 웨이퍼를 추출한 후, 상기 제1 가스 유입구를 통해 제1 유동 방향을 따라 상기 반응기 챔버 내로 그리고 상기 제1 가스 유입구들이 사이에 배열되는 제2 가스 유입구를 통해, 상기 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 예열 링 위에, 에칭 가스를 도입함으로써 상기 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 챔버 에칭의 과정에서 예열 링 상의 재료 침전물을 제거하고, 이 경우에, 이러한 목적을 위해 제공되는 제2 가스 유입구들을 통해 추가로 에칭 가스를 공급하는 단계를 제공한다. 제2 가스 유입구는, 기판 웨이퍼의 코팅과 관련하여 또는 기판 웨이퍼의 에칭과 관련하여도, 기판 웨이퍼의 처리와 관련하여 중요하지 않다. 따라서, 제2 가스 유입구는 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 동안에만 사용된다.
예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 동안에 제1 가스 유입구로부터 유출되는 에칭 가스는, 가스 배출구의 방향으로의 유동 방향을 갖는다. 이러한 방식으로 생성된 에칭 가스 유동은, 예열 링의 내부 직경의 길이보다 크지 않은, 이 유동 방향을 가로지르는 폭을 갖는다. 이것은 제1 가스 유입의 실제 목적과 관련되는데, 제1 가스 유입구를 통해 반응기 챔버 내로 공급되는 가스 유동은, 처리가 프로세스 가스 및/또는 에칭 가스를 통과시키는 것을 포함하는지 여부에 관계없이, 주로 기판 웨이퍼를 처리하는데 사용된다. 기판 웨이퍼를 완전히 덮기 위하여, 발생된 가스 유동은 폭이 기판 웨이퍼의 직경 이상인 통로(corridor)에서 이동하여야만 한다. 그러나, 통로는 처리될 기판 웨이퍼로 공급되는 가스의 효과를 제한하기 위해, 기판 웨이퍼의 직경보다 실질적으로 더 넓지는 않을 것이다.
본 발명의 발명자는 제1 가스 유입구로부터 에칭 가스를 도입함으로써 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 것이 특히 효과적이지 않다는 것을 발견했다.
본 발명은 제1 가스 유입구가 사이에 배열되고 에칭 가스가 추가의 유동 방향들을 따라 부가적으로 공급되는 제2 가스 유입구를 제공함으로써 이를 개선하며, 상기 추가의 유동 방향들은 예열 링 상의 재료 침전물로 지향된다. 이러한 조치의 결과는 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 것이 더 짧은 시간 내에 완료될 수 있다는 것이다. 시간 절약은 상당하다.
예열 링으로부터의 재료 침전물의 제거는, 반응기 챔버로부터 코팅된 기판 웨이퍼를 추출한 후, 제1 유동 방향을 따라 제1 가스 유입구를 통해 그리고 추가의 유동 방향들을 따라 제2 가스 유입구를 통해 상기 반응기 챔버 내로 에칭 가스를 도입하는 것을 포함한다. 제1 유동 방향은 제1 가스 유입구로부터 시작하여, 반응기 챔버의 가스 배출구를 향하여 지향된다. 에칭 가스는 제1 유동 방향을 가로지르는 폭이 예열 링의 내부 직경의 길이보다 길지 않은 에칭 가스 유동의 형태로 제1 가스 도입구로부터 유출된다.
또한, 에칭 가스는 제2 가스 유입구를 통해 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 반응기 챔버 내로 공급된다. 따라서, 추가의 유동 방향들은 제1 유동 방향에 수직하게 지향되는 방향 성분을 갖는다.
반도체 재료의 기판 웨이퍼의 선택은, 원칙적으로 어떠한 제약도 받지 않는다. 바람직하게는, 코팅될 단결정 반도체 재료, 예를 들어, 단결정 실리콘의 반도체 웨이퍼, SOI(silicon on insulator) 웨이퍼, 또는 결합된 반도체 웨이퍼를 포함하는 기판 웨이퍼가 선택된다. 실리콘 대신에, 코팅될 반도체 재료는 다른 반도체 또는 화합물 반도체, 예를 들어 SiGe 또는 III/V 화합물 반도체일 수 있다.
마찬가지로, 증착될 층의 선택과 관련하여 원칙적으로 제한이 없다. 이는 바람직하게는 다결정 또는 단결정 실리콘 또는 단결정 화합물 반도체, 예를 들어 SiGe 또는 III/V 화합물 반도체로 이루어진다. 반도체 재료의 기판 웨이퍼 상에 단결정 실리콘의 에피택셜 층을 증착하는 것이 특히 바람직하다.
에칭 가스의 선택과 관련하여, 마찬가지로 특별한 제한은 없다. 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 이루어진 층을 증착하는 경우에, 염화수소를 함유하거나 염화수소로 이루어진 에칭 가스가 바람직하게 사용된다.
코팅 후, 코팅된 기판 웨이퍼는 반응기 챔버로부터 추출되고, 재료 침전물은 예열 링으로부터 제거되기 시작하거나, 또는 추가의 기판 웨이퍼가 반응기 챔버에서 코팅되기 시작한다. 바람직하게는, 예열 링으로부터의 재료 침전물의 제거가 시작되기 전에 반도체 재료의 복수의 기판 웨이퍼가 연속적으로 코팅된다. 반도체 재료의 기판 웨이퍼가 실리콘을 함유하거나 실리콘으로 이루어진 층으로 코팅되는 경우, 예열 링으로부터의 재료 침전물의 제거는, 바람직하게는 예열 링 상의 재료 침전물이 50 μm의 최소 두께에 도달할 때까지 시작되지 않는다. 예열 링으로부터 재료 침전물의 제거가 시작되기 전에 그러한 재료 침전물이 70μm 이상으로 성장하는 것을 방지해야 한다.
예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하기 전에, 더미 웨이퍼가 서셉터의 표면을 보호하기 위해 서셉터 상에 배치될 수 있다. 그러나 이러한 조치는 절대적으로 필요한 것은 아니다.
본 발명은 또한 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 상기 디바이스는, 라이너들을 가지며, 상부 및 하부 커버를 갖는 반응기 챔버;
기판 웨이퍼를 유지하기 위한 서셉터;
상기 서셉터를 둘러싸는 예열 링;
제1 유동 방향을 따라 상기 반응기 챔버 내로 그리고 상기 서셉터 위로 가스를 도입하기 위한 제1 가스 유입구들(inlet openings); 및
제2 가스 유입구들로서, 상기 제2 가스 유입구들 사이에 상기 제1 가스 유입구들이 배열되며, 에칭 가스를 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 반응기 챔버 내로 그리고 예열 링 위로 도입하기 위한 것인 상기 제2 가스 유입구들을 포함한다.
바람직하게는, 제2 가스 유입구는 대칭축으로서 제1 유동 방향에 대해 축대칭으로, 그리고 제1 및 제2 원호를 따라 상기 예열 링의 원주와 동심으로 배열된다. 제1 및 제2 원호는 각각 중심 α에서 70°이상 100°이하의 각도로 결정되는 길이를 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 15 내지 20 개의 제2 가스 유입구가 각각, 제1 및 제2 원호를 따라 균등하게 분포되도록 배열된다. 제2 가스 유입구는 바람직하게는 5 mm 내지 7 mm의 직경을 갖는 둥근 단면을 갖는다.
제1 및/또는 제2 가스 유입구는 하나 이상의 그룹으로 세분될 수 있다.
가스 인젝터는 제1 및 제2 가스 유입구에 가스를 공급하는데, 즉 기판 웨이퍼의 코팅 동안에 제1 가스 유입구로 프로세스 가스를 공급하고, 상기 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 동안에 제1 및 제2 가스 유입구로 에칭 가스를 공급한다. 가스 인젝터는 바람직하게는 적어도 제1 및 제2 가스 유입구가 서로 독립적으로 제어될 수 있는 방식으로, 즉 공급된 가스의 유형 및/또는 온도 및/또는 압력 및/또는 유량과 관련하여 서로 다른 가스 공급이 각각 가능하게 되도록 구성된다. 그룹으로의 제1 및/또는 제2 가스 유입구의 세분화의 경우에, 각각의 그룹의 독립적인 제어 가능성이 마찬가지로 제공될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 방법의 실시예와 관련하여 특정된 특징(feature)은, 본 발명에 따른 디바이스에 대응하여 적용될 수 있다. 반대로, 전술한 본 발명에 따른 디바이스의 실시예와 관련하여 특정된 특징은, 본 발명에 따른 방법에 대응하여 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예의 이들 및 다른 특징은 도면의 설명 및 청구범위에서 설명될 것이다. 개별 특징은 본 발명의 실시예로서 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있다. 또한, 이들은 독립적으로 보호될 수 있는 유리한 실시예들을 기술할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명을 수행하기에 적합한 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 디바이스의 특징을 사시도로 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른, 위에서 본 디바이스의 특징을 도시한다
도 1에서 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위해 표시된 디바이스는, 상부 커버(1) 및 하부 커버(2)를 갖는 반응기 챔버(3)와, 반응 공간을 둘러싸는 상부 및 하부 라이너(7, 8)를 포함한다. 반응기 챔버(3) 외부에 놓이는 상부 및 하부 램프 어레이는 나타내지 않는다.
기판 웨이퍼(4)는 캐리어의 아암에 의해 아래로부터 회전가능하게 지지되는 서셉터(5) 상에 배치된다. 기판 웨이퍼(4)는 서셉터(5) 상에 배치되고, 서셉터(5)를 관통하는 리프팅 핀들에 의해, 코팅 후에 서셉터(5)로부터 다시 리프팅될 수 있다.
기판 웨이퍼(4)의 코팅 동안에, 프로세스 가스는 상부 라이너(7)에 제공된 제1 가스 유입구(9)를 통해 반응기 챔버(3) 내로 공급되며, 기판 웨이퍼 위의 제1 유동 방향을 따라 제1 가스 배출구(11)로 공급된다. 또한, 서셉터(5) 아래의 플러싱(flushing) 가스를 제2 가스 배출구(13)로 공급하기 위해, 하부 가스 유입구(12) 및 제2 가스 배출구(13)가 선택적으로 제공될 수 있다.
상부 라이너(7)는 도 2의 사시도로 표시된다. 제1 가스 유입구(9) 이외에, 제2 가스 유입구(10)가 제공된다. 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하기 위해 제1 및 제2 가스 유입구(9 및 10)를 통해 반응기 챔버로 공급되는 에칭 가스는, 제1 가스 배출구(11)를 통해 반응기 챔버를 빠져 나간다.
도 3은 도 2에 따른 상부 라이너(7), 예열 링(6), 서셉터(5), 및 기판 웨이퍼(4)를 포함하는 배열을 위로부터 도시한다. 기판 웨이퍼(4) 상에 층을 증착하는 동안에, 프로세스 가스는 긴 화살표로 기호화된 제1 유동 방향을 따라 기판 웨이퍼(4) 위에서 제1 가스 배출구로 흐른다. 제1 가스 유입구(9)를 떠나는 프로세스 가스 유동의 폭은, 바람직하게는 기판 웨이퍼의 직경보다 크고, 예열 링의 내부 직경보다 크지 않다. 제1 및 제2 가스 유입구(9, 10)에 가스를 독립적으로 공급하기 위해 제공되는 가스 인젝터는 나타내지 않았다. 기판 웨이퍼(4) 상에 층을 증착하는 동안에, 가스는 제2 가스 도입구를 통해 공급되지 않는다.
짧은 화살표는 에칭 가스가 유동하는 추가의 유동 방향을 기호화하며, 이 가스는 반응기 챔버로부터 코팅된 기판 웨이퍼(4)를 추출한 후에 예열 링(6)으로부터 재료 침전물을 제거하기 위하여 추가 유동 방향을 따라 예열 링(6) 위의 제2 가스 유입구(10)를 통해 공급된다. 동시에, 에칭 가스는 제1 유동 방향을 따라 제1 가스 유입구를 통해 반응기 챔버 내로 도입된다. 제1 가스 유입구들을 통해 도입된 에칭 가스 유동의 폭은, 프로세스 가스 유동의 폭에 대응하는 것이 바람직하다. 추가의 유동 방향들은 제1 유동 방향과 교차하며, 따라서 각각 제1 유동 방향에 수직인 방향 성분을 갖는다.
예:
본 발명은 실제로 시험되었다. 실리콘의 에피택셜 층이 실리콘의 기판 웨이퍼들 상에 증착되었다. 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 예열 링으로부터 재료 침전물의 제거 중에 제1 가스 도입구만을 사용하는 방법과 비교하여, 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 데 걸리는 시간을 최대 40%까지 단축시킬 수 있었다.
예시적인 실시예들의 상기 설명은 예시로서 이해되어야 한다. 본 발명에 의한 개시 내용은 당업자가 본 발명 및 그와 연관된 이점을 이해할 수 있게 하며, 다른 한편으로는 또한 당업자의 이해 범위 내에서 명백한 기술된 구조 및 방법에 대한 변경 및 수정을 포함한다. 따라서, 그러한 모든 변경 및 수정 및 균등물은, 청구 범위의 보호 범위에 포함되도록 의도된다.
11: 상부 커버 2: 하부 커버
3: 반응기 챔버 4: 기판 웨이퍼
5: 서셉터 6: 예열 링
7: 상부 라이너 8: 하부 라이너
9: 제1 가스 유입구 10: 제2 가스 유입구
11: 제1 가스 배출구 12: 하부 가스 유입구
13: 제2 가스 배출구

Claims (8)

  1. 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서,
    서셉터 상에 놓여 있는 기판 웨이퍼 상에 층을 증착(deposit)시키기 위해 반도체 재료의 기판 웨이퍼 위로 그리고 반응기 챔버 내로 제1 가스 유입구들(inlet openings)을 통해 제1 유동 방향을 따라 프로세스 가스를 도입하는 단계 - 상기 프로세스 가스로부터 오는 재료는, 상기 서셉터 주위에 배열된 예열 링 상에 침전됨 - 와,
    상기 반응기 챔버로부터 코팅된 기판 웨이퍼를 추출하는 단계를 포함하며,
    상기 반응기 챔버로부터 상기 코팅된 기판 웨이퍼를 추출한 후, 상기 제1 가스 유입구를 통해 상기 제1 유동 방향을 따라 상기 반응기 챔버 내로, 그리고 상기 제1 가스 유입구들이 사이에 배열되는 제2 가스 유입구를 통해, 상기 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 예열 링 위에, 에칭 가스를 도입함으로써 상기 예열 링으로부터 재료 침전물을 제거하는 것인 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에칭 가스를 상기 반응기 챔버에 도입하기 전에, 상기 예열 링 상의 재료 침전물이 최소 두께에 도달할 때까지, 반도체 재료의 기판 웨이퍼 상에 층의 증착 및 상기 반응기 챔버로부터 상기 코팅된 기판 웨이퍼를 추출을 반복하는 단계를 포함하는 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에칭 가스는 염화수소를 함유하고, 상기 예열 링 상의 재료 침전물은 50 ㎛의 최소 두께를 가지며, 실리콘을 함유하는 것인 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 웨이퍼 상에 실리콘의 에피택셜 층을 증착하는 단계를 포함하는 것인 코팅된 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
  5. 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스로서,
    라이너들을 가지며, 상부 커버 및 하부 커버를 갖는 반응기 챔버와,
    기판 웨이퍼를 유지하기 위한 서셉터와,
    상기 서셉터를 둘러싸는 예열 링과,
    제1 유동 방향을 따라 상기 반응기 챔버 내로 그리고 서셉터 위로 가스를 도입하기 위한 제1 가스 유입구들과,
    제1 가스 유입구들이 사이에 배치되어 있는 제2 가스 유입구들로서, 상기 제1 유동 방향과 교차하는 추가의 유동 방향들을 따라 상기 반응기 챔버 내로 그리고 상기 예열 링 위로 에칭 가스를 도입하기 위한 것인, 상기 제2 가스 유입구들
    을 포함하는 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 가스 유입구들은, 대칭 축으로서 상기 제1 유동 방향에 대해 축 대칭으로, 그리고 제1 및 제2 원호(circle arc)를 따라 상기 예열 링의 원주와 동심으로 배열되고, 상기 제1 및 제2 원호는 중심 α에서 70°이상 100°이하의 각도에 의해 결정되는 길이를 각각 가지는 것인 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 원호를 따라 각각 동일하게 배열 및 분포된 15 내지 20 개의 제2 가스 유입구들을 가지는 것인 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 챔버는 에피택시 반응기로서 구성되는 것인 기판 웨이퍼 상에 층을 증착하기 위한 디바이스.
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