KR950001751B1 - 반도체 기상성장방법 및 그 장치 - Google Patents

반도체 기상성장방법 및 그 장치 Download PDF

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히로야스 구보타
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가부시키가이샤 도시바
아오이 죠이치
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 기상성장방법 및 그 장치
제1도는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체 기상성장장치의 평면적 설명도.
제2a도는 그 용착로의 종단면도.
제2a도는 제1도의 구체예를 나타낸 단면도.
제3a도∼제3c도는 각각 다른 종래예의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
22 : 전처리로(前處理爐) 23 : 용착로(溶着爐)
34 : 저항히터 35 : 탑재부
[산업상의 이용분야]
본 발명은 반도체장치의 제조과정에서 이용되는 반도체 기상성장방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 반도체기판 웨이퍼의 표면에 Si를 기상성장(에피택셜성장)시키는데 사용하기에 적합한 반도체 기상성장방법 및 그 장치에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
종래, Si에피택셜설장장치로서 여러 종류의 것이 알려져 있다. 제3a도∼제3c도는 그것들의 예를 나타낸 것이다. 그 장치들은 2개로 대별되는 바, 복수개의 웨이퍼를 일괄처리하는 일괄(batch)형과 웨이퍼를 1매씩 처리하는 낱장형으로 나뉘어진다. 또, 일괄형은 가열방식 및 반응로의 형상에 따라 제3a도의 종형(縱型 : 고주파가열)과 제3b도의 원통형(barrel型 : 복사가열)으로 나뉘어진다.
제3a도에서는 원반형상의 탑재부(2)상에 복수개의 반도체기판 웨이퍼(4)가 탑재되어 있다. 제3b도에서는 다면체형상의 탑재부(6)의 표면에 복수개의 웨이퍼(4)가 탑재되어 있다. 또한, 상기 낱장형은 제3c도에 나타내어져 있다. 제3c도에서는 반응용기(8)로서 각형(角形) 석영관을 사용하고, 그 내부의 원반형상의 탑재부(10)상에 웨이퍼(4)를 탑재시키며, 이 웨이퍼(4)를 예컨대 용기(8) 외부의 상하에 설치된 할로겐램프(halogen lamp : 도시되지 않았음)로 상하로부터 복사가열하도록 되어 있다.
상기 제3a도 및 제3b도의 일괄형 기상성장장치에 있어서는, 탑재부(2)의 표면에 평면적으로 웨이퍼(4)를 탑재시키고 있다. 이 때문에, 웨이퍼(4)의 직경이 커짐에 따라 1회에 처리할 수 있는 웨이퍼의 매수가 급격히 감소하게 된다. 예컨대 시판되는 원통형 장치를 사용할 경우, 직경이 5인치인 웨이퍼는 한 번에 18매를 처리할 수 있다. 그에 반해, 웨이퍼의 직경이 6인치인 경우에는 15매밖에 처리할 수 없고, 더욱이 웨이퍼의 직경이 8인치인 경우에는 8매밖에 처리할 수 없다. 그에 따라, 웨이퍼의 직경의 증대화에 따라 생산능력이 저하되고, 기상성장가공단가가 상승하게 된다.
또, 제3c도의 낱장형 장치에 의하면, 1회당 처리매수가 1매로 적어짐에도 불구하고 기상처리성장시퀀스의 시간을 종래의 1/10 이하로 단축시킬 수가 있다. 이 때문에, 결국 직경이 큰 웨이퍼의 생산능력을 향상시킬 수가 있다. 그렇지만, 이 낱장형에서는 반응로로서 각형의 반응로를 사용하기 때문에 막두께를 균일하게 하기 위해서는 캐리어가스(carrier gas : 수소)의 유량을 종래의 일괄형과 거의 동등한 100l/min 이상으로 하지 않으면 않된다. 이 때문에, 웨이퍼 1매당 사용되는 가스량이 증대되게 된다. 그에 따라, 기상성장단가를 낮추는 것이 곤란하게 된다.
[발명의 목적]
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 웨이퍼의 직경이 커져도 생산성이 저하되는 것을 억제할 수 있고, 또 기상성장단가의 상승을 억제할 수 있는 반도체 기상성장방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성]
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기상성장방법은, 반도체기판 웨이퍼표면의 자연산화막의 제거를 제1실에서 행하고, 자연산화막이 제거된 상기 웨이퍼의 표면에 상기 제1실과 다른 제2실에서 상기 웨이퍼를 1000rpm 이상의 고속으로 회전시켜 기상성장을 행하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 기상성장을 100Torr 이하의 감압하에서 또한 1000℃ 이하의 온도에서 행하도록 된 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 반도체 기상성장장치는, 반도체기판 웨이퍼표면의자연산화막을 제거하는 제1실과, 자연산화막이 제거된 상기 웨이퍼의 표면에 기상성장을 행하는 상기 제1실과 다른 제2실 및, 이 제2실에 상기 웨이퍼를 고속회전시킬 수 있는 회전구동수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 제2실을 감압시킬 수 있는 감압수단과, 제2실내의 웨이퍼를 가열시킬 수 있는 가열수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
[작용]
상기와 같이 이루어진 본 발명은, 웨어퍼표면의 자연산화막의 제거와 그 제거후의 표면으로의 기상성장이 별개의 실에서 행해지기 때문에, 산화막의 제거와 기상성장을 각각에 적합하고 또 대단히 적당한 조건에서 행할 수 있게 된다. 그에 따라, 소량의 가스 소비로 적정하게 기상성장을 행할 수 있게 된다. 특히, 웨이퍼를 고속으로 회전시키는 경우에는 1000℃라는 비교적 저온으로도 균일한 막두께의 것을 빠른 성장속도로 얻을 수 있게 된다.
[실시예]
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명의 1실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체 기상성장장치의 평면적 개략도이다.
동도로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 장치는 진공으로 유지되는 로드록크실(load lock室 : 20)의 외부에, 이 로드록크실(20)과 연통 및 차단이 가능한 미처리웨이퍼격납용 제1박스(21)와, 전처리로(前處理爐 : 22), 용착로(容着爐 : 23) 및, 처리가 끝난 웨이퍼격납용 제2박스(24)를 갖추고 있다. 상기 미처리웨이퍼 격납용 제1박스(21)는 기상성장(에피택셜설장)을 행하기 전의 미처리웨이퍼(W1)를 격납하기 위한 것이고, 전처리로(22)는 웨이퍼(W2)의 표면의 자연산화막을 제거하기 위한 것이며, 용착로(23)는 웨이퍼(W3)의 표면에 기상성장을 행하기 위한 것이고, 처리가 끝난 웨이퍼격납용 제2박스(24)는 기상성장을 마친 처리가 끝난 웨이퍼(W4)를 격납하기 위한 것이다. 상기 로드록크실(20)내는 항상 진공 또는 불활성가스분위기로 유지되는 실로서, 그 내부에 이동가능한 조종로봇(handling robot : 25)이 설치되어 있다. 이 조종로봇(25)은 상기 각 실(21∼24)간에서의 웨이퍼의 반송을 행하기 위한 것이다. 로드록크실(20)과 4개의 실(21∼24)간에는 밀폐문(21a∼24a)이 설치되어 있다. 이들 문 (21a∼24a)의 개폐에 따라 로드록크실(20)과 4개의 실(21∼24)의 흡인구(20a,21c,22b,23b,24c)에는 도시되지 않은 유로절환벨브(流路切煥valve) 등을 매개해서 흡인용 펌프(26) 가 접속되어 있다. 또, 전처리로(22) 및 용착로(23)에는 원하는 가스를 유입시키는 유입구(22C,23C) 및 유출시키는 유출구(22d,23d)가 설치되어 있다.
이와 같은 장치에 의한 기상성장은 다음과 같이 행해진다.
즉, 각 문(21a∼24a)을 닫은 상태에서 로드록크실(20)을 진공으로 한다. 외부로부터 제1박스(21)내에 미처리웨이퍼(W1)를 문(21b)을 열고 반입시킨다. 문(21b)을 닫은 후, 이 제1박스(21)내를 진공으로 한다. 그후, 문(21a)을 열고 조종로봇(25)에 의해 웨이퍼(W1)를 이미 진공으로 되어 있는 전처리실(22)로 이동시킨다.
전처리로(22)에서는 원반형상의 탑재부[예컨대, 카본기 재료에 SiC를 코팅한 것]상에 웨이터(W2)를 탑재시킨다. 또, 유입구(22C)로부터 수소 또는 수소와 HF 또는 수소와 HC1을 유입시킨다. 그에 따라, 이 웨이퍼(W2)를, 복사열에 의해 수소분위기중에서 약 1050℃ 이상으로 승온시켜 1∼2분간 유지시킨다. 그에따라, 웨이퍼(W2)의 표면의 자연산화막은 수소환원에 의해 제거되게 된다. 상기 복사가열은 전처리로(22)를 석영으로 구성해 놓고, 외부에 설치된 예컨대 할로겐램프[제2b도의 48]나 저항히터 등에 의해 실시된다.
그후, 그 웨이퍼(W2)를 할로겐램프의 소등 등에 의해 즉시 강온시키고, 조종로봇(25)에 의해 이미 배기된 용착로(23)로 문(23a)을 통해서 이동시킨다.
용착로(23)의 상세한 도면을 제2a도에 개략적으로 나타냈다. 용착실(31)을 구성하는 용기(32)의 상부에는 유입구(23c)가 형성되어 있고, 그 하부에는 유출구(23d)가 형성되어 있다. 이 실(31)내에는 회전가능한 축(33)상에 탑재부(35)가 그 축(33)과 일체로 회전하도록 고정되어 있다. 웨이퍼(W3)는 탑재부(35)에 탑재되어 있다. 탑재부(35)는 그 표면에 웨이퍼수납구(wafer 收納構 : 35a)를 갖추고 있다. 이 수납구(35a)에 웨이퍼(W3)가 끼워져 있다. 그에 따라, 웨이퍼(W3)는 탑재부(35)에 의해 지지되게 되는 것이다. 탑재부(35)는 바로 아래 설치된 저항히터(카본히터 : 34)에 의해 가열된다. 히터로서 카본히터(34)를 사용하는 것은 고열전도성을 얻기 위해서이다.
이 웨이퍼(W3)를 저항히터(34)의 저항가열에 의해 1000℃정도 또는 그 이하나 그 이상까지 가열시킨다. 그후, 반응가스로서 예컨대, SiH2Cl2또는 SiHCl3또는 SiH4를 캐리어가스 H2(∼10l / min)와 더불어 유입구(23c)로부터 유입시킨다. 이때, 웨이퍼(W3)를 1000∼3000rpm정도로 고속회전시킨다. 이 고속회전에 의해 웨이퍼(W3)의 표면에서의 가스정체층의 두께가 얇으면서 균일한 것으로 되게 된다. 또, 기층성장시에 용착로(23)내에 소용돌이가 발생하는 것을 방지하기 위해, 이 용착로(23)는 간단히 설명한 바와 같이 흡인구(23b)를 통해서 미리 100Torr 이하로 감압된다. 소정의 도께의 기상성장이 행해진 시간경과후에 반응가스의 유입을 멈추고, 카본히터(34)를 정지상태로 해서 웨이퍼(W3)를 강온시킨다. 그후, 진공상태로 한 후에 조종로봇(25)에 의해 문(23a)을 매개해서 처리가 끝난 웨이퍼(W3)를 취출(取出)하여 이미 진공상태로 된 처리가 끝난 웨이퍼격납용 제2박스(24)에 문(24a)을 매개해서 격납시킨다. 그에 따라, 1개의 웨이퍼에 대한 일렬의 기상성장공정이 종료되게 된다. 이 공정을 각 웨이퍼에 대해 순차적으로 반복함으로써 각 웨이퍼에 대한 기상성장을 할 수 있게 된다. 처리가 끝난 웨이퍼(W4)는 문(24a)을 닫은 상태에서 문(24b)으로부터 외부로 취출된다.
상술한 기상성장에 있어서는, 최대 10μm/min의 기상성장속도를 얻을 수가 있다. 이 때문에, 예컨대 10μm의 기상성장을 행하는 경우, 승·강온에 필요한 시간을 포함해서 10분정도로 1개의 웨이퍼에 대한 일련의 공정을 종료할 수 있게 된다.
상기 제1도의 구체적인 구성은 제2b도에 나타내어져 있다. 제2b도에 있어서, 제1도 및 제2a도와 동일한 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙였다.
이 제2b도에 있어서, 축(33)은 축받침대(43)에 의해 지지되고, 이 축(33)은 톱니바퀴기구(즉, 기어 : 42)를 매개해서 모터(41)에 의해 회전된다. 이 축(33)은 중공(中空)으로 되어 있고, 그 가운데를 가열전류를 흐르게 하기 위한 리드선(44)이 통과하며, 마찬가지로 중공의 탑재부(35)내의 히터(34)에 접속되어 있다. 또, 조종로봇(25)은 전처리실(22)내의 탑재부(47)상의 웨이퍼(W2)를 받아서 기상성장실(23)의 탑재부(35)상으로 반송시킨다.
본 발명의 실시예에 의하면, 다음과 같은 효과를 얻을 수가 있다.
즉, 용착로(23)내에서 웨이퍼(W3)를 고속회전시키도록 했기 때문에, 막두께의 균일성을 예컨대 ±2% 이하의 높은 정밀도를 캐리어유량 10 l/min이라는 적은 양으로 달성할 수 있게 된다. 이 유량은 종래의 유량에 비해 1/10 이하이다.
또, 기상성장속도를 종래의 배 이상의 속도인 10μm/min으로 할 수 있게 된다. 이 때문에, 웨이퍼 1매당 성장사이클의 소요시간도 10분으로 할 수 있게 된다. 그에 따라, 용착로 1기당 웨이퍼의 기상성장능력은 6매/hour로 되게 된다. 용착로를 3기 설치하면 18매/hour로 되게 된다. 이것은 종래의 일괄형 용착로의 배이상의 능력이다.
또한, 전처리로에서 자연산화막을 제거하기 때문에 용착온도가 1000℃정도 또는 그 이하로 저온화되게 되므로, 승·강온속도에 관계없이 열왜곡에 의한 전위(轉位)의 발생은 거의 일어나지 않게 된다. 이 때문에, 단시간의 기상성장처리가 가능하게 되었다. 그에 따라, 예컨대 직경 8인치 이상의 큰 웨이퍼에서의 생산성도 현저하게 향상될 수 있고, 또 가스유량의 저감이나 전기소비량의 저감이 가능하게 되어 기상성장단가를 대폭적으로 저감시킬 수 있게 된다.
더욱이, 상기 실시예에서는 웨이퍼표면의 자연산화막을 제거하기 위해 고온 H2환원법을 사용했지만, 이방법대신에 이온에 의한 스퍼터링법이나 HF증기에 의한 기상에칭법을 채용해도 좋다.
한편, 본원 청구범위의 각 구성요소에 병기한 도면참조부호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 실시예로 한정할 의도로 병기한 것을 아니다.
[발명의 효과]
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 웨이퍼 1매당의 가스소비량을 적게 억제하여 저단가로 비록 직경이 큰 웨이퍼일지라도 생산성이 좋게 기상성장시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 반도체기판 웨이퍼표면의 자연산화막의 제거를 제1실(22)에서 행하고, 자연산화막이 제거된 상기 웨이퍼의 표면에 상기 제1실(22)과 다른 제2실(23)에서 상기 웨이퍼를 1000rpm 이상의 고속으로 회전시켜 기상성장을 행하도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 기상성장방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기상성장을 100Torr 이하의 감압하에서 또한 1000℃ 이하의 온도에서 행하도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 기상성장방법.
  3. 반도체기판 웨이퍼표면의 자연산화막을 제거하는 제1실(22)과, 자연산화막이 제거된 상기 웨이퍼의 표면에 기상성장을 행하는 상기 제1실과 다른 제2실(23) 및, 이 제2실(23)에 상기 웨이퍼를 고속회전시킬 수 있는 회전구동수단(41)을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 기상성장장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2실(23)을 감압시킬 수 있는 감압수단(23b)과, 상기 제2실(23)내의 웨이퍼를 가열시킬 수 있는 가열수단(34)을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 기상성장장치.
KR1019910004323A 1990-03-20 1991-03-19 반도체 기상성장방법 및 그 장치 KR950001751B1 (ko)

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