KR20230038514A - 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼에서의 균질 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

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Abstract

반응기 하우징 내에 배치된 성장 챔버 내의 상승된 온도에서의 성장 도중에, 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼(2) 상의 균질 두께 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스로서, 회전 서셉터(3) 상의 웨이퍼(2)를 가지는 성장 챔버(14) - 상기 성장 챔버(14)는 공정 가스를 공급하기 위한 인입 채널(17) 및 반도체 웨이퍼(2) 위로의 공정 가스 흐름을 생성하기 위한 미사용 공정 가스의 방출을 위한 인출 채널(18)을 가짐 -, 및 상기 성장 챔버(14) 내로 개방되는 상기 인입 채널(17)의 단부에 있는 주입기(4)를 포함하고, 상기 주입기(4)는, 제 1 가스 덕트(B) 및 그 각 측면에 있는 제 2 가스 덕트(A) 및 제 3 가스 덕트(C)를 가지는 적어도 3 개의 가스 덕트로 분할되며, 상기 가스 채널(B) 내의 가스 흐름의 크기 및 상기 가스 채널(B) 내의 가스 농도는 가스 채널들(A 및 C) 내의 가스 흐름 및 가스 농도와 독립적으로 제어되도록 구현된, 디바이스.

Description

100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼에서의 균질 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스 및 방법
본 발명은, 고온에서의 성장 챔버 내의 반도체 재료의 대형 웨이퍼의 성장 도중에 두께 및 도핑이 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐서 균질하게 형성되도록 보장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
화학적 기상 증착(CVD)에 의해서 반도체 재료를 제조할 때에는 재료가 균질한 속성을 획득하는 것이 중요하다. 획득된 속성은, 흔히 재료의 성장이라고 불리는 제조 프로세스 도중의 상이한 조건에 따라 달라진다.
CVD에 의한 웨이퍼 성장은 보통, 예를 들어 그래파이트인 고체 재료로 제조된 베이스 플레이트(서셉터) 상에서 구현되는데, 베이스 플레이트는 보통 반응기 챔버 내에서 회전된다. 성장은 성장 챔버 내에서 상승된 온도로 일어난다. 웨이퍼의 직경이 100 mm보다 큰 대형 웨이퍼를 성장시킬 때에, 웨이퍼 내에서 결과적으로 얻어지는 에피택셜 층의 두께가 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향 바깥으로 변하는 것이 공통적이다. 더욱이, 도핑이 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향 바깥으로 변한다.
성장을 위해, 즉 웨이퍼의 반도체 재료 내에서 추구하는 결정 구조체의 생성을 위해 필요한 원소를 포함하는 가스를 포함하는 가스들이 주입기를 통하여 제어된 방식으로 챔버 내로 도입된다. 언급된 바와 같이, 웨이퍼는 웨이퍼의 상이한 부분들 사이에서의 성장 정도의 차이를 없애기 위해서 성장 도중에 보통 회전된다. 성장은, 예를 들어 웨이퍼의 표면 위로 지나가는 가스 흐름의 보통 하부 다운스트림이다. 여기에서 성장 도중의 두께 및 도핑은 웨이퍼의 회전에 기인하여 방향으로 변한다. 이것은 처리하기가 어려운 애로사항이다. 또한, 도핑 및 두께의 정도는 서로 유사하게 변하지 않는다. 성장 도중의 두께 및 도핑은 가스 농도, 온도, 가스 흐름의 속도 등의 함수이다.
특허 명세서 제 20130098455가 해당 기술 분야에서 선행 기술을 구성하는 것으로 가정된다. 이러한 명세서는 성장 도중에 III 족 질화물 박막에 걸쳐서 균일한 두께를 달성하는 어려움에 대한 것을 언급하는데, 이러한 박막은 GaN, AlN 및 AlGaN과 같은 반도체 재료일 수 있다. 상기 명세서에서, 솔루션은 성장 챔버의 두 개 이상의 측벽으로부터 나오는, 성장 챔버에 대하여 여러 주입기를 사용하는 것에 기반하도록 제안된다. 상기 조치는 변동하는 두께 및 박막의 도핑의 문제점들 양자 모두를 동시에 해결할 수 있는 것 같지 않다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 이것은 반응기 하우징 내에 배치된 성장 챔버 내의 상승된 온도에서의 성장 도중에, 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼에서의 균질 두께 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스인데, 상기 디바이스는, 성장 챔버 내의 회전 서셉터 상의 적어도 하나의 웨이퍼의 삽입을 허용하고, 그로부터 상기 웨이퍼를 제거하기 위한 포트를 가지는 상기 성장 챔버를 포함하고, 성장 챔버는 공정 가스를 공급하기 위한 인입 채널 및 미사용 공정 가스의 방출을 위한 인출 채널을 더 구비하여 상기 채널들 사이에서 반도체 웨이퍼 위로의 공정 가스 흐름을 생성한다. 더욱이, 상기 디바이스에는, 상기 성장 챔버 내로 개방되는 상기 인입 채널의 단부에, 상기 성장 챔버 내에 공정 가스의 층류(laminar flow)를 생성하기 위한 주입기가 배치된다.
상기 주입기는, 제 1 가스 덕트(B) 및 그 각 측면에 있는 제 2 가스 덕트(A) 및 제 3 가스 덕트(C)를 가지는 적어도 3 개의 가스 덕트로 분할된다.
가스 덕트들(A 및 C)은 동일한 단면적 및, 웨이퍼를 성장시킬 때에 보통 동일한 가스 흐름 및 가스 농도를 가진다.
상기 가스 덕트(B) 내의 가스 흐름의 크기 및 상기 가스 덕트(B) 내의 가스 농도는 가스 덕트들(A 및 C) 내의 가스 흐름 및 가스 농도와 독립적으로 제어되도록 구현된다. 가스 덕트들(A 및 C) 내의 가스 흐름 및 가스 농도는 보통 동일한 값으로 설정되지만, 물론 가스 성분의 흐름 및 농도의 상이한 값에 맞춰서 별개로 제어될 수도 있다.
세 개의 가스 덕트들(A, B 및 C)은 동일한 평면 내에 위치된다.
가스 덕트들(A, B 및 C)은 서로 평행하게 연장되도록 배치된다.
현재의 타입의 반도체 웨이퍼의 이전의 성장의 분석에서, 두께 및 도핑이 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 반경 방향으로 명확한 방식으로 변한다는 것이 확인된다. 웨이퍼의 에지에서 두께가 너무 작다는 것을 알게 됨으로써, 가스 덕트들(A 및 C) 내에서의, 즉, 측면 덕트 내에서의 성장을 위해 필요한 원소를 포함하는 가스의 농도가 증가되어, 웨이퍼의 반경 방향으로 외부 구역 내에서의 성장 속도가 향상된다.
이것은, 활성 가스(전구체)의 가스 농도가 중간 덕트(B) 내의 대응하는 활성 가스의 농도에 비하여 증가된다는 것을 의미한다. 결과적으로, 가스 흐름이 오직 하나의 가스 덕트를 이용하거나 공정 가스의 흐름 및 농도가 분리된 가스 덕트를 통해서 변경될 수 없는 가스 덕트들을 이용하여 성장 챔버 내로 도입되는 선행 기술에 따른 주입기를 활용하는 것과 비교할 때, 본 발명의 디바이스를 사용할 때에 웨이퍼의 두께는 웨이퍼의 주변 영역에서 더 빨리 성장한다.
본 발명에 따른 디바이스를 사용함으로써 영향받게 되는 웨이퍼의 영역은 가스 덕트(B) 내의 가스 흐름 및 가스 덕트들(A 및 C) 내의 가스 흐름 사이의 관계에서의 변화에 의해서 제어된다. 측면 덕트들(A 및 C) 내의 가스 흐름이 중앙 가스 덕트(B) 내의 가스 흐름에 비하여 증가되면, 반경 방향으로 외부 영역의 더 넓은 부분이, 즉 웨이퍼의 원형 에지를 따라서 영향을 받게 된다.
본 발명에 따라서 설명된 솔루션은 큰 밴드갭(광대역 갭)을 가지는, 예를 들어 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 반도체 및 다양한 타입의 질화물, 예컨대 갈륨 질화물(GaN)과 같은 반도체를 성장시킬 때에 사용되도록 의도되지만, 이러한 솔루션은 일반적인 것이고 다른 타입의 웨이퍼의 성장에서도 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서 사용되는 반응기는 소위 "고온 벽 반응기(hot wall reactor)"라고 불리지만, 이러한 경우에서도 본 발명에 따른 솔루션은 일반적인 것이고 다른 타입의 반응기와 함께 사용될 수 있다. 일 예로서, 심지어 저온-벽(cold-walled) 반응기도 본 발명에 따라서 해결되는 것과 동일한 문제를 가진다고 진술될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 반응기 내의 실제 온도는 700 ℃ 내지 1800 ℃의 범위를 가진다. 이러한 간격의 하부 온도 범위는 질화물의 성장을 위해서 사용된다.
본 발명에 따른 반응기 내에서 캐리어 가스로서 사용되는 가스는 수소 및 질소이다. 이러한 가스는 고속의 흐름을 가지고, 특정` 반도체의 성장을 위해 사용되는 활성 가스(전구체)를 반응기를 통해서 고속에서 운반한다. 캐리어 가스는 반응기 내에서 일어나는 화학 반응에 특정한 영향을 주지만, 이들은 성장되는 반도체 층 내에는 포함되지 않는다. 실리콘 카바이드의 성장 중의 활성 가스는, 예를 들어 프로판, C3H8, 및 실란(silane), SiH4이다. 갈륨 질화물의 성장에서는, 전구체를 구성하는 것이 암모니아, NH3, 및 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMG)이다. TMG는 반응기를 통과하는 가스 흐름을 이용하여 액체를 통과하는 기포를 형성하는 이러한 가스 흐름의 일부에 의해 수송되는 액체이다. 본 명세서에서, 공정 가스라는 용어는 반응기를 통해 흐르는 가스, 즉, 캐리어 가스 및 활성 가스(전구체)에 대한 요약하는 용어로서 사용된다.
이론상, 이것은 본 발명에 따른 상이한 가스 덕트(A, B, C) 내의 동일한 가스 혼합물이지만, 상이한 가스 덕트(A, B, C) 내의 가스들은 각각의 가스 덕트 내에서 가스 혼합물을 구성하는 가스들의 상이한 농도를 가질 수 있다. 상이한 가스 덕트 내의 가스 농도가 변경될 수 있다는 것이 본 발명에 따른 기본적인 사상이다. 언급된 바와 같이, 외부 덕트(A 및 C) 내의 도핑 가스의 농도가 더 높으면 웨이퍼의 주변 영역 내에 더 높은 도핑이 생긴다.
상이한 가스 덕트들(A, B, C) 사이의 상대적인 가스 흐름도 역시 변동될 수 있다. 중간 덕트(B) 내의 가스 흐름에 비하여 측면 덕트들(A 및 C)을 통해서 더 많은 가스가 흐르게 되면, 웨이퍼의 더 큰 부분이 측면 덕트로부터 유래되는 특정한 가스 흐름 및 가스 혼합물에 의해서 영향을 받을 것이다. 그러면, 영향이 언제나 에지로부터 발생하지만, 이러한 경우에는 웨이퍼의 중심에 더 가깝게 연장된다.
성장 챔버 자체 주위에서 가스가 퍼지(purge)를 이용하여 세척된다는 것이 여기에서 역시 강조될 수 있는데, 상기 퍼지 가스는, 가스상(pas phase) 내에 존재하는 잔여 부산물이 세척되고 기생 증착을 초래하지 않도록 이러한 프로세스와 연계된 불활성 가스이다.
도 1은 세 개의 가스 덕트가 반도체 웨이퍼의 성장과 연계되어 주입기 내에 도시된, 본 발명의 양태에 따른 디바이스의 대표도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 가스 덕트가 반도체 웨이퍼를 향한 특정 개방각을 가지고 도시되는, 도 1에 따른 디바이스의 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따라 사용되는 타입의 반응기의 일 예를 도시한다.
이하, 본 발명의 여러 실시예가 첨부 도면을 사용하여 설명될 것이다. 도면은 디바이스의 원리를 개략적으로만 보여주고, 그 상이한 요소들 사이의 임의의 비율을 임의의 척도로 보여준다고 주장하지 않는다.
본 발명에 따른 디바이스의 일 실시형태가 지금 제공된다. 본 발명의 설명된 실시형태에서 도시된 요소들을 반응기의 다른 디자인에 적응시킴으로써, 본 발명의 원리가 전이될 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스는 도 3의 반응기(10) 내에 매우 개략적으로 도시되고, 여기에서 반응기는 반응기 하단(11), 뚜껑(12) 및 원통형 벽(13)으로 형성된 원통형 하우징을 포함하도록 설계된다. 도 3에 따른 반응기는 보통 스테인레스강으로 설계된다. 이러한 도면은 반응기(10)를 통과하는 단면을 보여주는데, 여기에서 성장 챔버(14)는 길이의 단면에서 개방되는 반응기 내에서 개방된다. 성장 챔버는 고도의 내열 재료로 제작된다. 여기에서, 성장 챔버(14)는 하단(1) 및 상부 벽(16)과 함께 보인다. 서셉터(3)는 성장 챔버의 하단(1)에 침지된 것으로 도시되고, 거기에서 이것은 하단과 같은 평면 내에 회전가능하게 배치된다. 반응기(10)는 공정 가스를 공급하기 위한 포트를 가지는데, 가스들은 성장 챔버(14) 내로 인입 채널(17)을 통해 도입되고, 인입 채널은 성장 챔버(14)로 가는 그 배출구에서 주입기(4)를 가지며, 여기에서 공정 가스는 주입기(4) 내의 화살표로 상징화된다. 더욱이, 반응기(10)는 미사용 공정 가스의 방출을 위한 포트를 가지는데, 공정 가스는 성장 챔버(14)로부터 인출 채널(18)을 통해 방출된다. 이러한 인출 채널(18) 내에서, 미사용 공정 가스의 이러한 흐름은 인출 채널(18) 내의 화살표를 이용하여 도시된다.
도 1은 반도체 웨이퍼를 성장시키기 위한 성장 챔버(14) 내의 하단(1)을 보여준다. 후속하는 설명에서, 반도체 웨이퍼는 웨이퍼라는 용어만을 사용하여 매우 간단히 표시된다. 2로 표시된 웨이퍼는 도면에서 회전되는 서셉터 상에 배치되어 도시되는데, 이것에 의하여 웨이퍼(2)가 성장 챔버(14) 내에서 회전할 것이다. 도 1에서 서셉터(3)는 웨이퍼(2)에 의해 완전히 커버된다. 성장 챔버(14)로 가는 채널과 연계하여, 공정 가스에 대한 주입기(4)가 셋업된다. 주입기(4)는 의도된 성장을 위해 요구되는 공정 가스를 성장 챔버(14) 내로 공급한다. 공정 가스 흐름의 일부를 형성하는 가스는 특정` 반도체의 성장에 있어서 종래 기술에 따른 것과 같은 종류이다.
본 발명에 따르면, 주입기(4)는 도면에서 가스 덕트들(A, B 및 C)이라고 불리는 적어도 3 개의 가스 덕트로 분할된다. B는 성장 챔버(14) 내로의 주된 가스 흐름을 가지는 중앙 가스 덕트이다. 중앙 가스 덕트(B)의 각각의 측면에는 측면 가스 덕트들(A 및 C)이 배치된다. 측면 가스 덕트들(A 및 C)은 웨이퍼(2)의 주변 부분을 향해 지향되고, 웨이퍼 위로의 흐름 내에 공정 가스를 공급한다. 웨이퍼(2)가 회전하도록 배치되기 때문에`, 웨이퍼의 주변 부분 위로의 가스 흐름이 그 위에서 균일하게 분산된다. 화살표(5)는 주입기(4)로부터 `회전하는` 웨이퍼(2)의 방향으로 성장 챔버(14) 내로 들어가는 가스 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 덕트들(A, B 및 C)에는 주입기(4)의 배출구로 향하는 개방각 α, β, γ가 제공된다. 주입기(4)의 노즐은 공정 가스의 층류를 성장 챔버(14)에게 공급한다. 상이한 가스 덕트들(A, B 및 C) 내의 개방각은 주입기의 층류에 영향을 주지 않도록 선택된다. 적절한 개방각 α, β, γ는 5-30 도, 바람직하게는 10-30 도의 범위에 속한다. 최대 각도는, 무엇보다도, 가스 흐름, 온도, 및 가스에 따라 달라진다. 제조 시의 기술적 이유로 유리하다면, 개방각은 10 도 미만으로 선택될 수 있다.
외부 가스 덕트들(A 및 C) 내의 개방각은 중간 가스 덕트(B) 내의 개방각보다 작은 것이 바람직하다.

Claims (10)

  1. 반응기 하우징 내에 배치된 성장 챔버 내의 상승된 온도에서의 성장 도중에, 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼(2)에서의 균질 두께 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스로서,
    상기 디바이스(1)는,
    - 성장 챔버 내의 회전 서셉터(3) 상의 적어도 하나의 웨이퍼(2)의 삽입을 허용하고, 그로부터 상기 웨이퍼(2)를 제거하기 위한 포트를 가지는 상기 성장 챔버(14) - 상기 성장 챔버(14)는 공정 가스를 공급하기 위한 인입 채널(17) 및 미사용 공정 가스의 방출을 위한 인출 채널(18)을 구비하여 상기 채널들 사이에서 반도체 웨이퍼(2) 위로의 공정 가스 흐름을 생성함 -
    를 포함하고,
    - 상기 성장 챔버 내에 공정 가스의 층류(laminar flow)를 생성하기 위한 주입기(4)가 상기 성장 챔버(14) 내로 개방되는 상기 인입 채널(17)의 단부에 배치되며,
    - 상기 주입기(4)는, 제 1 가스 덕트(B) 및 그 각 측면에 있는 제 2 가스 덕트(A) 및 제 3 가스 덕트(C)를 가지는 적어도 3 개의 가스 덕트로 분할되고,
    - 상기 가스 채널(B) 내의 가스 흐름의 크기 및 상기 가스 채널(B) 내의 가스 농도는 가스 덕트들(A 및 C) 내의 가스 흐름 및 가스 농도와 독립적으로 제어되도록 구현된, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 덕트들(A 및 C)은 동일한 단면적 및, 웨이퍼를 성장시킬 때에 동일한 가스 흐름 및 가스 농도를 가지는, 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    세 개의 가스 덕트들(A, B 및 C)은 동일한 평면 내에 위치된, 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 덕트들(A, B 및 C)은 서로 평행하게 연장되도록 배치된, 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 덕트(B)는 5-30 도의 범위 내의 개방각을 가지고,
    상기 가스 덕트들(A 및 C)은 5-30 도의 범위 내의 개방각을 가지는, 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 덕트(B)는 10-30 도의 범위 내의 개방각을 가지고,
    상기 가스 덕트들(A 및 C)은 10-30 도의 범위 내의 개방각을 가지는, 디바이스.
  7. 제 5 항에 있어서,
    외부 가스 덕트들(A 및 C)의 개방각(α, γ)는 바람직하게는 중간 가스 채널(B)의 개방각(β)보다 작은, 디바이스.
  8. 반응기 하우징 내에 셋업된 성장 챔버 내의 상승된 온도에서의 성장 도중에, 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼(2)의 균질한 두께 성장을 달성하기 위한 제 1 항의 방법으로서,
    - 상기 웨이퍼(2)의 그 주변 영역에서의 증가된 두께 성장을 달성하기 위하여, 측면 채널들(A, C) 내의 활성 가스(전구체)의 농도가 중간 채널(B) 내의 활성 가스의 농도에 비하여 증가되는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 반응기 하우징 내에 셋업된 성장 챔버 내의 상승된 온도에서의 성장 도중에, 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼(2) 내의 균질한 도핑을 달성하기 위한 제 1 항의 방법으로서,
    - 상기 웨이퍼(2)의 그 주변 영역에서의 증가된 도핑을 달성하기 위하여, 도펀트 가스의 농도가 중간 채널(B) 내의 도핑 가스의 농도에 비하여 측면 채널들(A, C) 내에서 증가되는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 웨이퍼의 외부 영역의 반경 방향으로 더 넓은 부분이, 중간 가스 덕트(B) 내의 가스 흐름 대비 측면 채널들(A 및 C) 내의 가스 흐름의 증가에 의해 상기 측면 채널들(A 및 C)을 통과하는 가스 흐름에 의하여 영향받는 단계를 더 포함하는, 방법.
KR1020237004495A 2020-07-13 2021-07-10 100 mm보다 큰 직경을 가지는 반도체 웨이퍼에서의 균질 성장 및 도핑을 달성하기 위한 디바이스 및 방법 KR20230038514A (ko)

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