KR20230125281A - 반도체 웨이퍼 반응기에서의 예열 링을 위한 시스템들및 방법들 - Google Patents

반도체 웨이퍼 반응기에서의 예열 링을 위한 시스템들및 방법들 Download PDF

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치에 후
춘-친 투
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글로벌웨이퍼스 씨오., 엘티디.
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Abstract

반응 장치는, 상위 돔, 하위 돔, 상위 라이너, 하위 라이너, 및 예열 링을 포함한다. 상위 돔과 하위 돔은 반응 챔버를 정의한다. 예열 링은, 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼와 접촉시키기 전에 가열하기 위해 반응 챔버 내에 위치한다. 예열 링은 하위 라이너의 내주면에 부착된다. 예열 링은 환형 디스크와 엣지 바를 포함한다. 환형 디스크는, 내측 엣지, 외측 엣지, 제1 측면, 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 갖는다. 내측 엣지와 외측 엣지는 그들 사이의 반경방향 거리를 정의한다. 엣지 바는 제1 측면에 위치하고 외측 엣지로부터 내측 엣지를 향하여 엣지 바 반경방향 두께만큼 연장된다. 반경방향 거리는 엣지 바 반경방향 두께보다 크다.

Description

반도체 웨이퍼 반응기에서의 예열 링을 위한 시스템들 및 방법들
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 그 전체 개시내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 2020년 12월 31일 출원된 미국 특허 출원 번호 제17/139,339호에 대한 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 분야는 대체로 웨이퍼 처리를 위한 장치 및 방법들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 반도체 웨이퍼 화학적 기상 퇴적 프로세스들을 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다.
에피택셜 화학적 기상 퇴적(CVD)은, 격자 구조가 웨이퍼의 격자 구조와 동일하도록 반도체 웨이퍼 상에 얇은 재료 층을 성장시키기 위한 프로세스이다. 에피택셜 CVD는, 디바이스들이 에피택셜 층 상에서 직접 제작될 수 있도록 에피택셜 층들을 구축하기 위해 반도체 웨이퍼 생산에 널리 이용된다. 에피택셜 퇴적 프로세스는, 웨이퍼의 전면(즉, 서셉터 반대쪽을 향하는 표면)에 수소 또는 수소와 염화수소 혼합물 등의 세정 가스를 도입하여 웨이퍼의 전면을 예열하고 세정하는 것으로 시작한다. 세정 가스는 전면으로부터 자연 산화물을 제거하여, 퇴적 프로세스의 후속 단계 동안 표면 상에서 에피택셜 실리콘 층이 지속적이고 균일하게 성장하는 것을 허용한다. 에피택셜 퇴적 프로세스는, 실란 또는 염소화 실란 등의, 증기 실리콘 소스 가스를 웨이퍼의 전면에 도입하여 전면 상에 실리콘의 에피택셜 층을 퇴적 및 성장시킴으로써 계속된다. 서셉터의 전면과는 반대편의 배면은 동시에 수소 가스에 노출될 수 있다. 에피택셜 퇴적 동안, 퇴적 챔버에서 반도체 웨이퍼를 지지하는 서셉터는, 에피택셜 층이 고르게 성장하는 것을 허용하기 위해 프로세스 동안에 회전된다.
그러나, 에피택셜 CVD 성장 속도들은, 반응기 내의 불균일한 유량들로 인해 일반적으로 각각의 웨이퍼 표면에 걸쳐 균일하지 않다. 균일성의 결여는 웨이퍼의 편평도 저하를 야기하고, 에피택셜 퇴적 동안 퇴적 챔버 내의 가변성 또는 국부적인 유량 편차들의 결과일 수 있다. 따라서, 에피택셜 CVD 성장 속도들의 균일성을 개선하기 위해 국부적 유량 편차들을 개선하는 실용적이고 비용 효율적인 장치가 필요하다.
본 배경 절은, 이하에서 설명되거나 및/또는 청구되는 본 개시내용에 다양한 양태에 관련될 수도 있는 기술의 다양한 양태들을 독자에게 소개하기 위함이다. 본 논의는, 본 개시내용의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이화하기 위해 독자에게 배경 정보를 제공하는데 도움이 될 것으로 믿어진다. 따라서, 이들 설명은 이러한 점에 비추어 읽혀져야 하고, 종래 기술로서의 인정으로서 받아들여져서는 안 된다.
한 양태에서, 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼와 접촉시키기 위한 반응 장치가 제공된다. 반응 장치는, 상위 돔, 하위 돔, 상위 라이너, 하위 라이너, 및 예열 링(preheat ring)을 포함한다. 하위 돔은 상위 돔에 부착된다. 상위 돔과 하위 돔은 반응 챔버를 정의한다. 하위 라이너는 상위 라이너 아래에 위치한다. 상위 라이너 및 하위 라이너는, 프로세스 가스를 반응 챔버 내로 채널링하기 위한 프로세스 가스 유입구를 정의한다. 예열 링은, 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼와 접촉시키기 전에 가열하기 위해 반응 챔버 내에 위치한다. 예열 링은 하위 라이너의 내주면에 부착된다. 예열 링은 환형 디스크(annular disk)와 엣지 바(edge bar)를 포함한다. 환형 디스크는, 내측 엣지, 외측 엣지, 제1 측면, 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 갖는다. 내측 엣지와 외측 엣지는 그들 사이의 반경방향 거리(radial distance)를 정의한다. 엣지 바는 제1 측면에 위치하고 외측 엣지로부터 내측 엣지를 향하여 엣지 바 반경방향 두께만큼 연장된다. 반경방향 거리는 엣지 바 반경방향 두께보다 크다.
또 다른 양태에서, 웨이퍼링 프로세스 동안 반도체 웨이퍼에 접촉하기 전에 프로세스 가스를 가열하기 위해 반응 장치 내에 위치한 예열 링이 제공된다. 예열 링은 환형 디스크와 엣지 바를 포함한다. 환형 디스크는, 내측 엣지, 외측 엣지, 제1 측면, 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 갖는다. 내측 엣지와 외측 엣지는 그들 사이의 반경방향 거리를 정의한다. 엣지 바는 제1 측면에 위치하고 외측 엣지로부터 내측 엣지를 향하여 엣지 바 반경방향 두께만큼 연장된다. 반경방향 거리는 엣지 바 반경방향 두께보다 크다.
역시 또 다른 양태에서, 반응 장치에서 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법이 제공된다. 반응 장치는, 반응 챔버를 정의하는 상위 돔 및 하위 돔과, 프로세스 가스 유입구를 정의하는 상위 라이너 및 하위 라이너를 포함한다. 반응 장치는 반도체 웨이퍼와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 가열하기 위해 반응 챔버 내에 위치한 예열 링을 더 포함한다. 예열 링은 하위 라이너의 내주면에 부착되며 환형 디스크 및 환형 디스크 상에 위치한 엣지 바를 포함한다. 이 방법은 프로세스 가스 유입구를 통해 프로세스 가스를 반응 챔버 내로 채널링하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 예열 링으로 프로세스 가스를 가열하는 단계를 포함한다. 이 방법은 엣지 바를 이용하여 프로세스 가스의 속도 및 방향 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한, 프로세스 가스로 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적하는 단계를 포함한다. 엣지 바는 반도체 웨이퍼 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 것을 용이화한다.
본 개시내용의 전술된 양태들과 관련하여 언급된 피처들의 다양한 개선이 존재한다. 추가의 피처들도 역시 본 개시내용의 위에서 언급된 양태들에 포함될 수 있다. 이들 개선 및 추가적인 피처들은 개별적으로 존재하거나 임의의 조합으로 존재할 수도 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 예시된 임의의 실시예와 관련하여 이하에서 논의되는 다양한 피처들이, 단독으로 또는 임의의 조합으로, 본 개시내용의 전술된 임의의 양태에 포함될 수도 있다.
도 1은 반도체 웨이퍼 등의 기판을 처리하기 위한 장치의 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 장치의 단면도이다.
도 4는, 상위 돔 및 상위 라이너가 명료성을 위해 제거되고 장치의 부분들이 명료성을 위해 투명하게 도시된 도 1에 도시된 장치의 사시도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 예열 링의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 예열 링의 평면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 예열 링의 측면도이다.
도 8은 도 5에 도시된 예열 링의 대안적 실시예의 사시도이다.
도 9는 도 1에 도시된 반응 장치에서 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 10은 예 1에 따른 웨이퍼 반경방향 거리의 함수로서 에피택셜 웨이퍼 반경방향 성장 속도의 그래프이다.
도면들에 걸쳐 대응하는 참조 문자들은 대응하는 부분들을 나타낸다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시내용의 한 실시예에 따른 반도체 기판 상에 에피택셜 층을 퇴적하기 위한 장치는 일반적으로 100이라고 지칭된다. 예시된 장치는 단일 웨이퍼 반응기(즉, 300mm AMAT Centura 반응기)이다; 그러나, 더 균일한 에피택셜 층을 제공하기 위해 여기서 개시된 장치 및 방법들은, 예를 들어, 여러 웨이퍼 반응기들을 포함하는 다른 반응기 설계들에서 이용하기에 적합하다. 장치(100)는, 상위 돔(104), 하위 돔(106), 상위 라이너(108), 및 하위 라이너(110)를 포함하는 반응 챔버(102)를 포함한다. 집합적으로, 상위 돔(104), 하위 돔(106), 상위 라이너(108), 및 하위 라이너(110)는, 프로세스 가스가 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하는 반응 챔버(102)의 내부 공간(112)을 정의한다. 가스 매니폴드(116)는 프로세스 가스를 반응 챔버(102)로 지향시키는데 이용된다. 반응 챔버(102) 및 가스 매니폴드(116)의 사시도가 도 2에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 장치(100)는 300mm AMAT Centura 반응기이다. 대안적인 실시예들에서, 장치(100)는 임의의 유형의 반응기일 수 있다.
장치(100)는, 에피택셜 CVD 또는 다결정 CVD 등의, 화학적 기상 퇴적(CVD) 프로세스에 의해 수행되는 웨이퍼 상에 임의의 유형의 재료를 퇴적하는 것을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 웨이퍼링 프로세스에서 웨이퍼를 처리하는데 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 본 명세서에서 에피택시 및/또는 CVD 프로세스에 대한 언급은, 장치(100)가 웨이퍼 상에 에칭 또는 평탄화 프로세스들을 수행하는 것 등의 다른 목적들을 위해 이용될 수도 있기 때문에, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 여기서 도시된 웨이퍼는 대체로 형상이 원형이지만, 다른 형상들의 웨이퍼들이 본 개시내용의 범위 내에서 고려된다.
장치(100)는 도 3의 장치를 더 양호하게 예시하기 위해 단면도로 도시되어 있다. 반응 챔버(102)의 내부 공간(112) 내에는 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 가열하기 위한 예열 링(118)이 있다. 예열 링(118)의 외주면은 하위 라이너(110)의 내주면에 부착된다. 예를 들어, 예열 링(118)은 하위 라이너(110)의 환형 돌출부(170)에 의해 지지될 수 있다. 예열 링(118)까지 내부 공간을 횡단하는 서셉터(120)(본 명세서에서 "서셉터 본체"라고 언급될 수도 있음)는 반도체 웨이퍼(114)를 지지한다.
프로세스 가스는 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하기 전에 가열될 수 있다. 예열 링(118)과 서셉터(120) 양쪽 모두는, 반응 챔버(102)의 위와 아래에 위치할 수 있는 고강도 램프들(122, 124)에 의해 생성된 복사 가열 광을 흡수하기 위해 일반적으로 불투명하다. 예열 링(118)과 서셉터(120)를 주변보다 높은 온도로 유지하는 것은, 프로세스 가스가 예열 링과 서셉터 위를 통과할 때 예열 링(118)과 서셉터(120)가 프로세스 가스에 열을 전달하는 것을 허용한다. 전형적으로, 반도체 웨이퍼(114)의 직경은 서셉터가 프로세스 가스를 웨이퍼와 접촉하기 전에 가열하는 것을 허용하도록 서셉터(120)의 직경보다 작다.
예열 링(118) 및 서셉터(120)는 실리콘 카바이드로 코팅된 불투명 흑연으로 적절하게 구성될 수 있지만, 다른 재료들도 생각해 볼 수 있다. 상위 돔(104) 및 하위 돔(106)은 전형적으로, 복사 가열 광이 반응 챔버(102) 내로 및 예열 링(118)과 서셉터(120) 상으로 통과하는 것을 허용하기 위해 투명 재료로 제작된다. 상위 돔(104) 및 하위 돔(106)은 투명한 석영으로 구성될 수 있다. 석영은 일반적으로 적외선 및 가시광에 대해 투명하며, 퇴적 반응의 반응 조건들에서 화학적으로 안정적이다. 예를 들어 저항 가열기들 및 유도 가열기들 등의, 고강도 램프들(122, 124) 이외의 장비는 반응 챔버에 열을 제공하는데 이용될 수 있다. 고온계(pyrometer) 등의 적외선 온도 센서(미도시)는 반응 챔버(102)에 장착되어, 서셉터(120), 예열 링(118) 또는 반도체 웨이퍼(114)의 온도를, 서셉터, 예열 링 또는 웨이퍼에 의해 방출된 적외선 복사를 수신함으로써 모니터링할 수 있다.
장치(100)는 서셉터(120)를 지지할 수 있는 샤프트(126)를 포함한다. 샤프트(126)는 중심 기둥(128)을 통해 연장된다. 샤프트(126)는, 중심 기둥(128)에 부착된 제1 말단(130), 및 반도체 웨이퍼(114)의 중심 영역(134)에 근접하게 위치한 제2 말단(132)을 포함한다. 샤프트(126)는 약 5 밀리미터(mm) 내지 약 10 mm의 샤프트 직경(136)을 갖는다.
샤프트(126)는, 장치(100)에 관하여 종축(X)을 중심으로 샤프트(126), 서셉터(120) 및 반도체 웨이퍼(114)의 회전을 위한 적절한 회전 메커니즘(미도시)에 접속된다. 서셉터(120)의 외측 엣지와 예열 링(118)(도 3)의 내측 엣지는 서셉터의 회전을 허용하기 위해 갭(138)에 의해 분리된다. 반도체 웨이퍼(114)는 과잉 재료가 웨이퍼 선두 엣지 상에 퇴적되는 것을 방지하고 더 균일한 에피택셜 층을 제공하도록 회전된다.
예열 링(118)은, 반도체 웨이퍼 상의 성장 속도를 개선하고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하기 위해 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 수정하거나 튜닝한다. 상위 라이너(108) 및 하위 라이너(110)는 프로세스 가스 유입구(140) 및 프로세스 가스 출구(142)를 정의한다. 프로세스 가스 유입구(140)는 프로세스 가스를 반응 챔버(102) 내로 채널링하고, 프로세스 가스 출구(142)는 프로세스 가스를 반응 챔버 밖으로 채널링한다. 프로세스 가스는, 반도체 웨이퍼(114)가 반응 챔버 내에서 회전될 때 반응 챔버(102) 내에서 프로세스 가스 유입구(140)로부터 프로세스 가스 출구(142)로 채널링된다.
프로세스 가스 유입구(140)는, 세그먼트 높이(194) 및 세그먼트 폭(196)을 각각 갖는 유입구 세그먼트들(186, 188, 190, 192)로 분리될 수 있다. 각각의 유입구 세그먼트(186, 188, 190, 192)는 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼(114)의 상이한 부분에 채널링한다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상위 라이너(108) 및 하위 라이너(110)는 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에 채널링하는 제1 유입구 세그먼트(186), 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼(114)의 중심 영역(134)에 채널링하는 제2 유입구 세그먼트(188), 역시 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼(114)의 중심 영역(134)에 채널링하는 제3 유입구 세그먼트(190), 및 역시 프로세스 가스를 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에 채널링하는 제4 유입구 세그먼트(192)를 정의한다.
반도체 웨이퍼의 엣지(144)에서의 반도체 웨이퍼(114)의 성장 속도는 반도체 웨이퍼의 중심 영역(134)의 성장 속도보다 크다. 중심 영역(134)에 비해 엣지(144)에서의 증가된 성장 속도는, 반도체 웨이퍼(114)의 불균일한 반경방향 퇴적 프로파일 및 불균일한 두께를 생성할 수 있다. 여기서 설명된 예열 링(118)은, 반도체 웨이퍼 상의 성장 속도를 개선하고, 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하고, 균일한 두께를 갖는 반도체 웨이퍼들을 제조하기 위해, 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 수정하거나 튜닝한다.
예열 링(118)은 환형 디스크(146) 및 환형 디스크에 부착된 엣지 바(148)를 포함한다. 환형 디스크(146)는, 디스크 홀(152) 및 내측 직경(154)을 정의하는 내측 엣지(150), 외측 직경(158)을 정의하는 외측 엣지(156), 제1 측면(160), 제2 측면(162), 및 제1 측면과 제2 측면 사이의 디스크 두께(164)를 정의한다. 내측 직경(154)은 예열 링(118)이 서셉터를 둘러싸도록 서셉터(120)의 서셉터 직경(166)보다 크다. 또한, 여기에 도시된 예열 링(118)은, 반도체 웨이퍼(114)의 형상을 보완하기 위해 대체로 원형 형상이지만, 다른 형상들의 웨이퍼들을 보완하기 위해 본 개시내용의 범위 내에서 다른 형상들의 예열 링들도 생각해 볼 수 있다.
외측 직경(158)은, 하위 라이너가 예열 링(118) 및 반도체 웨이퍼(114)를 둘러싸도록 하위 라이너(110)의 라이너 직경(168)보다 작다. 환형 디스크(146)는 내측 엣지(150)로부터 외측 엣지(156)까지 반경방향 거리(172)만큼 연장된다. 반경방향 거리(172)는, 예열 링(118)이 고강도 램프들(122 및 124)로부터의 열을 흡수하고 프로세스 가스가 예열 링 위를 통과할 때 흡수된 열을 프로세스 가스에 전달할 수 있게 하도록 구성된다.
엣지 바(148)는 환형 디스크(146)의 제1 측면(160)으로부터 연장되고, 반도체 웨이퍼 상의 성장 속도를 개선하고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하기 위해 반도체 웨이퍼(114)와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 수정하거나 튜닝한다. 구체적으로, 엣지 바(148)는, 반도체 웨이퍼 상의 성장 속도를 향상시키고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하기 위해, 프로세스 가스의 흐름의 방향, 프로세스 가스의 속도, 및 프로세스 가스의 유량 중 적어도 하나를 수정, 튜닝 및/또는 변경한다.
예시된 실시예에서, 예열 링(118)은 2개의 엣지 바(148)를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 예열 링(118)은 하나의 엣지 바(148)를 포함한다. 역시 또 다른 대안적인 실시예에서, 예열 링(118)은 여러 더 작은 엣지 바(148)를 포함할 수 있다. 따라서, 예열 링(118)은, 반응 챔버(102) 내의 프로세스 가스의 흐름에 따라, 적어도 하나의 엣지 바(148) 및/또는 복수의 엣지 바(148)를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 시뮬레이션들 및/또는 실험 결과들은, 반도체 웨이퍼(114) 상의 성장 속도를 개선하고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하기 위해 예열 링(118) 상의 엣지 바(148)의 수 및 위치를 결정하는데 이용될 수 있다. 예열 링(118)과 유사하게, 엣지 바들(148)은 실리콘 카바이드로 코팅된 불투명 흑연으로 적절하게 제작되지만, 다른 재료들도 생각해 볼 수 있다. 다른 실시예들에서, 불투명한 것이 아니라, 엣지 바(148)는 반투명 또는 투명 재료로 제작될 수 있다.
일반적으로, 엣지 바(148)는, 불균일성을 완화하도록 에피택셜 퇴적 등의 동안에 처리 반도체 웨이퍼(114)의 성장 속도를 교정 및/또는 영향을 미치기 위해, 환형 디스크(146)의 외측 엣지(156)에 근접하고, 프로세스 가스 유입구(140)에 근접하고, 반도체 웨이퍼(114)의 특정한 영역들에 근접하게 적절하게 위치한다. 구체적으로, 엣지 바(148)는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에서의 프로세스 가스의 속도 또는 유량이 (엣지 바가 이용되지 않을 때에 비해) 증가하게 함으로써 에피택셜 CVD 프로세스들 동안 반도체 웨이퍼의 엣지에 퇴적되는 재료(예컨대, 실리콘)의 양을 감소시키기 위해 프로세스 가스 유입구(140)에 근접하게 위치한다. 추가로, 프로세스 가스 유입구에 근접한 엣지 바(148)의 위치는, 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에서의 프로세스 가스의 방향이 (엣지 바가 이용되지 않을 때에 비해) 변경되게 함으로써, 에피택셜 CVD 프로세스들 동안 반도체 웨이퍼의 엣지에 퇴적되는 재료(예컨대, 실리콘)의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 엣지 바(148)는, 프로세스 가스가 반응 챔버(102)에 들어갈 때 프로세스 가스를 수정하기 위해 프로세스 가스 유입구(140)에 근접한 환형 디스크(146)의 외측 엣지(156)에 근접하게 적절하게 위치한다. 대안적인 실시예들에서, 엣지 바(148)는, 엣지 바(148)가 여기서 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 예열 링(118) 상의 임의의 위치에 위치할 수 있다.
추가로, 엣지 바(148)는, 처리 동안 반도체 웨이퍼(114)의 불균일한 성장 속도를 교정 및/또는 영향을 미치기 위해 반도체 웨이퍼(114)에 대해 상대적으로 위치한다. 시뮬레이션 및/또는 실험은, 엣지 바가 이용되지 않을 때 반도체 웨이퍼(114)에서 불균일성들이 발생하는 위치를 결정하는데 이용될 수 있고, 엣지 바(148)는 불균일성들을 완화하기 위해 예열 링(118) 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 엣지 바(148)는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에 근접하게 위치하여 엣지에서의 프로세스 가스의 속도 또는 유량이 (엣지 바가 이용되지 않을 때에 비해) 증가하게 함으로써, 에피택셜 CVD 프로세스들 동안 반도체 웨이퍼의 엣지에 퇴적되는 재료(예컨대, 실리콘) 양을 감소시킬 수 있다. 추가로, 엣지 바(148)는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에 근접하게 위치하여, 엣지에서의 프로세스 가스의 방향이 (엣지 바가 이용되지 않을 때에 비해) 변경되게 함으로써, 에피택셜 CVD 프로세스 동안 반도체 웨이퍼의 엣지에 퇴적되는 재료(예컨대, 실리콘)의 양을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 예시된 실시예의 엣지 바들(148)은 제1 유입구 세그먼트(186) 및 제4 유입구 세그먼트(192)의 바로 하류에 위치하여 속도를 증가시키고, 유량을 증가시키거나, 및/또는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144) 쪽을 향하는 프로세스 가스의 방향을 변경시킨다. 따라서, 엣지 바(148)는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)에 근접하게 적절하게 위치하여, 엣지에서의 퇴적을 감소시키고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하도록 국부적 또는 전역적인 최대 층 두께가 발생한다. 이 최대 층 두께는 국부적 또는 전역적 최대값일 수 있고, 일반적으로 불균일성이라고 할 수 있다는 점에 유의한다.
두께 프로파일은, 예를 들어 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계의 이용 또는 웨이퍼 평탄도 도구(예를 들어, KLA-Tencor Wafersight 또는 WaferSight2; Milpitas, California)의 이용을 포함한, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 이용가능한 임의의 적절한 방법의 이용에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판의 반경방향 두께 프로파일은 재료 퇴적 전에(예를 들어, 에피택셜 층의 퇴적 전에) 결정되고, 그 다음, 층을 이룬 구조물의 두께 프로파일이 측정될 수 있다. 퇴적된 층의 두께 프로파일은, 층을 이룬 구조물 두께로부터 기판 두께를 차감함으로써 결정될 수 있다.
예시된 실시예에서, 각각의 엣지 바(148)는, 각각의 엣지 바가, 엣지 바 반경(174), 반도체 웨이퍼(114)의 중심(176)에 대한 엣지 바 각도 θ, 및 엣지 바 반경방향 두께(177)를 정의하도록, 예열 링(118) 상에 위치한다. 구체적으로, 엣지 바(148)는 제1 말단(178) 및 제2 말단(180)을 갖고, 엣지 바 각도(θ)는, 반도체 웨이퍼(114)의 중심(176), 제1 말단, 및 제2 말단 사이에서 정의된 각도이다. 엣지 바(148)는 또한, 제1 말단(178)과 제2 말단(180) 사이에 엣지 바 원주 길이(182)를 정의하고, 엣지 바 높이(184) 및 엣지 바 반경방향 폭(187)을 갖는다. 추가로, 반경방향 거리(172)는 엣지 바 반경방향 두께(177)보다 크다.
예시된 실시예에서, 엣지 바(148)는 예열 링(118)의 제1 측면(160)으로부터 연장되는 범프 또는 둥근 돌출부이다. 대안적인 실시예에서, 엣지 바(148)는 엣지 바가 여기서 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 추가적으로, 예시된 실시예에서, 엣지 바(148)는, 엣지 바가 예열 링(118)의 외측 엣지(156)의 형상과는 상보적인 원호 세그먼트(arc segment)를 형성하도록 만곡된다. 대안적인 실시예에서, 엣지 바(148)는 엣지 바가 여기서 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 엣지 바(148)는 다양한 돌출부 및/또는 노치(notch) 또는 오목부(recess)를 포함하도록 성형될 수 있다. 엣지 바(148)는 또한, 경사지거나 둥글게 될 수 있다. 이러한 불균일한 형상들은 엣지 바(148)가 처리 동안 반도체 웨이퍼(114)의 불균일한 성장 속도를 교정 및/또는 영향을 미치게 할 수 있다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼(114)의 두께 프로파일의 분석은, 이들 영역에서의 재료 퇴적이 불균일하도록 감소된 속도 또는 유량을 갖는 엣지들(144) 외부의 영역들을 식별할 수 있다. 엣지 바(148)의 형상은, 이들 영역들 내의 재료 퇴적을 감소시키기 위해 이들 영역들로의 프로세스 가스의 흐름을 교정 및/또는 영향을 미치도록 조정될 수 있다.
예시된 실시예에서, 내측 직경(154)은 약 240 mm 내지 약 252 mm이고; 외측 직경(158)은 약 296 mm 내지 약 308 mm이고; 디스크 두께(164)는 약 4 mm 내지 약 10 mm이고; 서셉터 직경(166)은 약 240 mm 내지 약 252 mm이고; 라이너 직경(168)은 약 296 mm 내지 약 308 mm이고; 반경방향 거리(172)는 약 44 mm 내지 약 68 mm이고; 엣지 바 반경(174)은 약 143 mm 내지 약 149 mm이고; 엣지 바 원주 길이(182)는 약 20 mm 내지 약 60 mm이고; 엣지 바 높이(184)는 약 0.5 mm 내지 약 2 mm이고; 엣지 바 각도 θ는 약 20° 내지 약 50°이고; 세그먼트 높이(194)는 약 5 mm 내지 약 8 mm이고; 세그먼트 폭(196)은 약 238 mm 내지 약 248 mm이다. 대안적인 실시예에서, 내측 직경(154), 외측 직경(158), 디스크 두께(164), 서셉터 직경(166), 라이너 직경(168), 반경방향 거리(172), 엣지 바 반경(174), 엣지 바 원주 길이(182), 엣지 바 높이(184), 엣지 바 각도(θ), 세그먼트 높이(194), 및 세그먼트 폭(196)은, 엣지 바(148)가 여기서 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 거리 또는 각도일 수 있다. 더 구체적으로, 내측 직경(154), 외측 직경(158), 디스크 두께(164), 서셉터 직경(166), 라이너 직경(168), 반경방향 거리(172), 엣지 바 반경(174), 엣지 바 원주 길이(182), 엣지 바 높이(184), 엣지 바 각도(θ), 세그먼트 높이(194) 및 세그먼트 폭(196)은, 국부적 또는 전역적 에피택셜 층 두께의 최소값 또는 최대값의 위치 및 크기에 따라 적절하게 선택된다. 내측 직경(154), 외측 직경(158), 디스크 두께(164), 서셉터 직경(166), 라이너 직경(168), 반경방향 거리(172), 엣지 바 반경(174), 엣지 바 원주 길이(182), 엣지 바 높이(184), 엣지 바 각도(θ), 세그먼트 높이(194), 세그먼트 폭(196) 등에 대해 위에서 기재한 범위들은 예시적인 것이며, 언급된 범위들 밖의 값들이 제한없이 이용될 수 있다.
엣지 바 높이(184)는, 속도를 증가시키거나, 유량을 증가시키거나, 및/또는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144) 쪽으로 향하는 프로세스 가스의 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 엣지 바 높이(184)는 세그먼트 높이(194)의 약 0.5% 내지 약 50%이다. 세그먼트 높이(194)에 대한 엣지 바 높이(184)의 증가는 일반적으로, 증가된 프로세스 가스 속도, 유량, 및/또는 프로세스 가스의 방향 변화를 야기하여, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼의 부분들에서 반도체 웨이퍼(114) 상에 더 적은 재료의 퇴적을 초래한다. 역으로, 세그먼트 높이(194)에 대한 엣지 바 높이(184)의 감소는 일반적으로, 감소된 프로세스 가스 속도, 유량, 및/또는 프로세스 가스의 방향에서의 더 적은 변화를 야기하여, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼의 부분들에서 반도체 웨이퍼(114) 상에 더 많은 재료의 퇴적을 초래한다. 따라서, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼(114)의 부분들 상에 퇴적되는 재료의 양은, 엣지 바 높이(184)를 변경함으로써 조정될 수 있다.
엣지 바 원주 길이(182)도 역시, 속도를 증가시키거나, 유량을 증가시키거나, 및/또는 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144) 쪽으로 향하는 프로세스 가스의 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 엣지 바 원주 길이(182)는 세그먼트 폭(196)의 약 5% 내지 약 90%이다. 세그먼트 폭(196)에 대한 엣지 바 원주 길이(182)의 증가는 일반적으로, 증가된 프로세스 가스 속도, 유량, 및/또는 프로세스 가스의 방향 변화를 야기하여, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼의 부분들에서 반도체 웨이퍼(114) 상에 더 적은 재료의 퇴적을 초래한다. 역으로, 세그먼트 폭(196)에 대한 엣지 바 원주 길이(182)의 감소는 일반적으로, 감소된 프로세스 가스 속도, 유량, 및/또는 프로세스 가스의 방향에서의 더 작은 변화를 야기하여, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼의 부분들에서 반도체 웨이퍼(114) 상에 더 많은 재료의 퇴적을 초래한다. 따라서, 엣지 바(148)에 근접한 반도체 웨이퍼(114)의 부분들 상에 퇴적되는 재료의 양은, 엣지 바 원주 길이(182)를 변경함으로써 조정될 수 있다.
도 8은, 속도를 증가시키거나, 유량을 증가시키거나, 반도체 웨이퍼(114)의 중심 영역(134) 쪽으로 향하는 프로세스 가스의 방향을 변경하기 위해 제2 유입구 세그먼트(188) 및 제3 유입구 세그먼트(190)의 바로 하류에 위치한 단일 엣지 바(148)를 포함하는 대안적인 예열 링(198)의 사시도이다. 도 8에 도시된 엣지 바(148)는, 국부적 또는 전역적 최대 층 두께가 반도체 웨이퍼(114)의 엣지(144)가 아니라 중심 영역(134)에서 발생할 때를 처리하도록 엣지 바가 위치한다는 점을 제외하고는, 도 3 내지 도 7에 도시된 엣지 바(148)와 실질적으로 유사하다. 따라서, 예열 링(198)은, 중심 영역에서의 퇴적을 감소시키고 더 균일한 반경방향 퇴적 프로파일을 생성하기 위해 제2 유입구 세그먼트(188) 및 제3 유입구 세그먼트(190)의 바로 하류에 적절하게 위치하는 엣지 바(148)를 포함한다.
도 9는 반응 장치에서 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법(200)의 흐름도이다. 방법(200)은 프로세스 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내로 프로세스 가스를 채널링하는 단계(202)를 포함한다. 방법(200)은 또한, 예열 링으로 반도체 웨이퍼를 가열하는 단계(204)를 포함한다. 방법(200)은, 엣지 바를 이용하여 프로세스 가스의 속도와 방향 중 적어도 하나를 조정하는 단계(206)를 더 포함한다. 방법(200)은 또한, 프로세스 가스로 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적하는 단계(208)를 포함한다. 엣지 바는 반도체 웨이퍼 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 것을 용이화한다.
예들
본 개시내용의 프로세스들은 이하의 예에 의해 추가로 설명된다. 그러나, 이 예는 제한적 의미로 간주되어서는 안 된다.
예 1: 반도체 웨이퍼의 반경방향 성장 속도 프로파일에 미치는 엣지 바 이용의 효과 결정
여기서 설명된 바와 같이 제1 유입구 세그먼트 및 제4 유입구 세그먼트 앞에 위치한 2개의 엣지 바를 포함하는 예열 링이 단일 웨이퍼 에피택시 반응기에서 테스트되어 에피택셜 웨이퍼 성장 속도 프로파일에 미치는 그 영향을 결정하였다. 에피택셜 웨이퍼는, Czochralski 방법에 의해 생성된 단결정 실리콘 웨이퍼들을 1050°C 내지 1150°C의 웨이퍼 온도에서 프로세스 가스에 노출시킴으로써 준비되었다. 엣지 바는 0.5 mm의 엣지 바 높이를 가졌다.
엣지 바가 없는 예열 링이 이용된 제어 실행이 수행되었다. 도 10은 웨이퍼 반경방향 거리의 함수로서의 에피택셜 웨이퍼 반경방향 성장 속도의 그래프(300)이다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 제어는 결과적으로 더 높은 성장률 반경방향 프로파일(302)을 야기했고, 엣지 바는 결과적으로 더 낮은 성장 속도 반경방향 프로파일(304)을 야기했다. 더 높은 성장 속도 반경방향 프로파일(302)은 제1 엣지 성장 속도(306) 및 제1 중심 영역 성장 속도(308)를 가지며, 제1 엣지 성장 속도(306)와 제1 중심 영역 성장 속도(308) 사이의 차이는 제1 성장 속도 차이(310)이다. 유사하게, 더 낮은 성장 속도 반경방향 프로파일(304)은 제2 엣지 성장 속도(312) 및 제2 중심 영역 성장 속도(314)를 가지며, 제2 엣지 성장 속도(312)와 제2 중심 영역 성장 속도(314) 사이의 차이는 제2 성장 속도 차이(316)이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 성장 속도 차이(310)는 제2 성장 속도 차이(316)보다 크고, 더 낮은 성장 속도 반경방향 프로파일(304)은, 더 낮은 성장 속도 반경방향 프로파일(304)의 엣지 성장 속도와 중심 영역 성장 속도 사이의 차이가, 더 높은 성장 속도 반경방향 프로파일(302)의 엣지 성장 속도와 중심 영역 성장 속도 사이의 차이보다 작기 때문에 더 균일하다. 따라서, 엣지 바들은 에피택셜 웨이퍼의 균일한 성장 속도 프로파일을 생성하였다.
실리콘 웨이퍼들을 생성하기 위한 종래의 방법들에 비해, 본 개시내용의 시스템들 및 방법들은 몇 가지 이점을 갖는다. 예를 들어, 설명된 엣지 바들을 포함하는 예열 링들을 포함하는 반응기들은, 퇴적 동안 균일한 성장 속도 프로파일을 갖는 반도체 웨이퍼들의 비용 효율적인 제조를 용이화한다. 균일한 성장 속도 프로파일은 더 균일한 퇴적 두께 프로파일을 생성한다. 따라서, 엣지 바들은 균일한 두께 프로파일을 갖는 반도체 웨이퍼의 생성을 가능케한다. 예시적인 예열 링은, 처리 동안 반도체 웨이퍼의 불균일한 성장 속도를 교정 및/또는 영향을 미치기 위해 프로세스 가스 유입구 근처에 엣지 바들을 갖는다. 이에 따라 엣지 바들은 속도를 증가시키거나, 유량을 증가시키거나, 및/또는 프로세스 가스의 방향을 반도체 웨이퍼의 엣지들 쪽으로 변경함으로써, 반도체 웨이퍼 엣지들의 성장 속도를 감소시키고 균일한 두께 프로파일을 갖는 반도체 웨이퍼들을 제조한다. 따라서, 예시적인 예열 링들은 웨이퍼 상의 에피택셜 CVD 성장의 균일성을 개선하기 위해, 종래 기술에 비해, 국부적인 성장 속도 편차들을 제거하거나 감소시킨다. 또한, 상기의 예들의 이용은, 에피택셜 CVD 시스템의 생산 속도를 향상시킬 수 있고, 폐기물을 감소시킴으로써 운영 비용을 낮출 수 있다.
본 발명 또는 그 실시예(들)의 요소들을 소개할 때, 관사 "한(a)", "한(an)", "그 하나(the)", 및 "상기(said)"는 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하기 위한 것이다. 용어 "포함하는(comprising)", "내포하는(including), "담고 있는(containing)", 및 "갖는(having)"은 포함적(inclusive)인 것으로서, 열거된 요소들 이외의 추가적인 요소들이 있을 수도 있다는 것을 의미하기 위한 것이다. 특정한 배향을 나타내는 용어들(예컨대, "상단", "하단", "측면" 등)의 사용은 설명의 편의를 위한 것이며, 설명된 항목의 임의의 특정한 배향을 요구하지 않는다.
본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고 상기 조성들 및 방법들에서 다양한 변경이 이루어질 수 있기 때문에, 상기 설명에 포함되고 첨부된 도면[들]에 도시된 모든 내용은 제한적 의미가 아니라 예시적인 의미로서 해석되어야 한다고 의도된다.

Claims (20)

  1. 프로세스 가스와 반도체 웨이퍼를 접촉시키기 위한 반응 장치로서,
    상위 돔;
    상기 상위 돔에 부착된 하위 돔, ―상기 상위 돔과 상기 하위 돔은 반응 챔버를 정의함―;
    상위 라이너;
    상기 상위 라이너 아래에 위치한 하위 라이너, ―상기 상위 라이너와 상기 하위 라이너는 상기 프로세스 가스를 상기 반응 챔버 내로 채널링하기 위한 프로세스 가스 유입구를 정의함―; 및
    상기 반응 챔버 내부에 위치하여 상기 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼와 접촉하기 전에 가열하기 위한 예열 링
    을 포함하고, 상기 예열 링은 상기 하위 라이너의 내주면에 부착되며, 상기 예열 링은,
    내측 엣지, 외측 엣지, 제1 측면, 및 상기 제1 측면과는 반대편의 제2 측면을 갖는 환형 디스크, ―상기 내측 엣지와 상기 외측 엣지는 그들 사이에서 반경방향 거리를 정의함― ; 및
    상기 제1 측면 상에 위치하고 상기 외측 엣지로부터 상기 내측 엣지를 향하여 엣지 바 반경방향 두께 ―상기 반경방향 거리는 엣지 바 반경방향 두께보다 큼― 만큼 연장되는 엣지 바
    를 포함하는, 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 반응 챔버 내의 상기 프로세스 가스의 속도를 조절하는, 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 반응 챔버 내의 상기 프로세스 가스의 방향을 조절하는, 반응 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 가스 유입구는, 상기 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼의 엣지로 향하게 하는 제1 유입구 세그먼트, 상기 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼의 중심 영역으로 향하게 하는 제2 유입구 세그먼트, 및 상기 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼의 중심 영역으로 향하게 하는 제3 유입구 세그먼트, 및 상기 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼의 엣지로 향하게 하는 제4 유입구 세그먼트를 포함하는, 반응 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 제1 유입구 세그먼트 및 상기 제4 유입구 세그먼트 중 적어도 하나에 근접하게 위치하는, 반응 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 엣지 바는 제1 엣지 바 및 제2 엣지 바를 포함하고, 상기 제1 엣지 바는 상기 제1 유입구 세그먼트에 근접하게 위치하고 상기 제2 엣지 바는 상기 제4 유입구 세그먼트에 근접하게 위치하는, 반응 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 엣지 바와 상기 제2 엣지 바는 상기 반도체 웨이퍼의 엣지로 향하는 상기 프로세스 가스의 속도와 방향을 조절하는, 반응 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 제2 유입구 세그먼트 및 상기 제3 유입구 세그먼트 중 적어도 하나에 근접하게 위치하는, 반응 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 제2 유입구 세그먼트 및 상기 제3 유입구 세그먼트에 근접하게 위치하는, 반응 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 반도체 웨이퍼의 중심 영역으로 향하는 상기 프로세스 가스의 속도 및 방향을 조절하는, 반응 장치.
  11. 웨이퍼링 프로세스 동안 반도체 웨이퍼와 접촉하기 전에 프로세스 가스를 가열하기 위해 반응 장치 내에 위치하는 예열 링으로서,
    내측 엣지, 외측 엣지, 제1 측면, 및 상기 제1 측면과는 반대편의 제2 측면을 갖는 환형 디스크, ―상기 내측 엣지와 상기 외측 엣지는 그들 사이에서 반경방향 거리를 정의함― ; 및
    상기 제1 측면 상에 위치하고 상기 외측 엣지로부터 상기 내측 엣지를 향하여 엣지 바 반경방향 두께 ―상기 반경방향 거리는 엣지 바 반경방향 두께보다 큼― 만큼 연장되는 엣지 바
    를 포함하는, 예열 링.
  12. 제11항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 반응 장치 내의 상기 프로세스 가스의 속도를 조절하는, 예열 링.
  13. 제11항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 반응 장치 내의 상기 프로세스 가스의 방향을 조절하는, 예열 링.
  14. 제11항에 있어서, 상기 환형 디스크 및 상기 엣지 바는 고강도 램프들에 의해 생성된 복사 가열 광을 흡수하도록 일반적으로 불투명한, 예열 링.
  15. 제11항에 있어서, 상기 웨이퍼링 프로세스는 에피택셜 화학적 기상 퇴적인, 예열 링.
  16. 제11항에 있어서, 상기 엣지 바는 상기 제1 측면으로부터 연장되는 둥근 둘출부를 포함하는, 예열 링.
  17. 제11항에 있어서, 상기 엣지 바는 실리콘 카바이드로 코팅된 불투명 흑연 이루어진, 예열 링.
  18. 반응 장치에서 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 상기 반응 장치는 반응 챔버를 정의하는 상위 돔 및 하위 돔과, 프로세스 가스 유입구를 정의하는 상위 라이너 및 하위 라이너를 포함하고, 상기 반응 장치는 상기 반응 챔버 내에 위치하여 프로세스 가스를 상기 반도체 웨이퍼와 접촉하기 전에 가열하기 위한 예열 링을 더 포함하고, 상기 예열 링은 상기 하위 라이너의 내주면에 부착되고, 상기 예열 링은, 환형 디스크 및 상기 환형 디스크 상에 위치한 엣지 바를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 프로세스 가스 유입구를 통해 프로세스 가스를 반응 챔버 내로 채널링하는 단계;
    상기 예열 링으로 상기 프로세스 가스를 가열하는 단계;
    상기 엣지 바를 이용하여 상기 프로세스 가스의 속도와 방향 중 적어도 하나를 조절하는 단계; 및
    상기 프로세스 가스를 이용하여 상기 반도체 웨이퍼 상에 층을 퇴적하는 단계 ―상기 엣지 바는 상기 반도체 웨이퍼 상에 상기 층의 균일한 두께를 형성하는 것을 용이화함―
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 퇴적하는 단계는 에피택셜 화학적 기상 퇴적에 의해 수행되는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 반응 장치에 대해 상기 반도체 웨이퍼를 회전시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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