KR100565138B1

KR100565138B1 - 웨이퍼 상에 에피택셜 층을 성장시키는 장치

Info

Publication number: KR100565138B1
Application number: KR1020027001052A
Authority: KR
Inventors: 리차드 에이 스탈; 알렉산더 구라리; 홍 큐 휴; 스코트 베허렐
Original assignee: 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2006-03-30
Also published as: JP2004513857A; KR20020019574A; AU6491600A; WO2001007691A1; EP1226292A1

Abstract

에피택셜 층을 성장시키는 장치는 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구(158)를 갖는 스핀들(142)을 포함한다. 회전가능한 플랫폼(134)이 스핀들의 상단부에 장착되고, 플랫폼은 상부면(136)과, 하부면(138) 및 스핀들 개구(158)와 실질적으로 정렬하는 중앙 개구(140)를 포함한다. 증착실은 또한 플랫폼(134)의 상부면(136) 위에 배치된 웨이퍼 수용 공동(128)을 가지며 플랫폼(134)의 중앙 개구(140)와 실질적으로 정렬되는 중공 공간(130)을 갖는 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어(124)를 포함한다. 스핀들 개구(158)는 바람직하게는 웨이퍼 캐리어(124)의 중공 공간(130) 내에 압력 수준이 증착실 내에 압력 수준보다 낮게 되도록 진공 펌프에 연결됨으로써, 웨이퍼(122)를 실질적으로 평탄한 배향으로 유지하기 위하여 웨이퍼 수용 공동 내에 흡인을 생성할 수 있다.

Description

웨이퍼 상에 에피택셜 층을 성장시키는 장치{APPARATUS FOR GROWING EPITAXIAL LAYERS ON WAFERS}

본 발명은 반도체 소자의 제조에 관한 것이며, 보다 상세하게는 웨이퍼 등의 기판상에 에피택셜 층을 성장시키는 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼는 흔히 화학 기상 증착(CVD) 반응기의 반응실 내에 웨이퍼 기판을 배치한 다음 웨이퍼 상에 하나 이상의 에피택셜 층을 성장시켜 제조하고 있다. 이러한 프로세스 동안, 웨이퍼는 CVD 반응기 내에 배치되고 웨이퍼 상에 에피택셜 층을 성장시키기 위해 기상 형태의 반응 화합물이 양과 속도가 조절된 상태로 웨이퍼 위로 주입된다. CVD 반응기는, 유입하는 반응 가스에 대해 웨이퍼가 소정의 각도로 장착되어 있는 수평 반응기, 반응 가스가 웨이퍼를 통과하는 유성(遊星; planetary) 회전을 하는 수평 반응기, 배럴형 반응기, 및 반응 가스가 웨이퍼 상에 하방으로 주입될 때 웨이퍼가 반응실 내에서 비교적 고속으로 회전되는 수직 반응기를 비롯하여 다양한 구성을 가질 수 있다.

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통상 전구체라 불리는 반응 화합물은 버블러(bubbler)로 알려진 장치 내에 반응 화합물을 배치한 다음 캐리어 가스를 그 버블러를 통해 통과시킴으로써 일반적으로 반응실 내로 주입된다. 이 캐리어 가스는 질량 유량계(mass flow controller)를 이용하여 CVD 반응기의 반응실 내로 공급되는 반응 가스를 제공하도록 반응 화합물의 분자를 픽업한다.

반응 가스가 반응실 내로 주입되는 조건은 웨이퍼 상에 성장되는 에피택셜 층의 특성에 상당한 영향을 미친다. 이러한 조건은 웨이퍼 상에 성장되는 에피택셜 층의 물성을 최적화시키도록 변경될 수도 있는데, 통상 재료의 점도, 밀도, 증기압, 반응 가스의 유로, 화학적 활성도 및 온도를 포함한다. 예컨대, 반응 가스의 유로는 반응 가스를 반응실로 주입시키는 데 사용되는 유동 플랜지의 구성을 변경시킴으로써 바뀔 수도 있다. 많은 사례에서, 특정 타입의 층을 성장시키기 위한 최적의 유로를 결정하기 위해 기판상에 성장된 에피택셜 층이 연구되고 있다.

에피택셜 층을 웨이퍼 상에 증착시킬 때, 웨이퍼는 통상적으로 반응실 내에서 웨이퍼 캐리어상에 배치되며, 차례로 웨이퍼 캐리어는 회전가능한 서셉터상에 배치될 수 있다. 이러한 반응기에서, 균일한 에피택셜 층의 성장은 웨이퍼 캐리어와 서셉터를 그 위에 웨이퍼를 탑재한 채 고속 회전시킴으로써 달성된다. 증착된 층들의 두께, 조성 및 품질은 최종 반도체 장치의 특성을 결정한다. 따라서, 증착 공정은 각 웨이퍼의 전면 상에 균일한 조성과 두께의 막들을 증착할 수 있어야만 한다. 균일성에 대한 요건은 더 큰 웨이퍼가 사용되고, 여러 개의 웨이퍼 상에 피막을 동시에 증착하는 장치가 사용됨에 따라 점점 더 엄격해지고 있다.

종래의 웨이퍼 캐리어를 사용하는 증착 공정에서, 웨이퍼의 표면 온도는 웨이퍼와 웨이퍼 캐리어 사이의 계면에 의해 생성되는 열 저항 및 웨이퍼 캐리어와 웨이퍼를 제조하는 재료의 상이한 방사율에 의해, 통상 웨이퍼 캐리어의 표면 온도보다 낮게 된다. 불행하게도, 이러한 온도차는 결과적인 반도체 웨이퍼의 품질을 저하시킨다. 예컨대, 웨이퍼 캐리어의 더 높은 온도로 인해 웨이퍼의 표면, 특히 그 외주부를 따라 온도가 불균일해지므로, 웨이퍼의 외주부를 따라 증착된 층(들)은 그 품질이 통상 저하되어서 폐기되어야만 한다.

도 1a에 도시된 일반적인 종래의 장치에서, 웨이퍼(10)는 웨이퍼 캐리어(12)의 상부에 장착된다. 차례로, 그 웨이퍼 캐리어(12)는 회전가능한 지지 스핀들(16)의 상부에 부착되는 서셉터(14)상에 장착된다. 상기 웨이퍼(들)(10), 웨이퍼 캐리어(12) 및 서셉터(14)의 상단부는 일반적으로 밀폐된 반응실 내에 배치된다. 상기 서셉터, 웨이퍼 캐리어(12) 및 그 위에 장착된 웨이퍼를 가열하기 위하여 가열 조립체(18)가 서셉터(14) 아래에 배열될 수도 있다. 스핀들(16)은 웨이퍼(10) 위로 유동하는 반응 가스의 균일성을 향상시키기 위해 회전되는 것이 바람직하다. 회전하는 스핀들(16)은 일반적으로 웨이퍼(10) 위로 유동하는 반응 가스의 균일성을 향상시킬 뿐만 아니라 웨이퍼(10)에 걸쳐서 온도 균일성도 향상시킨다.

웨이퍼 캐리어(12)는 웨이퍼 캐리어(12)가 증착 공정 동안 회전될 때 웨이퍼(10)를 적소에 유지하기 위해 그 상부면(22) 상에 원형 포켓(20)을 포함한다. 일반적으로, 원형 포켓(20)의 직경은 웨이퍼(들)(10)의 직경보다 약 0.020" 크며, 그 깊이는 웨이퍼의 두께보다 0.002" 깊다. 이 웨이퍼 캐리어(12)는 또한 반응실 내외로 웨이퍼 캐리어(12)를 들어올리고 운반하는 데 사용되는 환형 플랜지(24)를 통상 포함한다. 웨이퍼 캐리어(12)는 웨이퍼 캐리어가 증착 공정 동안 회전될 때 서셉터(14)상에 웨이퍼 캐리어(12)를 배치 및 유지하기 위한 환형 벽(26)을 그 하부면 상에 포함할 수도 있다.

도 1b를 참조하면, 증착 공정 동안, 웨이퍼(10)는 가열 조립체(18)에 의해 가열된다. 그 결과, 조기에 증착된 에피택셜 층은 일반적으로 후에 증착된 에피택셜 층에 비해 온도가 높게 된다. 이로 인해 도 1b에 도시된 바와 같이, 각 웨이퍼(10)의 주변 에지(28)는 말려 올라가서 웨이퍼 캐리어(12)로부터 멀어지게 되는 경우가 많다. 그 결과, 웨이퍼(들)(10)의 주변 에지(28)가 더 이상 웨이퍼 캐리어(12)와 접촉하지 않게 되어 더 이상 웨이퍼의 내부와 동일한 수준으로 가열되지 않게 된다. 본 발명은 어떤 특정한 작동 법칙에 의해 제한되지는 않지만, 말려 올라가는 현상은 조기에 증착된 에피택셜 층이 후에 증착된 에피택셜 층보다 높은 온도하에 있기 때문에 기인한 것이라 여겨진다. 더욱이, 웨이퍼의 말려 올라간 외부가 가열 조립체로부터 더 멀리 떨어진 상태로 웨이퍼의 내부가 가열되기 때문에 웨이퍼의 가열이 불규칙하게 된다. 결과적으로, 에피택셜 층이 웨이퍼에 걸쳐서 균일하지 않으므로 웨이퍼(10)의 말려 올라간 부분을 폐기해야만 한다. 이것은 특히, 웨이퍼의 말려 올라간 부분에서 취한 반도체 장치가 웨이퍼의 내부 영역에서 취한 반도체 장치와 상이한 동작 특성을 갖게 되기 때문이다.

따라서, 각 웨이퍼의 전체 표면의 상부에 에피택셜 층을 보다 균일하게 증착할 수 있는 장치에 대한 필요성이 존재한다. 보다 상세하게는, 에피택셜 층 성형 공정 동안 웨이퍼를 실질적으로 평탄하게 유지함으로써 웨이퍼의 에지가 말려 올라가는 것을 방지하는 웨이퍼 캐리어에 대한 필요성이 존재한다.

반도체 장치를 제조하는 데에 사용되는 웨이퍼와 같은 기판상에 에피택셜 층을 성장시키는 장치는 반응실 내측에 배치된 상단부와, 반응실 외측에 배치된 하단부 및 스핀들의 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구를 갖는 회전가능한 스핀들을 포함한다. 상기 장치는 스핀들의 상단부에 장착된 회전가능한 플랫폼을 포함한다. 소정의 실시예에 있어서, 상기 회전가능한 플랫폼은 비다공성(non-porous) 재료로 제조된 서셉터인 것이 바람직하다. 스핀들의 상단부는 회전가능한 플랫폼과 스핀들 사이의 장착 결합을 향상시키기 위해 외측으로 연장하는 플랜지부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 플랫폼은 상부면과, 스핀들의 상단부와 접촉하는 하부면 및 플랫폼의 상부면과 하부면 사이에서 연장하는 중앙 개구를 포함한다. 회전가능한 플랫폼이 스핀들 상부에 장착될 때, 회전가능한 플랫폼의 중앙 개구는 스핀들의 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구와 실질적으로 정렬되는 것이 바람직하다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 장치는 스핀들과 이 스핀들에 장착된 플랫폼을 선별적으로 회전시키기 위해 회전가능한 스핀들에 연결된 모터를 포함한다. 스핀들과 반응실 사이 및 스핀들 둘레에 진공 밀봉부를 제공하기 위해서 스핀들 및/또는 반응실과 밀봉 결합한 상태로 하나 이상의 진공 회전형 피드스루(feedthrough)가 제공될 수도 있다.

상기 장치는 또한 플랫폼의 상부면 위에 배치되는 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 포함하는 것이 바람직하다. 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어는 하나 이상의 웨이퍼를 내부에 수용하기 위해 하나 이상의 공동을 포함하는 상부면을 구비하는 것이 바람직하다. 각 공동은 내부에 배치된 웨이퍼 중 하나의 외경 또는 외주부보다 크거나 같은 외경 또는 외주부를 갖는 것이 바람직하다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 웨이퍼 캐리어의 상부면에 형성된 각 공동의 직경은 내부에 배치된 각 웨이퍼 직경의 약 1.0배 내지 1.25배이다. 웨이퍼 캐리어는 또한 플랫폼의 상부면과 접촉하는 하부면을 구비할 수도 있다. 웨이퍼 캐리어의 하부면은 내부에 형성된 중공 공간을 갖는 것이 바람직하다. 웨이퍼 캐리어가 플랫폼의 상부에 배치될 때, 웨이퍼 캐리어의 중공 공간은 실질적으로 플랫폼의 중앙 개구와 정렬 상태에 있게 된다. 그 결과로서, 웨이퍼 캐리어의 중공 공간은 플랫폼의 중앙 개구와 회전가능한 스핀들을 통해 연장하는 긴 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있게 된다.

실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어는 흑연, SiC 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되는 것이 바람직하고 약 7 내지 14%의 기공율을 갖는 것이 바람직하다. 웨이퍼 캐리어는 중공 공간과 연통하는 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 하나 이상의 채널은 중공 공간으로부터 외측으로 연장하는 것이 바람직하며 웨이퍼 캐리어의 상부면에 형성된 하나 이상의 공동 아래를 통과할 수 있다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 채널은 웨이퍼 캐리어의 하부면을 따라 그리고 웨이퍼 캐리어의 공동 아래에서 연장한다. 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼의 중공 공간을 증착실 내의 반응 가스로부터 격리시키기 위해 그 외주부에 인접하게 제공되는 밀봉 링과 같은 밀봉 구성을 또한 포함할 수 있다. 상기 밀봉 구성은 웨이퍼 캐리어가 플랫폼의 상부에 배치될 때 플랫폼의 외주부를 넘어서 연장하는 웨이퍼 캐리어의 외부 플랜지부를 포함할 수도 있다. 소정의 실시예에 있어서, 공동을 둘러싸는 웨이퍼 캐리어의 상부면은 비다공성 피막 또는 층에 의해 덮일 수도 있다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어의 공동 내에 배치되고 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 통해 진공이 인입될 때, 비다공성 층이 공동에서의 흡인 수준을 향상시킴으로써 웨이퍼를 실질적으로 평탄하게 유지하는 웨이퍼 캐리어의 성능을 향상시킬 수 있다.

증착실은 또한 스핀들을 통해 연장하는 긴 개구 내에 진공 또는 흡인을 발생시키는 스핀들 개구와 연통하는 펌프를 포함할 수도 있다. 스핀들 개구 내에 저압 영역이 발생할 때, 동일한 힘의 진공 또는 저압 영역이 회전가능한 플랫폼의 중앙 개구와 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 모두 발생된다. 진공은 중공 공간으로부터 웨이퍼 캐리어를 통해 연장하는 하나 이상의 채널로 연장될 수도 있다. 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어의 공동 내에 위치되고 하나 이상의 반응 가스가 반응실 내로 주입될 때, 중공 공간 내의 진공 또는 흡인은 반응실 내의 압력 수준보다 낮게 된다. 그 결과, 웨이퍼와 웨이퍼 캐리어 사이의 계면에 있는 공동 내에 흡인이 발현된다. 그러한 흡인은, 종래의 증착실(예컨대 도 1a에 도시된 종래의 실시예)에서 일어나는 것처럼, 에피택셜 층이 증착될 때 웨이퍼의 주변 에지가 말려 올라가거나 웨이퍼 캐리어로부터 떨어지는 것을 방지한다. 결과적으로, 균일한 에피택셜 층이 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐서 형성되고, 이에 의해 웨이퍼의 주변 에지로부터 제조될 수도 있는 신뢰성 있는 반도체 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, CVD 반응기의 반응실 내에 웨이퍼를 지지하는 장치는 반응실 내측에 배치된 상단부와 반응실 외측에 배치된 하단부를 구비한 회전가능한 스핀들을 포함하며, 상기 스핀들은 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구를 포함한다. 상기 장치는 또한 스핀들의 상단부 위에 장착된 회전가능한 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 상부면과, 스핀들의 상단부와 접촉하는 하부면 및 플랫폼의 상부면과 하부면 사이에서 연장하는 중앙 개구를 포함하며, 상기 중앙 개구는 스핀들 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있게 된다. 상기 장치는 또한 플랫폼의 상부면 위에 배치된 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 포함할 수도 있다. 상기 웨이퍼 캐리어는 플랫폼의 중앙 개구와 실질적인 정렬 상태에 있고 스핀들의 개구와 유체 연통하는 중공 공간을 갖는 하부면을 포함한다. 스핀들의 개구는 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 압력 수준이 웨이퍼 캐리어상에 배치된 웨이퍼 상부의 압력 수준보다 낮게 되도록 저압의 공급원에 연결된다. 그 결과로서, 웨이퍼 캐리어 위에 배치된 임의의 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어를 향해 흡인되어 종래의 장치에서 일어나는 것처럼 웨이퍼의 에지가 말려 올라가지 않게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법은, 회전가능한 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 내부에 구비한 증착실을 마련하는 단계와, 반응실 내에 제1 압력 수준을 유지하는 단계와, 웨이퍼를 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어상에 배치하는 단계와, 상기 배치 단계 후에, 상기 웨이퍼와 웨이퍼 캐리어 사이의 계면이 상기 증착실 내에 제1 압력 수준보다 낮은 제2 압력 수준을 갖도록 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 통해 진공을 인입하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어는 상부면, 하부면 및 웨이퍼를 수용하기 위해 상기 상부면에 형성된 다수의 웨이퍼 수용 공동을 갖는다. 이 실시예에서, 웨이퍼 수용 공동을 둘러싸는 웨이퍼 캐리어의 상부면은 비다공성 층에 의해 덮이게 된다. 본 발명이 임의의 특정 작동 법칙에 의해 제한되는 것은 아니지만, 비다공성 층은 공동 내에 인입되는 진공력의 세기를 향상시킨다고 여겨진다. 또 다른 실시예에 있어서, 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어의 상부면은 공동을 구비하지 않지만, 웨이퍼 캐리어 위에 형성된 비다공성 층에 의해 형성되는 웨이퍼 수용 영역을 구비한다. 웨이퍼 수용 영역이 비다공성 층에 의해 덮이지 않으므로, 에피택셜 층을 성장시킬 때 웨이퍼 수용 영역에서의 흡인이 웨이퍼 캐리어 상부의 웨이퍼를 유지할 수 있다.

본 발명의 이들 실시예 및 기타 실시예는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 웨이퍼 캐리어의 상부에 장착된 웨이퍼를 포함하는 종래의 웨이퍼 캐리어, 서셉터, 서셉터를 지지하는 데 사용되는 회전가능한 스핀들 및 서셉터를 가열하기 위한 가열 장치의 단면도.

도 1b는 도 1a의 종래의 웨이퍼 캐리어와 함께 웨이퍼 상부에서 성장된 에피택셜 층을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 소정의 바람직한 실시예에 따른, 웨이퍼 캐리어, 회전가능한 플랫폼 및 회전가능한 스핀들을 포함하는 증착실의 단면도.

도 3a는 도 2의 ⅢA-ⅢA선을 따라 취한 도 2의 웨이퍼 캐리어의 평면도.

도 3b는 도 3a의 웨이퍼 캐리어의 저면도.

도 4는 도 2의 증착실의 부분 단면도.

도 5는 본 발명의 소정의 바람직한 실시예에 따른, 웨이퍼 수용 공동과 웨이퍼 수용 공동을 둘러싸는 실질적으로 비다공성인 상부면을 갖는 웨이퍼 캐리어의 단면도.

도 2는 본 발명의 소정의 바람직한 실시예에 따라 웨이퍼 상에 에피택셜 층을 성장시키는 장치를 도시하고 있다. 상기 장치는 측벽(102)을 구비하는 증착실(100)과, 반응 가스와 같은 반응 화합물을 증착실(100)의 내부 영역(108)으로 주입하기 위한 하나 이상의 개구(106)를 갖는 상부 플랜지(104)를 포함한다. 증착실(100)은 또한 하부 밀봉 플랜지(110)를 포함한다. 상기 증착실(100)은 스테인레스강으로 제조되고 상부 플랜지와 하부 플랜지(104, 110)는 측벽(102)과 밀봉 결합되는 것이 바람직하다. 상부 플랜지(104)의 개구(106)를 통해 주입되는 반응 가스는 하나 이상의 샤워헤드(114; showerhead)에 의해 거의 균일하게 분포된다. 반응 가스는 증착실(100) 내부에서 서로 상호 작용하여 웨이퍼 상에 에피택셜 층을 형성하는 것이 바람직한데, 이에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명한다. 반응 가스가 서로 상호 작용하여 웨이퍼 상부에 증착된 후, 하부 밀봉 플랜지(110)를 통해 연장하는 배출구(116)를 통해 폐기물이 제거된다. 소정의 바람직한 실시예에서, 폐 반응 가스는 펌프(118)를 사용하여 배출구(116)를 통해 제거된다. 증착실(100)의 내부 영역(108)의 내부 압력 수준은 스로틀 밸브(120)에 의해 조절된다.

에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키기 위해서, 그러한 웨이퍼(122)는 증착실(100) 내에서 웨이퍼 캐리어(124)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다. 웨이퍼 캐리어(124)는 상부면(126), 하부면(129) 및 하나 이상의 웨이퍼(122)를 내부에 수용하도록 된 하나 이상의 웨이퍼 수용 공동(128)을 구비한다. 각 웨이퍼 수용 공동(128)의 직경은 그 안에 수납된 웨이퍼(122)의 외경 이상인 것이 바람직하다. 웨이퍼 캐리어(124)는 또한 웨이퍼 캐리어(124)의 하부면(129) 내에 형성된 중공 공간(130)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 중공 공간(130)은 웨이퍼 캐리어(124)의 중앙에 위치될 수 있다. 웨이퍼 캐리어(124)는 흑연, SiC, 몰리브덴 또는 웨이퍼 캐리어에 통상 사용되는 널리 알려진 기타 재료와 같이 실질적으로 다공성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 웨이퍼 캐리어(24)의 기공율은 대략 7 내지 14%이다.

웨이퍼 캐리어(124)는 또한 웨이퍼 캐리어(124)의 외주부를 형성하는 외부 플랜지(132)를 포함한다. 웨이퍼 캐리어(124)는 회전가능한 플랫폼 또는 서셉터의 상부에 위치되도록 되어 있다. 서셉터(134)는 상부면(136)과 그곳으로부터 멀리 떨어진 하부면(138)을 포함한다. 서셉터(134)는 또한 상부면과 하부면(136, 138) 사이에서 연장하는 중앙 개구(140)를 포함한다.

서셉터(134)는 증착실(100)의 내측에 배치된 상단부(144)와 증착실의 외측에 배치된 하단부(146)를 갖는 회전가능한 스핀들(142)에 연결된다. 스핀들(142)의 최상단부는 서셉터(134)의 하부면(138)에 장착되는 플랜지부(148)를 포함하는 것이 바람직하다. 스핀들(142)은 풀리(152, 154)와 벨트(156)를 통해 모터(150)에 의해 회전될 수 있다. 스핀들(142)은 바람직하게는 스핀들을 통해 연장하는 긴 개구(158)를 구비하는데, 이 개구는 서셉터(134)를 통해 연장하는 중앙 개구(140)와 정렬되어 있다. 웨이퍼 캐리어(124)가 서셉터(134) 상부에 마련될 때, 그 하부면에 있는 중공 공간(130)은 스핀들 개구(158)와 서셉터 개구(140)와 실질적으로 정렬 상태로 있는 것이 바람직하다. 외부 플랜지(132)는 웨이퍼 캐리어(124)와 서셉터(134)가 회전할 때 웨이퍼 캐리어(124)를 서셉터(134) 상부에 유지한다.

스핀들(142)의 최하단부는 스핀들 개구(158)를 통해 진공을 인입하기 위해 펌프(118)에 연결되는 것이 바람직하다. 차압 제어기(162; differential pressure controller)가 증착실(100)의 내부 영역(108) 내의 압력과, 스핀들 개구(158), 서셉터 개구(140) 및 중공 공간(130) 내의 압력 수준을 조절하므로, 중공 공간(130) 내의 압력 수준은 항상 증착실(100)의 내부 영역(108) 내의 압력 수준보다 낮게 된다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 하나 이상의 진공 회전형 피드스루(160, 164; feedthrough) 등을 이용함으로써 증착실(100)과 스핀들(142) 사이에 또는 스핀들(142) 둘레에 진공 밀봉(seal)이 제공된다. 널리 알려진 진공 회전형 피드스루는 Ferrofluidic Corporation, Advanced Fluid Systems 및 Rigaku 에 의해 제작된다.

전술한 바와 같이, 웨이퍼 캐리어(124)는 웨이퍼 캐리어(124)의 하부면(129)에 형성된 중공 공간(130)을 포함하는 것이 바람직하다. 펌프(118)가 작동될 때, 스핀들 개구(158), 서셉터 개구(140) 및 중공 공간(130) 내에 진공이 생성된다. 웨이퍼 캐리어는 중공 공간(130) 내의 저압 또는 진공이 실질적으로 다공성 웨이퍼 캐리어의 전체 영역에 걸쳐서 미치도록 중공 공간(130)과 연통하는 하나 이상의 채널(135)을 포함한다. 그 결과, 웨이퍼(122)와 웨이퍼 캐리어의 계면에서(즉, 공동(128) 내에서) 압력 수준은 반응실(100) 내부 영역(108) 내의 압력 수준보다 낮게 된다. 본원 명세서에 사용된 바와 같이, "웨이퍼(122)와 반응실(100)의 계면"이라는 기술 용어는 웨이퍼 캐리어가 캐리어 위에 놓인 웨이퍼와 직접 접촉하는 영역을 의미한다. 계면에서의 저압은 웨이퍼(122)를 공동(128)으로 흡인함으로써, 도 1b에 도시된 종래 장치에서 발생하는 바와 같이 웨이퍼(122)의 주변 에지가 말려 올라가는 것을 방지한다. 본 발명이 어떠한 특정 작동 법칙에 의해 제한되는 것은 아니지만, 웨이퍼(122)를 그 위에서 반응 가스를 증착하는 동안 실질적으로 평탄하게 유지함으로써 웨이퍼의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 에피택셜 층을 갖는 반도체 웨이퍼를 형성할 수 있게 한다고 여겨진다. 결과적으로, 웨이퍼의 에지에서 형성된 반도체 장치가 사용될 수 있으며 종래의 공정에 의해 발생하는 바와 같이 폐기되지 않는다.

소정의 바람직한 실시예에 있어서, 웨이퍼 캐리어(124)는 웨이퍼 캐리어(124)를 서셉터(134)의 상부에 정렬시키고 서셉터가 회전하는 동안 웨이퍼 캐리어(124)가 서셉터(134)에서 떨어지는 것을 방지하는 플랜지 영역(132)을 구비한다. 플랜지 영역은 또한 증착실(100) 내부 영역(108) 내의 비교적 높은 압력의 가스를 중공 공간(130) 및 웨이퍼 캐리어(124) 채널(135) 내의 비교적 낮은 압력의 가스로부터 격리시키기 위해 웨이퍼 캐리어(124)와 서셉터(134) 사이에 밀봉부를 제공할 수도 있다.

도 3a는 본 발명의 소정의 바람직한 실시예에 따른, 도 2의 웨이퍼 캐리어(124)의 평면도를 도시하고 있다. 웨이퍼 캐리어(124)는 다수의 웨이퍼 수용 공동이 형성된 상부면(126)을 포함한다. 웨이퍼 캐리어(124)는 그 외주부 둘레에서 연장하는 주변 플랜지(132)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 주변 플랜지(132)는 바람직하게는 웨이퍼 캐리어(124)를 서셉터(134)의 상부에 위치시키기 위한 정렬 가이드를 제공한다. 주변 플랜지(132)는 또한 증착실(100)의 내부 영역(108) 내에 비교적 높은 압력의 가스를 웨이퍼 캐리어(124)의 중공 공간(130) 내에 비교적 낮은 압력의 가스로부터 효과적으로 격리시키기 위한 밀봉 기능을 제공할 수도 있다.

도 3b는 중공 공간(130)과, 이 중공 공간(130)에서 외측을 향해 그리고 웨이퍼 캐리어(124)의 공동 지지 영역의 둘레에서 연장하는 채널(135)을 포함하는 웨이퍼 캐리어(124)의 저면도를 도시하고 있다. 채널(135)은 펌프(118)에 의해 발생된 진공을 실질적으로 다공성의 웨이퍼 캐리어(124)의 전체에 걸쳐서 보다 균일한 패턴으로 분포되는 것이 바람직하다. 소정의 바람직한 실시예에 있어서, 공동 지지 영역(168)은 웨이퍼 수용 공동(128)과 실질적으로 정렬 상태에 있다. 공동 지지 영역(168)의 직경은 웨이퍼 수용 공동(128)의 직경의 약 1배 내지 1.5배일 수 있다. 본 발명이 어떠한 특정 작동 법칙에 의해 제한되는 것은 아니지만, 공동 지지 영역(168)은 진공이 웨이퍼 캐리어(124)를 통해 인입될 때 웨이퍼 캐리어(124)가 휘거나(wrapping), 만곡되거나(bending), 좌굴되는 것(buckling)을 방지할 수 있도록 웨이퍼 캐리어(124)의 구조적 안정성을 향상시키는 것이라고 여겨진다.

도 4는 에피택셜 층 성형 공정 동안 서셉터(134)의 상부에 위치된 웨이퍼 캐리어(124)의 확대도를 도시하고 있다. 하나 이상의 웨이퍼(122)가 공동(128) 내에 배치된 후에, 반응 가스(170)가 웨이퍼(122)의 상부에 증착된다. 먼저, 스핀들(142)이 모터(150; 도시 생략)에 의해 회전되고, 차례로 스핀들(142)의 상단부에 장착된 서셉터(134)와 웨이퍼 캐리어(124)가 회전된다. 그 후, 반응 가스(170)가 증착실(100)의 내부 영역(108) 내로 주입된다. 펌프(118; 도 2)는 스핀들 개구(158)를 통해 진공(172)을 인입한다. 진공이 스핀들 개구(158)와 서셉터 개구(140)를 통해 인입될 때, 유사한 크기의 진공이 웨이퍼 캐리어(124)의 중공 공간(130) 내에 형성된다. 웨이퍼 캐리어(124)의 상당한 기공율로 인해, 공동(128)과 웨이퍼(122) 사이의 계면(174)에서 흡인(175)이 발생한다. 흡인(175)이 웨이퍼(122)의 에지(176)를 공동(128) 속으로 잡아당기므로 웨이퍼(122)의 주변 에지(176)가 에피택셜 층의 성형 동안 말려 올라가는 것이 방지될 수 있다. 그 결과, 균일한 층 및/또는 일정한 특성을 전체 표면에 걸쳐서 갖는 반도체 웨이퍼가 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른, 웨이퍼(222)를 수용하기 위한 웨이퍼 캐리어(224)를 도시하고 있다. 웨이퍼 캐리어(224)는 상부면(226)과 그 상부면에서 멀리 떨어진 하부면(228)을 구비한다. 웨이퍼 캐리어(224)는 그 내부에 형성된 하나 이상의 웨이퍼 수용 공동(229)을 포함한다. 각 공동(229)은 에피택셜 층이 웨이퍼 상에서 성장할 수 있도록 웨이퍼(222)를 수용할 수 있는 크기와 형태로 된다. 각 공동(229)은 웨이퍼(222)의 하측과 대면하는 계면(274)을 형성한다. 공동(229)을 둘러싸는 웨이퍼 캐리어(224)의 상부면(226)은 비다공성 층(280)에 의해 덮여 있다. 진공이 중공 공간(230)을 통해 인입될 때, 비다공성 층(280)은 진공력이 웨이퍼/캐리어 계면(274)에 집중되도록 함으로써, 에피택셜 층이 성장될 때 웨이퍼(222)를 실질적으로 평탄한 위치에 유지시키는 조립체의 능력을 향상시킨다. 또 다른 실시예에 있어서, 웨이퍼 캐리어의 상부면은 거의 평탄하며, 상부면에 걸쳐 형성되어 웨이퍼 수용 영역을 둘러싸는 비다공성 피막에 의해 형성되는 웨이퍼 수용 영역을 구비한다. 다공성 웨이퍼 캐리어의 경우, 그러한 진공력은 캐리어의 웨이퍼 수용 영역에 집중된다(즉, 웨이퍼의 상부면 영역은 비다공성 피막에 의해 덮이지 않는다).

전술한 특징과 기타 변형 및 조합이 채택될 수 있으므로, 바람직한 실시예의 전술한 설명은 청구범위를 한정하기보다는 예시의 수단으로써 여겨져야 한다.

본 발명은 반도체 산업에 이용 가능하다.

Claims

에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치로서,

반응실의 내측에 배치된 상단부와, 상기 반응실의 외측에 배치된 하단부 및 상기 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구를 포함하는 회전가능한 스핀들과,

상기 스핀들의 상단부에 장착되고, 상부면과, 상기 스핀들의 상단부와 접촉하는 하부면 및 상기 상부면과 하부면 사이에서 연장하며 상기 스핀들의 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있는 중앙 개구를 포함하는 회전가능한 플랫폼과,

상기 플랫폼의 상부면 위에 분리가능하게 배치되고, 상기 플랫폼의 상부면과 접촉하며 상기 플랫폼의 중앙 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있는 중공 공간을 갖는 하부면을 포함하는 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어

를 구비하며, 상기 스핀들의 하단부는 상기 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 압력 수준이 상기 반응실 내에 압력 수준보다 낮도록 저압의 공급원에 연결되는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어는 흑연, SiC 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어의 기공율은 7 내지 14%인 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 회전가능한 플랫폼은 비다공성 재료로 제조된 서셉터인 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 스핀들과 플랫폼을 선별적으로 회전시키기 위해 상기 회전가능한 스핀들에 연결되는 모터를 더 구비하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 스핀들과 반응실 사이에 진공 밀봉부를 제공하기 위해 상기 스핀들과 밀봉 결합되는 진공 회전형 피드스루(feedthrough)를 더 구비하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 스핀들을 통해 연장하는 개구, 상기 회전가능한 플랫폼의 중앙 개구 및 상기 웨이퍼 캐리어의 하부면의 중공 공간은 실질적으로 서로 정렬 상태에 있는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제7항에 있어서, 상기 스핀들의 하단부는 상기 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 압력 수준이 상기 반응실 내에 압력 수준보다 낮게 되도록 진공 펌프에 연결되는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 하나 이상의 웨이퍼를 수용하기 위한 하나 이상의 공동을 포함하는 상부면을 구비하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제9항에 있어서, 하나 이상의 웨이퍼 수용 공동을 둘러싸는 상기 웨이퍼 캐리어의 상부면은 비다공성 층에 의해 덮여 있는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제9항에 있어서, 상기 각 공동의 직경은 상기 웨이퍼 중 하나의 직경 이상인 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제11항에 있어서, 상기 각 공동의 직경은 상기 각 웨이퍼의 직경의 1배 내지 1.25배인 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 중공 공간과 연통하며 이 중공 공간으로부터 외측을 향해 연장하는 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제9항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 중공 공간과 연통하며 이 중공 공간으로부터 상기 웨이퍼 캐리어의 외주부를 향해 외측으로 연장하는 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제14항에 있어서, 상기 채널 중 하나 이상은 상기 웨이퍼 캐리어의 공동 중 하나 이상의 아래를 통과하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 비교적 낮은 압력을 증착실 내에 비교적 높은 압력으로부터 격리시키기 위한 밀봉 구성을 포함하는 외주부를 구비하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
제16항에 있어서, 상기 밀봉 구성은 상기 플랫폼의 외주부를 넘어서 연장하는 웨이퍼 캐리어의 외부 플랜지부를 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 장치.
웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치로서,

증착실의 내측에 배치된 상단부와, 상기 증착실의 외측에 배치된 하단부 및 상기 상단부와 하단부 사이에서 연장하는 개구를 포함하는 회전가능한 스핀들과,

상기 스핀들의 상단부 위에 장착되고, 상부면과, 상기 스핀들의 상단부와 접촉하는 하부면 및 상기 상부면과 하부면 사이에서 연장하며 상기 스핀들의 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있는 중앙 개구를 포함하는 회전가능한 플랫폼과,

상기 플랫폼의 상부면 위에 분리가능하게 배치되고, 상기 플랫폼의 중앙 개구와 실질적으로 정렬 상태에 있으며 상기 스핀들의 개구와 유체 연통하는 중공 공간을 갖는 하부면을 포함하는 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어

를 구비하며, 상기 스핀들의 개구는 상기 웨이퍼 캐리어의 중공 공간 내에 압력 수준이 상기 웨이퍼 캐리어 둘레의 압력 수준보다 낮도록 저압의 공급원에 연결되는 것인 웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치.
제18항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 하나 이상의 웨이퍼를 수용하기 위한 하나 이상의 공동을 포함하는 상부면을 구비하는 것인 웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치.
제19항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어의 상부면에 있는 공동의 직경은 상기 웨이퍼의 직경 이상인 것인 웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치.
제19항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 중공 공간과 유체 연통하고 이 중공 공간으로부터 외측으로 연장하는 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치.
제21항에 있어서, 상기 채널 중 하나 이상은 상기 웨이퍼 캐리어의 공동 중 하나 이상의 아래를 통과하는 것인 웨이퍼를 증착실 내에 지지하는 장치.
에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법으로서,

증착실 내에서 내부에 개구가 있는 회전가능한 플랫폼상에 분리가능하게 배치되는 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어 위에 하나 이상의 웨이퍼를 마련하는 단계와,

상기 증착실 내에 제1 압력 수준을 유지하는 단계와,

상기 웨이퍼와 상기 웨이퍼 캐리어 사이의 계면이 상기 증착실 내의 제1 압력 수준보다 낮은 제2 압력 수준을 갖도록 상기 회전가능한 플랫폼의 상기 개구와 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 통해 진공을 인입하는 단계

를 포함하며, 상기 웨이퍼는 실질적으로 평탄한 배향으로 유지되는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법.
제23항에 있어서, 상기 플랫폼과 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어를 회전시키는 단계를 더 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법.
제24항에 있어서, 상기 진공을 인입하는 단계 동안 하나 이상의 반응물을 상기 증착실 내로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법.
제23항에 있어서, 상기 웨이퍼 캐리어를 가열시키는 단계를 더 포함하는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법.
제23항에 있어서, 상기 실질적인 다공성 웨이퍼 캐리어는 흑연, SiC 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 에피택셜 층을 웨이퍼 상에 성장시키는 방법.