KR20040047874A - 반전(反轉)된 화학 증착(ｃｖｄ)용 장치 - Google Patents

반전(反轉)된 화학 증착(ｃｖｄ)용 장치 Download PDF

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Abstract

반도체 제조용 반응 장치(12)는 반응실의 상부에 장착된 회전 가능한 서셉터(14)를 포함한다. 하나 이상의 웨이퍼들(16)이 상기 서셉터의 표면에 장착되고, 서셉터터의 회전은 반응실 내부에서 웨이퍼들을 회전시킨다. 가열기(18)는 서셉터를 가열시키고, 챔버 가스 주입부는 상기 웨이퍼들의 상면에 반도체 물질들을 증착시키도록 반응실 내부로 반도체 성장 가스들을 들여보낸다. 챔버 가스 배출부(40)가 반응실로부터 성장 가스들을 배출시킬 수 있도록 포함된다. 주입부는 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 낮은 부위에 위치하고, 배출부는 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 높은 부위에 위치한다.

Description

반전(反轉)된 화학 증착(ＣＶＤ)용 장치{APPARATUS FOR INVERTED CVD}
여러 재료 시스템을 사용하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 시스템을 통하여 여러 반도체 소자들이 제조될 수 있는데, 근래들어서 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 시스템이 III족 질화물 기반 소자를 제조하는데 이용되고 있다. 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 시스템 내에서 이루어지는 III족 질화물 기반 반도체 소자의 성장은 아카데믹 프레스 사(Academic Press Inc.)에서 1997년 발행된 반도체와 반금속(Semiconductors and Semimetals) Vol. 50의 11-35페이지에 덴바(Denbaars)와 켈러(Keller)에 의해 묘사되어 있다. III족 질화물 소자를 제조하는데 있어 관심사항은 소자 층들 사이에 예리한 접촉면(sharp interface)를 제공함과 동시에 소자 층 내의 불순물을 최소로 하면서 균질한 물질을 만들어내는 능력이다. 불순물과 층들 사이의 불량한 접촉면은 소자의 성능에 좋지 않은 영향을 줄 수 있고, 반도체 소자의 지속적인 재생산을 방해할 수 있다.
종래의 몇몇 다중 웨이퍼 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치는 반응실의바닥면에 설치되고 회전 가능한 서셉터(susceptor)를 이용한다[엠코어사(Emcore Inc.)에서 제공되는 "터보 디스크 툴즈의 엠코어 디스커버 및 엔터프라이즈 시리즈 (Emcore Discover and Enterprise Series of the TurboDisk Tools)"를 보라]. 반도체 웨이퍼는 서셉터의 상면에 고정되고, 가열 요소가 서셉터 및 웨이퍼들을 가열하도록 서셉터의 뒷면에 배치된다. 반응체 성장 가스가 반응 장치로 들어와, 상기 웨이퍼 상에 원하는 물질을 증착시키는데, 이 때 서셉터는 웨이퍼상에 상기 물질이 균일하게 증착될 수 있도록 회전한다.
이러한 종래의 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치의 하나의 단점은, 상기 서셉터를 가열하는 것에 의하여 뜨거운 공기의 크고 균일하지 않은 경계층(boundary layer)이 웨이퍼 및 세섭터 위에 형성될 수 있다는 것이다. 성장이 이루어지는 동안, 서셉터로부터의 열은 가스를 상승시키고 경계층은 반응실의 상면까지 닿게 된다. 반응체 성장 가스는 통상적으로 상면 주입부를 통하여 반응실로 유입된다. 낮은 온도의 성장 가스가 뜨거운 가스를 만나게 되면, 열대류가 발생할 수 있고, 이는 반응실 내에 난류를 일으킨다. 이러한 난류는 웨이퍼 상에 균일하지 못한 증착이 이루어지게 하는 결과를 초래할 수 있다. 또한 증착 가스가 큰 경계층을 뚫고 확산되는 것은 어렵고, 이로 인해 많은 양의 성장 가스가 웨이퍼 상에 증착되지 못한다. 이는 원하는 반도체 소자를 형성하는데 필요한 성장 가스의 양을 증가시키게 된다.
서셉터 상의 큰 경계층은 또한 서셉터의 회전 속도를 제한할 수 있다. 가열된 서셉터의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 낮은 온도의 성장 가스의 대류로부터 발생하는 난류에 더하여, 경계층이 난류를 유발할 수 있게 된다. 이는 소자 층들에 있어서 더 큰 비선형성을 유발할 수 있다.
종래의 유기 금속 화학 증착법(MOCVD) 반응 장치의 또다른 단점은, 웨이퍼 (또는 서셉터)에 증착되지 않은 성장 가스가 서셉터 위의 반응실 측벽 또는 상벽에 증착될 수 있다는 것이다. 이러한 증착물은 양질의 층들을 성장시키는 반응 장치의 능력에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 상기 증착물은 다음 층 형성을 위한 가스와 반응할 수 있고, 제조 과정에서 웨이퍼 상에 재증착될 수 있다. 상기 증착물은 다음에 형성되는 층들에 있어서 불순물이 될 수 있고, 층간 사이의 예리함(sharpness)를 감소시킬 수 있다. 이는 궁극적으로 반도체 소자를 정확하게 재 생산하는 반응 장치의 능력을 제한한다.
III-V족 화합물 반도체 물질을 성장시키는데 이용되는 유기 금속 기상 에피텍시 (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOVPE) 시스템이 1997년 발행된 저널 오브 크리스털 그로우 170(Journal of Crystal Grouth 170)의 88-91쪽에 개재된 아리아(Aria et el) 저의 "저압 MOVPE 다중 웨이퍼 시스템 상에서의 고도로 균일한 성장(Highly Uniform Growth on a Low-Pressure MOPVE Multiple Wafer System)"에 묘사되어 있다. 웨이퍼들은 성장실안에서 서셉터에 고정된 상태로 아래면을 향하도록(역으로 뒤집어지도록) 배치되어 있고, 가스는 성장면 아래에서 흐른다. 서셉터는 회전하고, 그로 인해 웨이퍼들을 회전시킴으로써 더 균일한 성장을 얻는다. 가스들은 챔버의 측벽 중 하나로부터 3중 플로우 채널을 통해 챔버로 유입되고, 상기 가스는 반대쪽 측벽으로 배출된다. V족 물질(수소화물 가스) 및 H2운반 가스, III 족 물질(유기금속) 및 H2운반 가스, 그리고 배출 가스는 각각 삼중 플로우 채널의 상부, 중부, 및 하부 채널을 통해 반응장치로 흐른다.
이러한 시스템의 한가지 문제점은, 주입부 플로우 체널이 챔버의 한쪽 측벽에, 그리고 배출부는 반대편 측벽의 대략 동일한 높이에 위치하기 때문에, 주입부와 배출부 사이의 챔버를 가로질러 가스의 흐름이 형성된다는 것이다. 가스들 중 일부는 웨이퍼 상에 반응체들을 증착시킬 기회를 갖지 못한 채, 챔버를 가로질로 흐르는 경향이 있다. 또한, 웨이퍼의 전방 측부(leading edge)는 높은 농도의 반응체를 가지는 가스와 접촉하게 되고, 이는 웨이퍼 상에 걸쳐 균일하지 못한 증착을 초래하게 된다.
"굴뚝(chimney)" 화학 증착 (CVD) 반응 장치를 위한 유체 흐름과 질량 전달이 1992년 발행된 저널 오브 크리스탈 그로우스125 (Journal of Crystal Growth 125)의 311-319 쪽에 기재된 "굴뚝 CVD 반응 장치의 모델링(Modeling of Chimney CVD Reactor)"에서 다루어지고 있다. 굴뚝 반응 장치(chimney reactor)는, 반응로의 측벽의 내부에 수직으로 세워지도록, 웨이퍼들을 가열된 서셉터에 고정시킨다(보통 2개). 굴뚝 반응 장치 디자인의 의도는 서셉터 부근에 상방으로의 대류 가스 흐름을 발생시켜, 급격한 이질 접합(abrupt heterojunction) 성장을 위한 빠른 가스 전환을 촉진하는 것이다. 반응체를 포함하는 차가운 운반 가스는 반응 장치의 바닥에서 들어오고, 상방으로 흘러 가열된 영역으로 들어간다.
이러한 디자인의 문제점은, 비대칭적인 흐름 상태가 주 가스의 흐름은 반응 장치의 한 쪽 면 가까이에 위치하게 하고, 반대 방향의 흐름은 반대쪽에 위치하게 하는 결과를 가져온다는 것이다. 이는 두 서셉터에 있어서 서로 다른 증착율이 서로 다르게 되는 결과를 가져오게 된다. 또한, 상방으로의 가스 흐름에 있어서, 반응체의 고갈로 인해 서셉터의 전방 측부(leading edge)에 있어서의 성장율 균일성이 후방 측부(trailing edge)에서보다 훨씬 크게 된다.
유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치 내에서의 GaAs 기반 반도체 소자의 성장이, 1886년 발행된 저널 오브 크리스탈 그로우스 (Journal of Crystal Growth)의 120-127 쪽에 기재된 Lee et al 저의 "역 정체점 흐름에 있어서의 MOCVD(MOCVD in Inverted Stagnation Point Flow)"에서 다루어지고 있다. 반응 장치는, 반전(反轉)되고 가열된 서셉터에 클램프된 웨이퍼들을 향하여 반응체가 상방으로 흐르는 역 정체점 흐름 구조(inverted stagnation point flow geometry)에 기반을 두고 있다. 그러나 이러한 반응 장치는 정체점 흐름이고, 서셉터가 회전하지 않으므로, 이는 소자층들의 균일성을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 유기 금속 화학 증착법(MOCVD;metalorganic chemical vapor deposition)을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조 시스템의 일 실시예에 관한 간략한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 3은 중앙 회전 로드 가스 주입부를 가지는 본 발명에 따른 반응 장치의 또다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 반응 장치에서 사용될 수 있는 본 발명에 따른 서셉터의 일 실시예를 도시하는 하부 사시도이다.
도 5는 중앙 하면 가스 주입부를 가지는 본 발명에 따른 반응 장치의 또다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 6은 하면 샤워헤드(shower head)형 가스 주입부를 가지는 본 발명에 따른 반응 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 7은 측벽 가스 주입부를 가지는 본 발명에 따른 반응 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 높이 조절이 가능한 서셉터를 가지는 본 발명에 따른 반응 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
본 발명은 개선된 반도체 소자 제조 방법 및 제조 장치를 제공하고자 하며, 더 자세하게는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치에서의 반도체 소자 제조 방법 및 제조 장치를 제공하고자 한다. 본발명에 따른 반도체 제조용 반응 장치의 일 실시예는 반응실의 상부에 장착되고 회전할 수 있는 서셉터를 포함한다. 하나 이상의 웨이퍼들이 상기 서셉터의 표면에 장착되고, 상기 서셉터의 회전에 의해 상기반응실 내에서 회전한다. 가열기는 상기 서셉터를 가열하고, 챔버 가스 주입부는 상기 웨이퍼들 상에 반도체 물질을 증착시키기 위하여, 반도체 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시킨다. 상기 주입부는 바람직하게는 상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 낮은 부분에 위치한다. 챔버 가스 배출부가 성장 가스를 반응실 외부로 배출하기 위해 포함된다. 상기 배출부는 상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 높은 부분에 위치한다.
본발명에 따른 또 다른 실시예는 웨이퍼들 상에 에피텍셜 층들을 형성하도록하는 가스들의 소스 및 상기 에피텍셜 층들에서 도판트(dopant)들을 위한 가스들의 소스를 포함하여 구성되는 반도체 제조용 시스템을 포함한다. 가스관은 웨이퍼들 상에 반도체 소자를 성장시키기 위하여 상기 도판트와 에피턱셜 소스 가스들을 반응 장치로 이송하고, 상기 가스관 내의 소스 가스들은 반응 장치의 주입부를 통해 반응 장치로 유입된다. 상기 반응 장치는, 반응실에 장착되고 회전할 수 있는 반전(反轉)서셉터를 포함한다. 하나 이상의 웨이퍼들이 상기 서셉터의 표면에 장착되고, 상기 서셉터의 회전은 상기 웨이퍼들을 상기 반응실 내에서 회전시킨다. 가열기는 상기 서셉터를 가열하고, 소스 가스들은 상기 웨이퍼들에 반도체 물질을 증착시킨다. 챔버 배출부는 성장 가스들이 반응실을 빠져나가도록 한다. 바람직한 실시예에서 주입부는 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 더 낮은 부분에 위치하고, 배출부는 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 더 높은 부분에 위치한다.
본발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 서셉터는 상기 반응실의 바닥면을 향하는 저향(低向)면을 가지고, 상기 웨이퍼들이 상기 저면에 장착된다. 아래에 자세히 기술되는 바와 같이, 서셉터를 반전(反轉)시킴으로써, 경계층의 두께가 줄어들고, 이는 낮은 온도의 가스들이 경계층과 만났을 때 발생되는 난류를 감소시킨다. 성장 가스들은 경계층을 더 쉽게 관통할 수 있으며, 서셉터는 더 높은 회전 속도로 회전할 수 있다. 이러한 배치는 반응실 내부에서 증착물로부터 반도체 물질 내로 도입되는 불순물의 정도를 감소시키는데 도움이 된다.
본발명의 이러저러한 특징들 및 장점들은, 첨부된 도면과 함께 다음에 오는 상세한 설명으로터 당업자에게 있어서는 자명할 것이다.
반전(反轉)된 서셉터 가지는 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치는 많은 다양한 반도체 제조 시스템에서 이용될 수 있지만, 특히 도 1에 도시된 것과 같은 형태의 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 제조 시스템에 적용된다. 유기 금속 화학 증착(MOCVD)은 전구체의 증기 수송 및 가열 구역 내에서의 III족 알킬과 V족 수산화물의 연속적인 반응에 기반한 불균형 성장 기술이다. 합성 및 성장 속도는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치로의 가스 흐름의 질량 유량과 다양한 성분들의 희석에 의해 조절된다.
유기금속 III족 가스의 소스는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리메틸알루미늄(TMAl)과 같은 액체이거나, 또는 트리메틸인듐(TMIn)과 같은 고체이다. 유기금속 소스들은 버블러(bubbler)에 저장되는데, 상기 버블러를 통하여 운반 가스(일반적으로 수소)가 흐르게 된다. 버블러의 온도는 소스 물질에 대해 증기압을 조절한다. 운반 가스는 유기금속 소스로부터의 증기에 포화되고, 증기를 가열된 기판에 전달할 것이다.
V족 성장 가스의 소스는 가장 일반적으로 가스 형태의 수소화물인데, 예를 들면 질화물 성장을 위한 NH3등이다. 도판트(dopant) 물질들은 금속 유기 전구체[디에틸아연(DEZn), 시클로페닌 디에닐 마그네슘(Cp2Mg)]이거나 또는 수소화물(시레인(silane) 또는 디시레인(disilane))일 수 있다. 성장 가스들 및 도판트들은 반응 장치에 공급되고, 기판 또는 웨이퍼 상에 에피텍셜층으로 증착된다. 하나 이상의 웨이퍼들이, 고주파(RF) 코일에 가열되거나, 저항에 의해 가열되거나 또는 스트립 히터에 의해 방사되는 열에 의해 가열될 수 있고, 차례로 웨이퍼를 가열할 수 있는 서셉터라 불리는 탄소 구조물 상에 고정된다.
유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조 시스템(10)은 반응실(12)을 포함하고 있는데, 상기 반응실(12)은 반응실(12)의 상부에 장착되고, 반전된 서셉터(14)를 포함하고 있다. 서셉터(14)는 사파이어, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 질화 알루미늄 갈륨(AlGaN), 비화 갈륨(GaAs) 등과 같은 많은 다양한 물질로 만들어질 수 있는 복수의 웨이퍼(16)를 고정시킬 수 있다. III족 질화물 기반 반도체 소자에 있어서, 선호되는 웨이퍼는 SiC로 만들어진 것인데, 그 이유는 다른 물질과 비교되었을 때, SiC가 III족 질화물과 매치되는 유사한 결정 격자를 가지고 있고, 이에 의해 질이 좋은 III족 질화물 필름이 만들어지기 때문이다. SiC는 또한 매우 높은 열전달성을 가지고 있어서, SiC 에 대해서 III족 질화물 소자의 전체 출력은 웨이퍼의 열 소산 특성에 제한되지 않는다. 반절연 SiC 웨이퍼를 사용하는 것은 소자 아이솔레이션 능력 및 감소된 기생 커패시턴스를 제공할 수 있어 상업용 소자를 만드는 것을 가능하게 한다. SiC 기판은 노스캐롤라이나의 더햄(Durham)에 소재하는 크리사(Cree Inc.)로부터 사용 가능하고, 이들의 제조 방법은 미국 등록 특허제34,861호, 제4,946,547호, 및 제5,200,022호 뿐만 아니라 과학 논문에도 개시되어 있다.
성장이 이루어지는 동안, 서셉터(14)는 웨이퍼(16)를 소정의 온도로 유지시키기 위해 가열기(18)에 의해 가열된다. 온도는 일반적으로 400 ℃ 에서 1200℃ 사이이나, 원하는 성장의 형태에 따라 그보다 높거가 낮을 수 있다. 가열기(18)로는 위에서 나열된 가열 장치 중 어느것이나 이용될 수 있으나, 일반적으로는 고주파 (RF) 또는 저항 코일이 이용된다.
수소 또는 질소 운반 가스(20)는 가스관(22)에 공급된다. 운반 가스(20)는 또한 유량 조절기(24a~24c)를 통해 각각의 버블러들(26a~26c)에 공급된다.
버블러(26a)는 상술한 것과 같이 유기 금속 III족 소스를 포함할 수 있다. 버블러(26b) 및 버블러(26c) 역시 III족 화합물 합금을 성장시킬 수 있도록 유사한 유기 금속 성분을 포함할 수 있다. 버블러들(26a~26c)은, 유기 금속 화합물이 운반 가스(20)에 의해 반응실(12)로 운반되기 전에 유기 금속 화합물의 증기압을 일정하게 유지하기 위해서, 온도 유지 수조(28a ~ 28c)에 의해 소정의 온도로 일반적으로 관리된다.
버블러들(28a~28c)을 통과하는 운반 가스(20)는, 밸브들(30a~30c)을 원하는 조합에 따라 개방시킴으로써, 가스관(22) 내에서 흐르는 운반가스(20)와 혼합된다. 다음으로 혼합된 가스는 가스 주입부 포트(32)를 통해 반응실(12)로 들어가게 되는데, 상기 가스 주입부 포트(32)는 반응 장치에서 다른 위치에 배치될 수 있으나, 시스템 10에서는 반응실(12)의 바닥에 위치하고 있다.
암모니아와 같이 질소를 함유하는 가스(34)가 유량 조절기(36)를 통해 가스관(22)으로 공급되고, 질소를 함유하는 가스의 흐름은 밸브(38)에 의해 조절된다. 운반 가스(20)가 질소를 함유하는 가스(34)와 혼합되고, 가스관(22) 내의 유기 금속 증기가 반응실(12) 내로 들어가게 되면, 유기 금속 및 질소 함유 가스의 열분해를 통해 기판들(16) 상에 질화 갈륨을 성장시키는 요소가 존재하게 된다.
웨이퍼(16) 상에 질화 갈륨 합금을 도핑하기 위해서, 버블러들(26a~26c) 중 유기 금속 화합물에 사용되지 않는 하나는 도판트 물질을 위해 사용될 수 있다. 베릴륨, 칼슘, 아연 또는 탄소 등과 같은 많은 다양한 물질들이, 마그네슘(Mg) 또는 실리콘(Si) 등의 선호되는 물질들과 함게 도핑 재료로 사용될 수 있다. 버블러(26b) 또는 버블러(26c)가 붕소, 알루미늄, 인듐, 인 또는 다른 물질과 같은 합금 물질을 위해 사용될 수 있다. 일단 도판트 및/또는 합금이 선택되고 적당한 밸브(30a~30c)가 열려 도판트가 유기 금속 및 질소 함유 가스(34)와 함께 가스관(22)로 흘러들어가게 되면, 기판(16) 상에서 질화 갈륨의 도핑층이 성장이 일어날 수 있게된다.
반응실(12) 내의 가스는 수압에 의해 작동되는 펌프(42)와 연결된 가스 배출관(40)을 통해 배출될 수 있다. 더나아가, 밸출부 밸브(44)는 반응실(12)로부터 압력이 채워지거나 빠지도록 한다.
성장 과정은 일반적으로 밸브들(30a~30c)을 잠그므로써 유기 금속 및 도판트 소스를 차단하고, 질소 함유 가스(36) 및 운반 가스(20)는 계속 흐르도록 하여 멈추어진다. 또 다른 방법으로서, 반응실(12)은 유량 조절기(48) 및 밸브(50)를 통해조절될 수 있는 가스(46)를 배출시킬 수 있다. 배출은 펌프(42)가 과도한 성장 가스들이 있는 반응실(12)을 비우도록 밸브(44)를 개방함으로써 도와질 수 있다. 일반적으로, 배출 가스(46)는 수소이지만, 다른 가스일 수도 있다. 다음으로 가열기(18)의 전원을 끄는 것은 기판(16)을 냉각시킨다.
도 2는 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치(60)의 일 실시예를 도시하고 있다. 반응 장치(60)는 많은 다양한 물질 시스템으로부터 많은 다양한 반도체 소자를 제조하는데 이용될 수 있지만, 특히 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 제조 시스템 내에서 III족 질화 물질계 및 그 합금을 제조하는데 이용될 수 있다.
반응 장치(60)는 반전(反轉)되고 반응 장치의 상면(66)에 설치된 서셉터(64)가 장착된 반응실(62)을 포함한다. 서셉터(64)는 많은 열전도 물질들로 만들어질 수 있으며, 적당한 물질은 흑연이다. 반도체 웨이퍼들(68)은 반응실의 바닥면(72)을 바라보는 서셉터의 저향(低向)면(70)에 장착되는데, 통상적인 서셉터는 약 6개의 3인치 웨이퍼, 그리고 8개의 2인치 웨이퍼를 수용하는 것이 가능하다. 웨이퍼들은 덮개를 설치, 클램프, 클립, 접착제, 테이프 등을 포함한, 그러나 상기의 것에 한정되지 않은 많은 다양한 메커니즘에 의해 서셉터의 표면(70)에 부착되는 것이 가능하다.
서셉터(64)는 회전될 수 있는 회전 로드(74)에 의해 반응실(60) 내에 고정되고, 그로 인해 서셉터(64) 역시 회전한다. 서셉터는 서셉터(64)와 반응실의 상면 사이에 배치된 가열 요소(80)에 의해 가열된다. 가열기(80)로는 위에서 나열된 가열 장치 중 어느것이든 될 수 있으나, 보통 고주파(RF) 또는 저항 코일이 이용된다. 가열기(80)가 서셉터(64)를 가열할 때, 뜨거운 가스의 경계층(82)이 서셉터 표면(70) 및 웨이퍼들(68) 위에 형성된다. 웨이퍼들(68) 위에서 반도체 물질이 성장하는 동안, 성장 가스들은 많은 여러 경로와 반응실(62)의 여러 벽들을 통해 반응실(62)로 들어올 수 있다.
서셉터를 반전시킴으로써, 경계층(82)의 두께는 서셉터가 바닥에 있는 통상적인 반응실에 비교되었을 때, 줄어들게 된다. 서셉터(64)가 가열되고 뜨거운 가스를 생성하므로, 가열된 가스는 상승한다. 따라서, 경계층(82)는 뜨거운 가스의 상승에 의해, 서셉터(64) 및 웨이퍼들(68)에 대해 압축된다. 경계층 높이의 감소는 낮은 온도의 성장 가스들이 경계층(82)과 접촉하였을 때 발생되는 난류를 감소시키고, 이는 웨이퍼들(68) 상에 더 균일한 물질의 증착을 가능하게 한다. 성장 가스들은 또한 더 쉽게 경계층을 뚫을 수 있으며, 그 결과 더 많은 성장 가스들이 웨이퍼들(68) 상에 증착된다. 이는 요구되는 반도체 소자를 형성하는데 필요한 증착 가스들의 양을 감소시키게 된다.
감소된 경계층은 또한 서셉터(64)가 회전할 때 생길 수 있는 가스의 대류를 감소시킨다. 그 결과, 서셉터(64)는 통상적으로 배열된 서셉터들에 비해 훨씬 빠르게 회전된 수 있다. 반응 장치(10)에 있어서, 서셉터는 100 rpm 이상으로 회전될 수 있고, 수천 rpm까지도 가능하다.
감소된 경계층(82)은 또한 상승된 반응실 압력 하에서 증착 가스들이 웨이퍼들(68) 상에 증착되는 것을 가능하게 하여, 효과적인 제조를 돕는다. 제조되는 소자에 따라, 압력은 대기압의 1/8 기압 이하에서부터 10 기압까지 가능하다.
반전(反轉)된 서셉터 배치의 또다른 장점은 웨이퍼들에 증착되지 않은 성장 가스들 대부분이 서셉터(64)를 지나 반응실(62)의 상면을 향해 상승한다는 것이다. 이러한 가스들은 서셉터 뒤의 반응실 측벽 및 상면에 증착물(84)을 형성할 수 있다. 이러한 증착물들은, 성장 가스들이 웨이퍼들(68)을 지나기 전까지는 이러한 증착물들과 만나지 않을 것이므로, 이후의 성장 가스들과 상호작용하여 웨이퍼들(68) 상에 증착되는 물질에 불순물을 들여올 가능성이 더 작다. 다시 말하자면, 가스들은, 웨이퍼들 상에 반응체를 증착하는 지점을 지났을 때 이러한 불순물과 만나게 된다. 배출부는 반응실의 다른 위치에 배치될 수도 있지만, 웨이퍼들 또는 반응 장치의 벽에 증착되지 않은 가스들은 상부의 가스 배출부를 통해 반응실을 빠져나올 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 반응 장치(60)와 유사한 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치(90)에 한 실시예를 도시하고 있다. 반응 장치는, 회전 로드(92)를 가지고 있는데, 회전 로드(92)는 가운데 속이 비어 있어서 증착 가스들이 회전 로드(92)를 통해 반응실(94) 들어올 수 있게된다.
도 4는 반응 장치(90)에서 사용될 수 있는 서셉터(96)를 도시하고 있는데, 상기 서셉터(96)는, 가스가 회전 로드(92)로부터 서셉터(96)를 통하여 반응실(94)로 들어갈 수 있도록 하는 중앙 가스 주입부(98)를 포함하고 있다. 서셉터(96)가 회전함에 따라, 가스들은 주입부로부터 서셉터의 주변까지 견인되고, 그 도중에 성장 가스들의 일부는 웨이퍼(100) 상에 증착된다. 상기 웨이퍼들에 증착되지 않은 가스들은 서셉터(96)의 가장자리를 지나게 되고, 반응실의 상면(102)를 향해 견인된다. 위와 같이 이러한 가스들은, 흐름의 하류부 및 서셉터(96)의 뒷 부분인 반응실의 측벽들(108a, 108b)의 내부 및 반응실 상면(102)의 내부에 증착물들(106)을 형성할 수 있다. 이러한 증착물들은 위에서 설명한 것과 같이 이어지는 층들의 제조 과정에 나쁜 영향을 미칠 가능성이 작다. 가스들은 바람직하게는 반응실의 상면에 배치된 가스 배출부(110)를 통해 반응실(94)을 빠져나올 수 있는데, 이는 가스들이 웨이퍼를 지나고 다음으로 반응실의 상면으로 흐르는 것을 촉진시킨다.
도 5는 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치의 또 다른 실시예를 도시하고 있는데, 여기에서는 회전 서셉터(128) 상의 웨이퍼들(126)을 향하고 있는 중앙 바닥 주입부(124)를 통하여, 성장 가스들이 반응실(122)로 들어온다. 성장 가스는 서셉터(128)을 향해 상승하고, 가스들은 웨이퍼들(126) 상에 증착된다. 도 3의 실시예와 같이, 웨이퍼들(126) 상에 증착되지 않은 가스들은 서셉터(128)를 지나 견인되고, 반응실의 측벽들(132a, 132b)의 내부 및 반응실의 상면(134)의 내부에 증착물(130)을 형성할 수 있다. 반응 장치는 또한 상부 가스 배출부(136)를 가질 수 있다.
도 6은 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치(140)의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기에서 성장 가스들은 하부 "샤워헤드(shower head)" 형 주입부(144)를 통하여 반응실(142)로 들어온다. 주입부(144)는, 성장 가스들이 통과하여 반응실로 가게하는 복수의 구멍들(145)을 가지고 있는데, 성장 가스들은 회전 서셉터(148) 상의 웨이퍼들(146)을 향하여 상승하게 된다. 주입부(144)의 구멍들(145)은 서셉터(148)에 성장 가스들이 더 균일하게 도포되도록 하고, 이는 웨이퍼들(146) 상에 물질이 더 균일하게 증착하도록 한다. 위에서와 같이 웨이퍼들 상에 증착되지 않은 가스들은 하류로 견인되게 되고, 만일 반응실(142)의 벽들에 증착되지 않으면, 상부 배출부(149)를 통해 반응실을 빠져나올 수 있다.
도 7은 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치(150)의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기에서 증착 가스들은 측벽 주입부(154)를 통해 반응실(152)로 들어오게 된다. 위에서와 같이, 회전 서셉터(158) 상의 웨이퍼들(156)에 증착되지 않은 가스들은 하류로 견인되고, 반응실 벽의 내부에 증착물(159)를 형성할 수 있다. 반응실은 또한 상부 가스 배출부(160)를 가질 수 있는데, 상기 상부 가스 배출부(160)는 가스들이 주입부(154)로부터 반응실(152)의 상부를 향하여 지나도록 배치된다. 성장 가스들은 반도체 물질들이 웨이퍼들(156)에 증착될 수 있는 서셉터(158)을 향해 상승한다.
도 8은 본발명에 따른 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반응 장치(170)의 또 다른 실시예를 도시하고 있는데, 이는 반응실(171), 회전 서셉터(172), 상기 회전 서셉터 상의 웨이퍼들(174), 그리고 샤워헤드 가스 주입부(175)를 포함하고 있고, 위 모든 것들은 도 6의 반응 장치(140)의 것들과 유사하다. 대부분의 측면에서, 반응 장치(170)는 도 6의 반응 장치(140)과 동일한 방식으로 작동한다. 그렇지만 반응 장치(170)에서는 서셉터(172)가, 샤워헤드형 주입부(175)와 서셉터(172)의 간격을 조절하기 위해 화살표(177a, 177b)로 표시된 방향으로 움직이는 로드(178)에 의해 반응 장치의 상면(176)에 장착된다. 이러한 간격의 조절로 반도체의 성장 조건과 속도를 변화시키기 위해, 웨이퍼들(174)과 반응하는 성장 가스들의 반응체 농도를변화시킬수 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 서셉터(172)와 가스 주입부(175) 사이의 각도를 변화시키기 위해, 서셉터(172)는 화살표(178a, 178b) 방향으로 더 조절될 수 있다. 유사하게, 서셉터(172)와 가스 주입부(175) 사이의 각도를 변화시키기 위해, 가스 주입부(175)의 각도가 화살표(179a, 179b) 방향으로 조절될 수 있다. 이러한 조절들은 웨이퍼들(174) 상에서의 반도체 성장 조건 및 속도를 변화시킬 수 있게된다. 이동 가능한 서셉터 배치, 그리고 각도 조절 가능한 서셉터 및 주입부 배치는 각각 서셉터를 통한 가스 주입부, 바닥 주입부 및 측면 주입부를 가지는 반응 장치들(60,120,150)에서도 이용될 수 있다. 반응 장치들은 위의 조절 옵션 중 단지 하나를 포함하거나, 또는 모든 것을 포함할 수 있다.
본발명이 특정의 바람직한 구성들을 참조하여 상당히 자세히 설명되었지만, 다른 변형도 가능하다. 많은 다양한 가스 주입부들, 가스 배출부들, 그리고 서셉터 들이 사용될 수 있다. 가스 주입부들 및 가스 배출부들은 많은 다양한 위치에 배치될 수 있다. 본발명에 따른 반응 장치는, 많은 다양한 반도체 제조 시스템들에 있어서, 많은 다양한 물질계로부터 많은 다양한 반도체 소자들을 성장시키는데 이용될 수 있다. 그러므로, 본발명의 사상 및 범위는 상기한 명세서 또는 다음의 특허청구범위에 드러나는 바람직한 실시예에 한정되지 않아야 한다.

Claims (31)

  1. 반응실의 상부에 장착되고 회전할 수 있는 서셉터;
    상기 서셉터의 표면에 장착되고, 상기 서셉터의 회전에 의해 상기 반응실 내에서 회전하는 하나 이상의 웨이퍼들;
    상기 서셉터를 가열하는 가열기;
    상기 웨이퍼들 상에 반도체 물질을 증착시키기 위하여, 반도체 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시키고, 상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 낮은 부분에 위치하는 챔버 가스 주입부; 및
    상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 높은 부분에 위치하는 챔버 가스 배출부를 포함하여 구성되는 반도체 제조용 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 반응실의 바닥면을 향한 저향(低向)면을 가지고 있고, 상기 웨이퍼들은 상기 저향면에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 챔버 가스 주입부는 상기 반응실 바닥면을 관통하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 챔버 가스 주입부는 상기 반응실 바닥면의 중심 가까운 부분을 관통하는 단일 주입부인 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 챔버 가스 주입부는 상기 반응실 바닥면을 관통하는 샤워헤드형 주입부이고, 상기 샤워헤드형 주입부는 상기 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시키는 복수의 구멍들을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반도체 제조용 반응장치는 상기 반응실의 상부에 연결된 회전 로드를 더 포함하는데, 상기 서셉터는 상기 회전 로드에 부착되고, 상기 회전 로드의 회전은 상기 반응실 내에서 상기 서셉터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회전 로드는 가운데가 비어 있는 형태이고, 상기 서셉터의 표면은 상기 회전 로드와 일렬로 놓여 있는 중앙 주입부를 구비하고 있으며, 상기 성장 가스들은 상기 회전 로드 및 상기 중앙 주입부를 통해 상기 반응실로 주입되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 챔버 가스 주입부는 상기 반응실의 측벽을 관통하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 주입부와 상기 서셉터의 거리를 변화시킬 수 있도록 상하로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 서셉터의 각도는 상기 주입부와 상기 서셉터 사이의 각도를 조절할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 주입부의 각도는 상기 주입부와 상기 서셉터 사이의 각도를 조절할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 반응 장치.
  12. 웨이퍼들 상에 에피텍셜 층들을 형성하도록하는 가스들의 소스;
    상기 에피텍셜 층들에서 도판트들을 위한 가스들의 소스;
    상기 도판트와 에피턱셜 소스 가스들을 이동시키기 위한 가스관; 및
    웨이퍼들 상에 반도체 소자를 성장시키기 위한 반응 장치를 포함하여 구성되는데,
    상기 반응 장치는, 반응실에 장착되고 회전할 수 있으며 상기 가스 라인 내의 상기 소스 가스들은 상기 반응 장치의 주입부를 통해 주입되는 반전(反轉)된 서셉터;
    상기 서셉터의 표면에 장착되고, 상기 반응실 내에서 상기 서셉터의 회전에 의해 회전하는 하나 이상의 웨이퍼들;
    상기 서셉터를 가열하기 위한 가열기;
    상기 소스 가스들은 상기 웨이퍼들 상에 반도체 물질을 증착시키고, 상기 주입부는 상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 보다 낮은 부분에 위치하는 주입부; 및
    상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 보다 낮은 곳에 배치된 챔버 가스 배출부를 포함하는 반도체 제조용 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 반응실의 바닥면을 향한 저향면을 가지고 있고, 상기 웨이퍼들은 상기 저면에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 반응 장치의 주입부는 상기 반응실 바닥면을 관통하는 하나의 주입부인 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 상기 반응 장치의 주입부는 상기 반응실 바닥을 관통하는 샤워헤드형 주입부이고, 상기 샤워헤드형 주입부는 상기 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시키는 복수의 구멍들을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 반도체 제조용 반응장치는 상기 반응실의 상부에 연결된 회전 로드를 더 포함하는데, 상기 서셉터는 상기 회전 로드에 부착되고, 상기회전 로드의 회전은 상기 반응실 내에서 상기 서셉터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 회전 로드는 가운데가 비어 있는 형태이고, 상기 서셉터의 표면은 상기 회전 로드와 일렬로 놓여 있는 중앙 주입부를 포함하고 있으며, 상기 성장 가스들은 상기 회전 로드 및 상기 중앙 주입부를 통해 상기 반응실로 주입되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 반응 장치의 주입부는 상기 반응실의 측벽을 관통하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  19. 제12항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 주입부와 상기 서셉터의 거리를 조절할 수 있도록 상하로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 상기 서셉터의 각도는 상기 주입부와 상기 서셉터 사이의각도를 조절할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 상기 주입부의 각도는 상기 주입부와 상기 서셉터 사이의 각도를 조절할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 시스템.
  22. 유기 금속 화학 증착 반응(MOCVD)실의 내부에 장착되는 서셉터;
    상기 서셉터의 표면에 장착되는 하나 이상의 웨이퍼들;
    상기 서셉터의 회전에 의해 상기 웨이퍼들을 회전시키기 위해, 상기 서셉터를 회전하도록 하는 수단;
    상기 서셉터의 가열에 의해 발생하는 경계층이 압축되도록 상기 반응실 내에 배치된 상기 서셉터를 가열하는 수단;
    상기 웨이퍼들 상에 반도체 물질을 증착하기 위해, 반도체 성장 가스들이 상기 반응실로 들어가도록 하는 주입 수단; 및
    상기 웨이퍼들의 높이와 같거나 높은 부분에 위치하고, 상기 성장 가스들이 상기 반응실 외부로 배출되도록 하는 배출 수단을 포함하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 주입 수단은 상기 반응실 바닥면을 관통하는 하나의 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 주입 수단은 상기 반응실 바닥을 관통하는 샤워헤드형 주입부를 포함하고, 상기 샤워헤드형 주입부는 상기 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시키는 복수의 구멍들을 가지는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  25. 제22항에 있어서, 상기 서셉터는 가운데가 비어 있는 회전 가능한 로드에 의해 상기 반응 장치에 장착되어 있고, 상기 로드의 회전은 상기 서셉터를 회전하게하며, 상기 주입 수단은 상기 로드와 일렬로 배열된 상기 서셉터 내의 주입부를 포함하고, 상기 성장 가스들은 상기 로드 및 상기 서셉터 주입부를 통하여 상기 반응실로 들어가는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  26. 제22항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 성장 가스들로부터 상기 반도체 물질의 증착 조건을 변화시키기 위해, 상하로 움직일 수 있고 옆으로 기울어질 수 있는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치
  27. 제12항에 있어서, 상기 주입부는 상기 성장 가스들로부터 상기 반도체 물질의 증착 조건을 변화시키기 위해, 옆으로 기울어질 수 있는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  28. 제12항에 있어서, 상기 주입 수단은 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 더 낮은 부분에 위치하고, 상기 배출 수단은 상기 웨이퍼들의 높이와 동일하거나 더 높은 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 반응 장치.
  29. 웨이퍼들 상에 에피텍셜 층들을 형성하도록하는 가스들의 소스;
    상기 에피텍셜 층들에서 도판트들을 위한 가스들의 소스; 및
    웨이퍼들 상에 반도체 소자를 성장시키기 위한 유기 금속 화학 증착(MOCVD)반응 장치를 포함하여 구성되며, 상기 반응 장치는 반응실을 더 포함하고 상기 소스들은 주입부를 통하여 상기 반응실에 주입되고,
    상기 반응 장치는 상기 반응실에 장착되고 회전 가능한 반전(反轉)된 서셉터;
    상기 서셉터의 표면에 장착되고, 상기 서셉터의 회전에 의해 상기 반응실 내에서 회전하는 웨이퍼들;
    상기 소스 가스들은 상기 웨이퍼들 상에 반도체 물질을 증착하는 동안, 상기 서셉터를 가열하기 위한 가열기; 및
    상기 성장 가스들이 상기 웨이퍼로부터 벗어나도록 하는 가스 배출부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 금속 증착(MOCVD) 반도체 제조용 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 반응 장치의 주입부는 상기 반응실 바닥을 관통하는 샤워헤드형 주입부이고, 상기 샤워헤드형 주입부는 상기 성장 가스들을 상기 반응실로 유입시키는 복수의 구멍들을 가지는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 주입부와 상기 서셉터 사이의 거리를 변화시키도록 상하로 이동하는 것을 특징으로 하는 유기 금속 화학 증착(MOCVD) 반도체 제조용 시스템.
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