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KR20180100044A - 상압 플라즈마 처리 단계들을 이용한 에피택셜 성장 - Google Patents

상압 플라즈마 처리 단계들을 이용한 에피택셜 성장 Download PDF

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KR20180100044A
KR20180100044A KR1020187007579A KR20187007579A KR20180100044A KR 20180100044 A KR20180100044 A KR 20180100044A KR 1020187007579 A KR1020187007579 A KR 1020187007579A KR 20187007579 A KR20187007579 A KR 20187007579A KR 20180100044 A KR20180100044 A KR 20180100044A
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crystal
crystalline
thin film
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KR1020187007579A
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Inventor
에릭 슐트
Original Assignee
온토스 이큅먼트 시스템즈
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Publication date
Application filed by 온토스 이큅먼트 시스템즈 filed Critical 온토스 이큅먼트 시스템즈
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Abstract

CMP 후 그리고 에피텍셜 성장 단계 전, 기판은 환원 화학반응뿐만 아니라, 화학적으로 불활성 운반 기체의 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는 대기압 플라즈마에 의해 준비된다. 이것은 잔류물들, 산화물들, 및/또는 오염물질들을 제거한다. 선택적으로, 질소 패시베이션(passivation)은 또한, 나중의 에피텍셜 성장을 위한 기판 표면을 패시베이트(Passivate)하기 위해, 대기 조건들하에서 수행된다.

Description

상압 플라즈마 처리 단계들을 이용한 에피택셜 성장
본 출원은 에피텍셜 성장에 관한 것으로, 특히 다른 물질로 구성된 단결정 기판상에의 단결정 반도체층들의 에피텍셜 성장("헤테로에피텍셜 퇴적")에 관한 것이다.
본 출원은 여기에 참고자료로서 포함되어 있는 미국 가출원 62/205,938호를 우선권으로 주장한다.
다음에 설명된 논점들은 공개된 발명들로부터 얻어진 후판단을 반영할 수도 있으며, 종래의 기술이라고 반드시 인정되지는 않는다.
반도체 처리에서의 기본 단계들 중 하나는 물질의 박막층들의 퇴적이다. 에피텍시(Epitaxy)는, 새로운 물질이 기판과 유사한 방위(orientation)로, 결정 격자 (結晶格子)를 계속하는 조건들하에서, 단결정 물질이 단결정 기판에 퇴적되는 특수한 경우이다.
부가된 물질이 상기 기판과 다른 구성을 갖는 이러한 특수한 경우는 때때로 헤테로에피텍셜 퇴적(heteroepitaxial deposition)이라 불리운다. 헤테로에피텍셜 퇴적은 에피텍셜 물질의 격자 상수가 기판 물질의 격자 상수와 동일할 때 가장 용이하다: 그렇지 않으면 그 물질에 압력(strain)(장력 또는 압축)이 존재할 것이다. 그러나, 완전한 격자 일치는 종종 불가능하다.
분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, "MBE")는 에피텍셜 퇴적 공정의 한 예이다. 이 공정에서 기판은 매우 높은 진공하에 유지되고, 대개는 가열된다(예컨대, 섭씨 수백도로). 근원 원자들(Source atoms) 또는 분자들은 노출된 기판에 나쁜 영향을 주고, 느린 결정 성장을 가능하게 하기 위해 매우 느리게 방출된다.
에피텍셜 퇴적은 또한 기상(氣相)으로부터 수행될 수 있다. 이러한 공정들은 다양한 원천 가스들(source gasses)을 사용하며, 전형적으로 더욱 빠른 결정 성장을 달성한다. 액체 또는 고체 상(相)들로부터의 에피텍셜 성장도 또한 가능하다.
구체적인 해결과제(particular challenge)는 에피텍셜 퇴적전의 기판의 준비이다. 이러한 에피텍셜 퇴적 공정은, 들어오는 원자들("흡착원자들(adatoms)")이, 결정 기판의 노출면에서, 격자 위치(格子位置)들에 우선적으로 흡착되는 것을 요구하며, 이것은 결정 성장이 발생하면서 기판의 격자를 계속할 것이다. 이 문제는 상기 흡착원자들의 완전한 정렬로부터의 임의의 편차가 결합(twinning) 또는 결함들을 개시할 수 있다는 점이며, 이것은 에피텍셜 층의 특성들을 저하한다. 일단 결함들 또는 쌍 도메인들(twinned domains)이 개시되면, 이것들은 성장면이 이동하면서 전파될 수도 있다.
성장된 결정의 각 층의 정렬은 그 층의 바로 직전의 결정 격자에 의해 정의된다. 이것은 결정 물질의 성장을 가능하게 하는 요인이지만, 이것은 또한 결정이 성장하면서 현존하는 표면에서의 결함들이 새로운 물질로 전파 가능하도록 한다. 달리 설명하자면, 각각의 새롭게-퇴적된 층은 표면층에 의해 정의되며, 그 결정이 성장하는 결정의 대부분은 아니다.
이것은 종래의 성장 공정들 동안의 심각한 난제는 아니지만, 이것은 약점의 한 근원을 나타낸다: 성장은 일부의 점에서 개시되어야 하며, 양호한 결정 격자면은, 그 점에서, 그것들 자체를 정렬하기 위해 새로이 성장된 층들에게 유용하여야 한다. 많은 노력이 에피텍셜 성장 공정들을 개발하는데 투자되어져 왔으나, (기판 물질에 의존하여)에피텍셜 퇴적의 개시는 여전히 결함들의 중요한 요인일 수 있다.
전통적으로 CMP(기계 화학적 연마(硏磨)(chemo-mechanical polishing)) 단계가 자동으로 정돈된 결정 격자면을 제공하기 위해 사용된다.
본 출원은 그 기판 상에 반도체 층들의 에피텍셜 성장과 함께 고체 결정 기판면들의 준비에 관한 것이다. 기판들 상에 성장된 에피텍셜 층들(에피(Epi) 층들)[예컨대, 갈륨스티븀(GaSb) 기판들 상에 성장된 인듐갈륨비소(InGaAs)]의 질은 그 기판의 표면에서의 원자 격자의 완전성, 및 산소, 탄소, 탄화수소들, 물(H20), OH와 같은 그 표면상의 간섭종(interfering species), 및 다른 종(種)의 결핍에 의존하며, 이것은 기판 원자 격자의 연장으로서의 에피 층 원자 구조의 균일한 성장을 방해한다.
에피(Epi) 성장을 위한 기판을 준비하는데 있어서의 표준 산업적인 실례는 다수의 전형적인 단계들을 포함한다:
1. 격자 이상(lattice anomalies)이 없는 자연 그대로의, 정돈된 결정 표면을 제공하기 위한 기판의 화학-기계적 연마;
2. 상기 연마 공정으로부터의 잔류물을 제거하기 위한 연마 후의 유기 용제(有機溶劑)들 및 산들(acids)로 기판 표면의 세척;
3. 전형적으로 고-순도 산소 제품을 갖는 노(爐)에서, 상기 준비된 표면상에서의 의도적인 산화물의 성장;
4. 후일의 사용을 위해 산화된 웨이퍼를 밀봉된 컨테이너에 저장;
5. 저장 패키징의 탈기체(脫氣體)(outgassing)로 인해 상기 표면상에 축적된 유기 오염물을 제거하기 위해 상기 기판의 표면을 세척(선택적);
6. 고진공(高眞空) 능력을 갖는 에피텍셜 성장 기계에 상기 웨이퍼를 위치;
7. 유기 오염물 및 상기 성장된 산화물 층(3 단계로부터의)을 제거하기 위해 고진공(高眞空)에서 고온으로 상기 웨이퍼를 가열;
8. 에피텍셜 층(들)의 성장.
상기 1 단계는 상기 웨이퍼로부터 절삭 손상(sawing damage)을 계속해서 제거하고 결과적으로 상기 기판의 당면 표면(immediate surface)상의 원자 격자에서의 높은 결정 규칙성(crystalline regularity)을 갖는 평탄한 표면을 발생시키기 위해 래핑 슬러리들(lapping slurries), 래핑 패드들(lapping pads), 산 용액들(acid solutions) 및 연마 패드들을 사용한다.
상기 2 단계는 상기 기판의 표면상의 자연 그대로의 결정 격자를 방해 또는 손상시키지 않고서도 상기 기판의 표면으로부터 래핑 혼합물들(lapping compounds) 및 연마 화학물질들의 모든 흔적들을 제거해야 한다. 이것은 실행하기가 아주 어려우며, 전형적으로 전매 용제 및 점증적으로 엄격한 환경 규제들에 따라 배치되어야 하는 이러한 다량의 용제들 및 산들(acids)을 소비하는 산 린스들(acid rinses)을 활용한다. 자연 그대로의 표면 결정도의 임의의 방해를 야기하지 않고서도 가능한 많은 양의 래핑 및 연마 잔류물들을 제거하는데 극도의 주의가 기울여진다. 상기 표면은 임의의 기계적인 장치에 의해 접촉되어서는 안되기 때문에, 모든 잔류물의 완전한 제거는 극도로 어렵다. 일부의 기판 제조업체들은 최종 잔류물들을 제거하기 위해 진공 플라즈마 세척을 시도했지만, 이러한 형태의 플라즈마 시스템에서의 원자 충격은 표면 격자 구조를 손상시키므로, 전체 표면 준비공정의 실패를 초래한다. 부가적으로, 상기 기판을 진공실로 공급하고 상기 기판을 진공실로부터 배출시키는 것을 요구하는 임의의 공정은 상기 세척공정의 처리량을 낮춘다. 필요한 것은 상기 기판 표면과 접촉하지 않고서도, 느린 진공 공정을 요구하지 않고서도, 그리고 임의의 방식으로든 상기 표면을 충격 또는 손상시키지 않고서도, 모든 연마 잔류물을 신속하게 제거하는 방법이다.
상기 3 단계는 상기 기판의 표면상에의 산화물 보호층의 성장을 초래하며, 다수의 기능들을 수행한다:
a) 그것은 상기 세척 공정(2 단계)으로부터의 일부의 손상 또는 결정 불규칙성을 여전히 포함할 수도 있는 표면 격자 원자들 중 일부를 소비한다.
b) 그것은 자연 그대로의 새로운 반도체 표면을 상기 산화물 층의 기저부에 생성한다.
c) 상기 산화물은 상기 기판의 저장 및/또는 운반 동안 상기 자연 그대로의 결정 표면이 산소, 탄소, 탄화수소, 물(H20), OH, 등등을 흡수하는 것을 방해한다.
d) 상기 산화물은 고진공 에피(Epi) 퇴적장치에서의 가열시 완전히 제거되는 구성을 가져야 한다.
이 산화물 표면 보호 구조는 다수의 결점들 및 문제점들을 가진다:
a) 성장된 상기 산화물 층은 하부 반도체 격자보다 다른 격자 상수를 가짐으로써, 임계 접점(interface)에서 상기 반도체쪽으로 응력(stress)을 유발한다. 이것은 변위(變位)들, 미끄러짐(slip), 및 후속적인 에피(Epi) 성장에 해로운 다른 결정 격자 붕괴들을 초래할 수 있다.
b) 전형적인 에피(Epi) 기판들은 화합물 반도체들, 예컨대, 갈륨스티븀, 이다. 양이온들(이 예에서는 갈륨)의 산화율은 전형적으로 음이온들(이 예에서는 안티몬)의 산화율과는 다르므로, 성장된 산화물은 종종 비화학량적이며, 불완전하고, 불안정하다. 이것은 응력, 탄소와 같은 원하지 않은 종(種)의 가능한 흡수; 및 산화물의 사전-퇴적 고온 제거 동안의 고르지 못한 탈착(脫着)을 초래한다.
c) 일부의 화합물 반도체 구조들에서, 음이온들 또는 양이온들의 임의의 산화상태들은 극도로 높은 탈착(脫着) 온도들(바람직하지 않은)을 요구한다.
다음에 설명된 바와 같이, 본 출원은 자연 그대로의 결정 표면을 보호하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은 표면 격자를 손상시키지 않으며, 상기 표면 격자에 무리를 주지 않고, 상기 표면 격자의 댕그링 결합들(dangling bonds)을 부동태화(不動態化)하는데 균일하게 효율적이어서 상기 표면 격자의 댕그링 결합들이 원하지 않는 종(種)을 흡수하지 않을 것이며, 에피(Epi) 퇴적 시스템에서의 적절한 가열시에 균일하게 그리고 완전하게 제거하므로, 에피텍셜 층들을 성장시키는 자연 그대로의 결정 표면을 남겨두게 된다.
상기 단계 4 및 5는 만일 상기 기판들이 한 위치에서 제조되고 다른 한 위치에서 사용되면 요구된다(이것은 가장 자주 발생하는 경우임). 에피(Epi) 기판 웨이퍼들은 전형적으로 개별적인 중합체 컨테이너들에서 저장 및 운반된다. 이러한 컨테이너들은 유기적인 구성요소들을 웨이퍼 표면으로 배출하는 것으로 알려져 있다. 일부의 에피(Epi) 성장 실험실들은 상기 웨이퍼가 고진공 퇴적장치에서 가열되면서 이러한 유기물(有機物)들이 흡수된 물질을 제거할 것이라고 가정한다. 그러나, 다른 조직들은 이러한 유기물들이 그들의 고-진공 펌핑 시스템들에서 문제점들을 생성할 것이며 필요한 시스템 세척간 평균시간(mean-time-between-system-cleans)을 감소시킬 것이다. 이러한 실험실들은 전형적으로 이러한 우발적인 유기 잔류물들을 제거하기 위해 상기 기판의 용제 린스들을 사용한다. 그러나, 완벽하지 못한 환경들에서의 습식 용제 세척(wet solvent cleans)의 공정은 다른 오염물질들을 상기 기판 표면에 유발시킬 수 있어, 결과적으로 고-진공 퇴적장치로 끝나게 된다. 부가적으로, 이러한 용제들은 환경적으로 정상적인 방식들로 배치되어야 하므로, 부가적인 상당한 비용을 초래한다. 필요한 것은 새로운 오염물질들을 유발하지 않고서도, 표면을 손상시키지 않고서도, 그리고 비용면으로 그리고 환경적으로 바람직하지 않은 용제들을 사용하지 않고서도, 유기적인 오염물질이 에피(Epi) 성장 시스템으로 들어가기 전에 유기적인 오염물질을 에피(Epi) 기판들로부터 제거하는 방법이다.
상기 단계 7[에피(Epi) 퇴적장치의 내부의 산화물 보호막의 탈착(脫着)]는 전형적으로 전통적인 에피(Epi) 기판 표면 준비에서의 가장 임계적인 단계이다. 모든 산화물은 에피(Epi) 막들이 성장할 자연 그대로의 결정 기판 표면을 노출된 상태로 남겨두기 위해 상기 기판 표면으로부터 균일하게 제거되어야 한다. 만일 상기 연마 공정으로부터의 임의의 잔류 오염물질, 환경적인 노출 또는 패키징 탈기체(脫氣體)로부터의 임의의 잔류 유기 오염물질, 임의의 비화학량적인 산화물들, 또는 임의의 고온 산화물들, 이 존재한다면, 상기 기판상에 성장된 에피(Epi) 막들은 결과적으로 후속적인 반도체 제조공정에서의 장치 결함들 및 수량 감소를 야기시킬 수 있는 결점들을 포함할 것이다. 필요한 것은 자연 그대로의 결정 표면을 보호하는 방법이며, 이 방법은 표면 격자를 손상시키지 않으며, 상기 표면 격자에 무리를 주지 않고, 상기 표면 격자의 댕그링 결합들(dangling bonds)을 부동태화(不動態化)하는데 균일하게 효율적이어서 상기 표면 격자의 댕그링 결합들이 원하지 않는 종(種)을 흡수하지 않을 것이며, 에피(Epi) 퇴적 시스템에서의 적절한 가열시에 균일하게 그리고 완전하게 제거하므로, 에피텍셜 층들을 성장시키는 자연 그대로의 결정 표면을 남겨두게 된다.
다음에 설명된 논점들은 공개된 발명들로부터 얻어진 후판단을 반영할 수도 있으며, 반드시 종래의 기술이라고 인정되지는 않는다.
본 발명은, 중요하면서도 단순한 실시예들을 도시하고 이 명세서에 참고자료로서 포함되는, 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 에피텍셜 박막의 퇴적에 대한 준비를 위한 기판으로의 대기압 플라즈마 헤드로부터의 하류 반응성 잔류물들의 적용을 도시하는 도면.
도 2는 상기 기판의 표면상의 산화물, 유기 오염물질 및 다른 우발적인 종(種)의 존재를 포함하는, 처리 동안의 에피(Epi) 기판의 단면적을 도시하는 도면.
도 3은 패시베이션 층(passivation layer)을 갖는 에피텍셜 기판을 도시하는 도면.
도 4는 바람직한 실시예들에 사용된 대기압 플라즈마 시스템의 1개의 견본 실시예를 도시하는 도면.
도 5a, 5b, 및 5c는 에피텍셜 성장전의 기판 준비의 1개의 견본 실시예에서의 연속적인 단계들을 도시하는 도면들.
도 6a, 6b, 및 6c는 유기적인 오염물질들을 제거하기 위한 1개의 견본 환원 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들.
도 7a, 7b, 및 7c는 유기적인 오염물질들을 산소기들로 대체하기 위한 1개의 견본 산화 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들.
도 8a, 8b, 및 8c는 1개의 견본 환원 및 패시베이션 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들.
상압 플라즈마 처리 단계들을 이용한 에피택셜 성장
본 출원은 에피텍셜 구조들을 형성하기 위한 새로운 방법들에 관한 것으로, 특히 에피텍셜 층의 퇴적이 시작되기 전에 표면 준비를 위한 새로운 방법들에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에서, 본 출원은 후속적인 에피텍셜 층 성장을 위한 최적의 표면 조건을 생성하는 방법으로서의 환경 플라즈마로부터의 하류 반응성 구성요소들의 사용을 교시(敎示)한다.
본 출원은 각각 참신하면서도 자명하지 않은 다수의 발명들에 관해 설명하고 있다. 부가적으로, 이러한 발명들의 다양한 결합들은 다양한 시너지들(synergies)을 부여하며, 그 자체로 독립적으로 참신하면서도 자명하지 않다고 여겨진다. 그러므로 본 출원에 설명된 특징들이 반드시 여기에 설명된 다양한 혁신적인 개념들 중 임의의 개념의 부분들이라고는 할 수 없다고 이해되어야 한다.
표본 실시예들의 상세한 설명
본 출원의 많은 혁신적인 교시들은 특별히 현재 바람직한 실시예들을 참조하여(제한적이 아닌, 예에 의해) 설명될 것이다. 본 출원은 몇개의 발명들에 관해 설명하고 있으며, 아래의 설명들 중 어느 것도 청구항들을 일반적으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 출원은, 다른 혁신적인 것들 중에서도, 단순한 장치에 의한 사전-에피 표면 준비에 대한 다수의 장점들을 제공하기 위해 대기압 플라즈마의 하류 반응성 잔류물들을 활용하는 공정을 교시한다. 헬륨에 더한 수소와 같은, 기체들의 화학 결합의 환원을 사용함으로써, 플라즈마 헤드의 내부의 대기압 플라즈마 영역에서 생성된 하류 반응성 수소기들은 헤드 구멍들을 빠져 나오며 기판 표면에 나쁜 영향을 준다. 4개의 중요한 표면 준비 공정들은 동시에 수행된다:
1. 탄소(유기 잔류물)는, 기판을 기계적으로 손상시키지 않고서도, 상기 기판의 표면으로부터 제거된다.
2. 산소는 기판을 기계적으로 손상시키지 않고서도 상기 기판의 표면으로부터 제거된다.
3. 물(H20), OH, 질소(nigrogen), 황(Sulfur), 할로겐화물(Halides), 등등과 같은 다른 우발적인 종(種)들은 기판을 기계적으로 손상시키지 않고서도 상기 기판의 표면으로부터 제거된다.
4. 상기 종(種)들의 제거 후에 남겨진 댕그링 결합들(dangling bonds)은, 화학적 활동을 위해 준비된(primed), 매우 활성화된 자연 그대로의 기판 표면을 생성한다.
만일 상기 기판이 에피(Epi) 성장장치로 직접 옮겨질 수 있다면, 추가적인 표면 준비는 불필요하다. 에피(Epi) 성장은 산화물들, 탄소, 또는 다른 표면 차폐종에 의해 방해받지 않도록 진행하며 패시베이션 층을 제거하는 정상적인 중간 단계는 생략될 수 있다.
만일 상기 기판이 나중의 사용 또는 수송을 위해 저장되어지려고 하면, 대기압 플라즈마 헤드의 화학적 성질은 환원 화학적 성질로부터 산화 화학적 성질로 급속하게 변하며(헬륨 플러스 산소 또는 헬륨 플러스 질소), 순수한, 제어된 산화물 또는 질화물막은 자연 그대로의 표면상에 성장될 수 있다. 이러한 성장된 표면 패시베이션의 순도는 대기압 플라즈마에 사용된 기체들의 순도, 및 기판이 그러한 패시베이션 막들을 성장시키는데 정상적으로 필요한 조작 또는 진공실 오염물질에 예속될 필요가 없다는 사실에 의해 보장된다. 상기 성장된 막의 에너지론 및 화학량론 및 두께는 기체 흐름들, 무선 주파수 전력, 주사 속도(scan rate), 구멍(aperture)과 기판 사이의 갭, 등등과 같은 대기압 플라즈마 매개변수들에 의해 제어된다. 일단 이러한 방식으로 보호되면, 상기 웨이퍼는 나중의 또는 먼 곳에서의 사용을 위해 저장 및/또는 수송될 수 있다.
에피(Epi) 성장 시스템으로의 입력 전에, 상기 웨이퍼는, 패키징 또는 대기압 노출로부터의 어떤 잔류물도 존재하지 않는 것을 보장하기 위해, 대기압 플라즈마를 사용하여, 상기 단계들에 의해 다시 세척(그리고 원하는 경우, 패시베이트)된다. 다시 한번, 에피(Epi) 조작자는 자연 그대로의, 패시베이트되지 않은 기판을 상기 에피(Epi) 장치로 위치시키고, 직접 성장시키는 선택권을 갖거나; 상기 조작자는 에피(Epi) 성장 바로 전에 에피(Epi) 시스템의 내부에서 제거되는 산화물 또는 질화물 패시베이션 층을 성장시키기 위해 대기압 플라즈마를 사용할 수 있다.
도 1은 기판으로의 대기압 플라즈마 헤드로부터의 하류 반응성 잔류물들의 적용을 도식적으로 도시하는 도면이다. 상기 기판은 하류 기체 흐름에 대해 주시되므로, 상기 대기압 플라즈마 헤드의 내부의 플라즈마 영역에 생성된 하류 반응성 종(種)에 의해 상기 기판을 균일하게 처리하게 된다. 또한 이 도면에 도시된 것은 플라즈마 헤드 출구로부터의 공정 기체의 흐름에 의한 그리고 플라즈마 헤드의 바닥면 및 상기 기판 사이에서 측면으로 생성된 대기압 출입금지 구역(exclusion zone)이다.
도 2는 상기 기판의 표면상의 산화물, 유기 오염물질 및 다른 우발적인 종(種)의 존재를 포함하는 에피(Epi) 기판의 단면적을 도시하는 도면이다. 상기 기판은 오른쪽으로부터 왼쪽으로 주사되기 때문에, 표면 막(들)은 플라즈마의 하류에 존재하는 화학적으로 반응기들의 영향하에 처하게 되며, 반응하여, 자연 그대로의, 손상되지 않은 표면을 에피택시(epitaxy)를 위한 준비 상태로 남겨 두게 되거나; 도 3에 예시된 바와 같이, 제어된 패시베이션 층의 성장을 위해 준비 상태로 남겨 두게 된다.
공개된 공정의 몇가지의 현저한 특징들은 다음과 같다.(보호가 강구되는 특정 발명들은 청구된 청구항들에 의해서만 정의되며, 다음의 사항들 중 임의의 것에 의해 반드시 제한되지는 않는다고 이해되어야 한다.):
1. 실내 주위 환경에서 진행되는 공정을 가능하게 하므로, 진공실들, 기체 펌핑 시스템들, 기체 저장실들, 등등에 의해 야기된 비용 및 시간적 제한사항들을 제거하는, 상기 기판의 표면상에서 화학적인 수정들을 수행하기 위해 하류 잔류물들을 제공하기 위한 대기압 플라즈마 소스의 선택.
2. 하류 기체가 헤드 구멍을 빠져나오고 상기 기판의 표면에 나쁜 영향을 주기 전에 상기 플라즈마 헤드의 내부의 원격 플라즈마 구역에서 생성되는 이온들 또는 열전자들과 같은 모든 고-에너지 종(種)이 재결합되도록 대기압 플라즈마의 원격 유전체 장벽 방전 형태의 선택. 상기 하류에서의 고-에너지 구성요소들의 결핍은 에피텍셜 층들 또는 표면 페시베이션 층들을 성장시키는 자연 그대로의, 손상되지 않은 결정 격자의 생산을 가능하게 한다.
3. 특정 환원 기체 혼합물들의 선택은 이들 요소들의 휘발성 종(種)을 생성함으로써 산소, 탄소, 및 다른 오염물질의 효율적인 제거를 가능하게 한다. 헬륨, 네온, 아르곤, 등등과 같은 불활성 기체의 사용은 3가지의 기능들을 제공한다: 첫째, 운반 기체(carrier gas)로서 환원성 기체(예컨대, 수소)를 불연성(不燃性) 및 비폭발성 혼합물로 희석; 둘째, 안정한 플라즈마의 효율적인 생산을 가능하게 하는 무선-주파수 흡수매체를 제공; 셋째, 장수명 양자(量子) 준안정(準安定) 상태들의 형태로 에너지를 저장하는 준안정(準安定) 고-에너지 원자들을 제공, 양자 에너지는 접촉시에 기판 표면에 전달되므로, 표면 화학반응들의 활성화를 위해 부가적인 원자 여기(勵起) 상태를 제공. 환원성 기체, 예컨대, 수소, 의 부가는, 공정 기체 흐름에서 상기 기판 표면으로부터 없어지는 휘발성 종(種)을 형성하기 위해, 산소, 탄소, 탄화수소들, 질소, 수산기(水酸基)들, 및 기판 표면상의 다른 종(種)들과 반응하는 하류에서의 수소기들을 제공한다. 준안정(準安定) 여기(勵起) 및 환원기들( reducing radicals)의 결합은 하부 표면 결정도에 임의의 물리적인 손상을 유발하지 않고서도 다양한 오염물질들을 상기 표면으로부터 제거하는데 아주 효율적이다.
4. 특정 페시베이션 기체 혼합물들의 선택은 새롭게-생성된 자연 그대로의 반도체 격자를 오염물질들 및 물리적인 손상으로부터 보호하기 위해 상기 기판의 제어된 산화(또는 질화, 등등)를 가능하게 한다. 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 크세논과 같은 불활성 기체의 사용은 3가지의 기능들을 제공한다: (1) 운반 기체(carrier gas)로서 패시베이팅 기체(passivating gas)(즉, 산소)를 불연성(不燃性) 및 비폭발성 혼합물로 희석; (2) 플라즈마 내의 기(基)들(radicals)의 효율적인 생산을 가능하게 하는 무선-주파수 흡수매체를 제공; 및 (3) 장수명 준안정(準安定) 양자(量子) 상태들의 형태로 에너지를 저장하는 준안정(準安定) 고-에너지 원자들을 제공하므로, 표면 화학반응들의 활성화를 위해 부가적인 원자 여기(勵起) 상태를 제공. 산소, 질소, 또는 다른 기체들을 플라즈마에 첨가하는 것은 상기 기판의 표면에서의 댕그링 결합들에 용이하게 결합하는 반응성 하류 기(基)들(radicals)을 제공하므로, 산화물, 질화물, 산화질화물, 또는 그 댕그링 결합들(dangling bonds)에 대한 다른 원자-레벨 터미네이션(atomic-level termination)을 생성한다.
5. 유리한 기체 흐름 비(比)들, 전체 흐름들, 무선 주파수 전력 레벨, 주사 속도, 및 헤드 및 기판 사이의 갭의 선택은 원하는 표면 반응의 형태에 대한 원하는 화학-에너지 구조를 발생시키기 위해 반응성 종(種)의 밀도, 준안정(準安定) 종(種)의 밀도, 및 표면온도의 최적화를 가능하게 한다.
위에서 설명된 각각의 현저한 공정 특징들은 다음에 보다 자세히 설명된다.
대기압 플라즈마 소스의 사용 :
도 1은 값비싼 진공실들, 펌핑 시스템들, 및 공정 기체 저장실들에 대한 필요성 없이도 표면 수정들을 수행하기 위해 화학기(基)들(radicals)(즉, 1가(價)의 수소) 및 준안정(準安定) 불활성 기체 원자들(즉, 헬륨의 준안정(準安定) 양자 상태들)(5)의 편리한 소스를 제공하는 대기압 플라즈마 소스(1)를 도시하는 도면이다. 고-순도 기체들은 상기 소스의 몸체를 통해 아래로 흘러, 상기 기체들의 여기된 종(種)이 생성되는 글로우-방전 플라즈마 영역을 관통한다. 상기 플라즈마 영역에서 발생된 장수명 기(基)들(radicals)은 상기 플라즈마 영역으로부터 하류 쪽으로 흘러 상기 플라즈마 헤드의 바닥면에 위치한 선형 구멍을 빠져나오게 된다. 전형적으로 1 밀리미터(millimeter)의 좁은 갭은, 상기 기체가 상기 구멍으로부터 빠져나오면서, 상기 헤드와 기판 사이의 공간을 공정 기체로 채우게 되어, 플라즈마 구멍으로부터의 모든 방향들에서 공정 기체의 층류(層流)를 생성하도록, 상기 플라즈마 헤드의 바닥면과 하부의 기판 사이에 유지된다. 이것은 모든 대기를 상기 영역으로부터 배출시켜, 공정 기체로만 채워진 대기가 없는 공정 영역(atmosphere-free process zone)을 생성한다. 이것은, 그 영역을 시간-소비적인 그리고 값비싼 진공 펌핑장치로 펑핑할 필요없이도, 진공실에 유사한 환경을 생성시킨다.
대기압 플라즈마 소스의 원격 유전체 장벽 방전 형태의 선택
유전체 장벽 방전(Dielectric barrier discharge, DBD) 저온 대기압 플라즈마 소스들(SET-NA 사(社)에 의해 공급된 Ontos7 플라즈마 소스와 같은)은 어떤 플라즈마도 상기 기판과 직접적으로 접촉되지 않도록 더욱 높은-에너지 플라즈마 영역을 상기 플라즈마 소스의 내부에 가둔다. 기체 흐름(2)이 상기 플라즈마 영역(3)으로부터 빠져나와 상기 플라즈마 소스의 바닥에서의 구멍(4)을 빠져나올 때까지, 이온들, 열전자들, 및 운동 충격 종(種)(kinetic bombardment species)과 같은 모든 고-에너지 구성요소들은 대기압 조건들하에서 발생하는 높은 입자 충돌율에 기인하여 그들의 에너지를 상실했다. 이것은 처리되어지는 기판(6)이 전형적으로 진공 플라즈마 시스템에서 발생하는 것과 같은 고-에너지 입자들로부터의 충격에 기인하는 표면 손상을 겪지 않음을 보장한다. 또한, 대기압 플라즈마 소스로부터의 하류에서의 반응성 잔류물들은 상당한 운동 에너지를 갖지 않기 때문에, 상기 반응성 잔류물들은 처리 중인 기판의 표면에서의 원자 격자 구조를 손상시키지 않는다. 유전체 장벽 방전(Dielectric barrier discharge, DBD) 대기압 플라즈마라 불리우는, 특정 형태의 대기압 플라즈마는 일반적으로 더욱 간단한 아크 방전 또는 코로나(corona) 방전 대기압 플라즈마와 관련된 고온 아씽(arcing)을 제거한다. DBD 대기압 플라즈마는 아크 방전들에 대한 더욱 높은 온도들 및 직접적인 노출이 용납될 수 없는 에피(Epi) 기판들의 저-에너지 준비에 특출나게 적합하다. 부가적으로, 아크 및 코로나 방전들은 전극 물질을 상기 기판을 원하지 않은 외부 물질로 오염시키게 되는 하류 기체 흐름으로 바꿀(sputter away) 것이다. 그러므로, 하류 DBD 대기압 플라즈마는 본 출원에서의 사용에 아주 적합하다.
특정 환원 기체 혼합물들의 선택
상기한 바와 같이, 하류 기체 흐름에서의 나머지 활성 종(種)들은 장수명 단원자(單原子) 환원 원자들(즉, 수소기들 H'), 및 준안정(準安定) 양자-여기(勵起) 운반 기체 원자들(즉, 여기(勵起)된 헬륨 상태들 He*)이다. 이러한 종(種)들은 그 원자들의 휘발성 화합물들을 생성하기 위해 산소, 탄소, 및 상기 표면상의 다른 원자들과 화학적으로 그리고 효과적으로 반응 가능하게 되므로, 그것들을 상기 기판 표면으로부터 제거하게 된다. 운반 기체에 대한 환원 기체의 비(比)는 표면 준비 공정들의 효율성에 중요하다. 운반 기체 흐름율은 상기 기체가 상기 플라즈마 영역을 통과하는 동안 에너지 흡수에 유용한 시간에 영향을 끼친다. 더욱 높은 흐름율들은 상기 플라즈마 영역에서의 기체의 온도 상승을 감소시키므로, 상기 기판상의 열 부하를 감소시킨다. 어느 기체가 캐리어(carrier)로서 사용될지의 선택은 아주 중요하다. 실내 압력 조건들에서 상기 기체를 이온화하는데 필요한 항복(降伏) 전압, 및 일단 플라즈마가 밝혀지면 플라즈마 방전을 유지하는데 필요한 유지 전압과 같이, 상기 기체가 플라즈마 영역을 에워싸는 높은 전장(電場)에서 어떻게 행동할 것인지를 고려해야 한다. 다른 고려사항들은 기체의 열전도율 및 열용량을 포함한다. 다른 하나의 아주 중요한 요소는 상기 기체에서 형성될 수 있는 준안정(準安定) 에너지 상태들의 성질이다. 예컨대, 헬륨은 거의 20eV의 양자 에너지의 준안정(準安定) 상태들을 형성하는 반면, 아르곤은 거의 10eV의 양자 에너지의 준안정(準安定) 상태들을 형성한다. 헬륨 준안정(準安定)들의 더욱 높은 에너지 "함량(content)"은 헬륨을, 금속-산화물들의 환원과 같은, 더욱 높은 에너지를 요구하는 표면 반응들을 활성화시키기 위한 바람직한 선택으로 만든다. 반면, 만일 더욱 낮은-에너지 준안정(準安定)들만이 주어진 표면 반응에 대해 요구된다면, 아르곤은 비용을 절감하여 사용될 수 있다.
수소는 일반적으로 환원 기체로서 선호되지만, NH3 와 같은 다른 환원 기체들은 선택적으로 그리고 덜 선호적으로 활용될 수 있다.
특정 페시베이션 기체 혼합물들의 적절한 선택의 선택
상기 페시베이션 기체는 준비되는 특정 기판에 맞게 선택되어야 한다. 일부의 경우들에서 산소는 좋은 선택이며, 이 경우, 기판 물질의 산화물들은 에피(Epi) 성장 시스템의 내부의 상승된 온도들에서 용이하게 제거될 수 있다. 다른 경우들에서는, 표면 금속 원자들을 금속 질화물들로 환원시키기 위해 질소를 고려할 수 있다. 예컨대, 황을 포함하는, 다른 환원 기체들은 일부의 경우들에서 유익할 수 있다. 할로겐-함유 기체들은 또한 금속 할로겐화물들을 형성하는데 사용될 수 있다.
예컨대, 황을 포함하는 다른 환원 기체들은 일부의 경우들에서 유익할 수 있다. 할로겐화물-함유 기체들도 또한 금속 할로겐화물들을 형성하는데 사용될 수 있다. 대기압 플라즈마 소스를 통해 산소 및 질소 둘다 모두를 흘림으로써 형성된, 산화 질화물들(Oxy-nitrides)은 또한 임의의 기판들에 대한 패시베이션으로서 잠재적으로 유용하다.
임의의 이러한 패시베이션 층들은 상기 기판 표면에 부착되는 우발적인 산소, 탄소, 등등의 능력을 크게 감소시킨다. 사실, 이것은 원자 층 패시베이션으로서 기능한다. 이 층은 아주 얇고 아주 깨끗하기 때문에, 이 층은 에피(Epi) 장치에서의 열의 인가(印加)에 의해 상기 기판 표면으로부터 아주 용이하게(그리고 균일하게) 제거된다.
적절한 주사 속도 및 갭의 선택
표면들의 화학적 수정을 수행하기 위한 대기압 플라즈마 헤드의 사용에서의 중요한 요소는 화학 반응구역으로부터의 실내 공기의 배제이다. 도 1은 플라즈마 헤드의 내부를 통과하는 상기 기체가 어떻게 상기 플라즈마 헤드의 바닥면에서의 구멍을 빠져나가 상기 기판 및 상기 플라즈마 헤드의 바닥면 사이를 측면으로 흐르는지를 도시하고 있다. 이러한 측면의 흐름은 상기 반응구역으로부터의 실내 공기를 직접 상기 플라즈마 헤드의 아래로 계속적으로 몰아낸다. 상기 기판의 표면상에서 환원 화학반응을 수행하기 위해 상기 환원 화학반응을 충분히 높은 밀도로 유지 가능하게 하는 것은 실내 공기(주로 산소 및 질소)의 비존재이다. 상기 반응구역으로의 실내 공기의 임의의 갑작스러운 등장은 하류 라디칼 반응(反應)들(radical reactions)의 효율을 감소시킨다. 적절한 주사 매개변수들 및 갭 매개변수들의 선택은 상기 기판상의 하류 반응성 잔류물들의 최대 효과를 달성하는데 필요하다. 주사율은 처리량 대(對) 기판 가열 대(對) 공정 반응시간 대(對) 대기 배제 동역학(動力學)(atmosphere exclusion kinetics)에서의 상호 절충(trade-offs)에 의해 좌우된다. 처리량 목적으로, 더욱 높은 주사 속도가 분명히 바람직하다. 더욱 높은 주사 속도는 또한 플라즈마 헤드로부터 흐르는 열적으로 여기된 기체와의 열 교환으로 인한 상기 기판의 가열을 최소화한다. 그러나, 더욱 높은 주사 속도들에서는 상기 실내 공기가 상기 반응구역으로부터 내몰아지는데 시간이 덜 소요되므로, 상기 반응속도는 감소한다. 유사하게, 만일 상기 갭이 상기 플라즈마 헤드 및 상기 기판 사이에서 너무 크다면, 더욱 많은 실내 공기는 상기 반응 구역에 남아 있을 것이다. 그러나, 만일 상기 갭이 너무 작으면, 주사가 진행되면서 그것이 상기 반응 구역을 빠져 나올 때 상기 기판의 부가적인 가열은 상기 기판의 표면이 여전히 뜨겁게 남겨질 정도로 발생할 수 있다. 이것은 방금-감소된(just-reduced) 표면의 재산화로 이끌 수 있다. 다변수 고안 실험들은 최적의 결과치들을 발생하는 갭 및 주사 속도의 범위를 결정했다. 전형적인 주사 속도들은 유기물 및 산화물 제거가 얼마만큼 필요한지에 의존하여 1mm/초 내지 15mm/초의 범위이다. 플라즈마 헤드 바닥면 및 상기 기판 상면 사이의 전형적인 갭 간격은, 도금 베이스 재료(plating base material)의 주사 속도 및 재산화율에 의존하여, 0.5mm 내지 1.5mm의 범위이다.
일부의 주목할만한 관심사항들이 이제 설명될 것이다. 그러나, 다시, 보호된 발명의 범위는, 아래에 주어진 특정 예들에 의해서가 아닌, 허용된 청구항들에 의해서만 정의됨을 주목해야 한다.
바람직한 실시예들에서, 기판 준비를 위한 대기압 플라즈마는, 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 온토스 대기압 플라즈마 장치(Ontos Atmospheric Plasma unit)에 의해 제공된다. 이것은 다음의 조건들하에서, 하류 활성 라디칼들(downstream active radicals)을 제공한다:
o 차가운 기체(Cool gas)(<100°℃),
o 이온들이 없음, 그리고 열전자들이 없음.
o 층류(層流)는 공정 구역으로부터 대기를 배제한다.
o 억제된(Contained) 플라즈마 구역
o 접지 전극
o 실내 주위(Room Ambient)
o 유전 라이너(Dielectric Liner)
o 무선 주파수 전극은 전형적으로 13.56 Mhz, 약 80 와트(Watts)에서 구동된다.
o 이 예에서의 최대 무선 주파수 전력은 120W이지만, 전형적인 동작 전력은 60-100W이다.
4개의 MFC(질량 유량 제어기들(mass flow controllers))들이 무독성 기체들을 25mm-폭의 공정 구역을 갖는 전매 대기압 플라즈마 헤드에 전달하는데 사용된다. 글로우 방전-형 플라즈마는 전부 상기 헤드내에 포함된다. 이 실행 조건은 다음과 같다:
Figure pct00001
환원 및 산화 화학반응과의 호환성.
Figure pct00002
간단하고, 효율적이면서도 안전한 공정.
Figure pct00003
간단한 공정-진공실이 없는.
Figure pct00004
신속한-수분만의(in a few minutes) 완료.
Figure pct00005
장치들 및 인적자원들에 대해 안전.
Figure pct00006
아크 방전들, 이온들, 충격, 재침착(再沈着), 또는 파편 미립자들(spalling particulates)이 없는.
혼합물의 불활성 기체 구성요소는 수동적일 뿐 아니라, 반응 사이트들로의 에너지의 중요한 운송을 제공한다. 헬륨(바람직한 실시예들에서 "운반" 기체)은 19.8 및 20.6 eV에서 2개의 준안정(準安定) 에너지 레벨들(21S 및 23S)을 가진다. 일단 전자가 이 상태로 여기(勵起)되면(무선 주파수 플라즈마에 의해), 상기 전자는 다른 원자들과의 물리적인 충돌에 의해 접지 상태로 다시 되돌아갈 수 있다. 이것은 기상(氣相)에서 가끔 발생하지만, 상기 준안정(準安定) 헬륨 원자들 Hem 이 기판 표면을 접촉하면서 강하게 발생한다. 이 접촉은 양자 에너지를 직접 표면 원자들에 전달하며 여분의 활성화 에너지를 표면 화학반응들을 위해 제공한다. 이것은, 기본적으로 발생하는 제로(ZERO) 운동 에너지 전송, 그러므로, 상기 기판에의 제로(zero) 운동(충격) 손상이 존재한다는 점을 제외하고는, 반응성 이온 에칭에 발생하는 표면 활성화와 어느 정도 유사하다. 이것은 감지형 반도체 구조들의 표면들을 준비하는데 아주 바람직하다.
도 5a, 5b, 및 5c는 에피텍셜 성장전의 기판 준비의 1개의 견본 실시예에서의 연속적인 단계들을 도시하는 도면들이다. 이 예에서, 에너지화된(energized) 준안정(準安定) 헬륨 원자들 Hem 이, 환원 화학반응을 제공하는 여기(勵起)된 수소 원자들 H* 과 함께, 존재한다. 상기 여기(勵起)된 수소 원자들 H* 은 결정 격자의 금속(또는 다른) 원자와 결합되는 표면 산소 원자와의 결합을 시도한다. 에너지화된(energized) 준안정(準安定) 헬륨 원자 Hem 가 금속-산소 결합에 에너지를 제공할 때, 수소-산소 결합이 우세하며, 산소는 H20로서 증기 상(相)으로 흘러갈 수 있다. 이 점에서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 기판 원자는, 댕그링 결합으로, 높은 활성 상태로 남아 있는다. 산화물은 (예컨대,) 인듐, 주석, 니켈, 구리, 스티븀(Sb), 은 (銀)(Ag), 금(Au), 등등으로부터 환원될 수 있다.
도 6a, 6b, 및 6c는 환원 화학반응을 사용하여 유기적인 오염물질들을 제거하기 위한 1개의 견본 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들이다. 여기서 상기 환원 하류 대기는, 활성화된 수소 라디칼들(radicals) H*뿐만 아니라, 에너지화된(energized) 준안정(準安定) 헬륨 원자들 Hem 을 포함한다. 상기 에너지화된(energized) 준안정(準安定) 헬륨 원자들 Hem 이 탄소-금속 결합을 방해하기 위한 에너지를 제공하는 동안 상기 수소 라디칼들(radicals)은 표면 탄소 원자들과 결합한다. 이것은, 도 6c에 도시된 바와 같이, 높은 활성 표면을 초래한다.
도 7a, 7b, 및 7c는 유기적인 오염물질들을 산소기들로 제거하기 위한 1개의 견본 산화 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들이다. 도 7c에서, 댕그링 결합들은 산소의 단층(單層)으로 페시베이트된다(passivated).
도 8a, 8b, 및 8c는 표면 원자들이 페시베이트될 뿐만 아니라 탈산화되는, 다른 하나의 견본 공정에서의 예시적인 단계들을 도시하는 도면들이다. 여기서, 상기 플라즈마로부터의 흐름은 에너지화된(energized) 준안정(準安定) 헬륨 Hem 및 수소 라디칼들(radicals) H*뿐만 아니라 활성화된 질소 원자들 N*을 포함한다. 이 결과는 산소 및 제거된 유기물들을 가질뿐만 아니라, 질화물 결합들로 페시베이트되는 표면이다.
준비의 제1 예
본 출원의 제1 바람직한 실시예는 다음과 같다:
1. 준비되어지는 기판: 갈륨 안티몬화물(化物)(GaSb)
2. 대기압 플라즈마 소스(Atmospheric Plasma source): 25mm 구멍 및 100 와트(Watts)의 무선 주파수 전력을 갖는 SETNA Ontos7 유전체 장벽 방전 원격 플라즈마 헤드.
3. 기체 흐름 매개변수들: 헬륨 = 분당 10 표준 리터(standard liters per minute, SLPM), 수소 = 0.10 SLPM.
4. 주사 매개변수들: 주사 속도 = lmm/초, 플라즈마 헤드 및 기판 사이의 갭 = lmm, 이웃의 주사들 사이의 중첩을 갖는 웨이퍼 표면을 가로지르는 래스터(rastered) = 0mm, 유기 및/또는 산화물 오염물질의 규모에 의존하는 상기 웨이퍼 위의 1 내지 4의 통과수(passes).
준비의 제2 예
본 출원의 제2 바람직한 실시예는 다음과 같다:
1. 제1 바람직한 실시예와 유사한 절차가 뒤이어졌다:
2. 대기압 플라즈마 소스(Atmospheric Plasma source): 25mm 구멍 및 80 와트(Watts)의 무선 주파수 전력을 갖는 SETNA Ontos7 유전체 장벽 방전 원격 플라즈마 헤드.
3. 기체 흐름 매개변수들: 헬륨 = 분당 10 표준 리터(standard liters per minute, SLPM), 산소 = 0.10 SLPM.
4. 주사 매개변수들: 주사 속도 = 3mm/초, 플라즈마 헤드 및 기판 사이의 갭 = lmm, 이웃의 주사들 사이의 중첩을 갖는 웨이퍼 표면을 가로지르는 래스터(rastered) = 0mm.
5. 단일 통과 주사.
에피텍셜 성장
상기 설명은 준비 및 페시베이션 단계들에 관해 자세히 설명했다. 에피텍셜 구조들을 준비하기 위한 완전한 공정에서 이 단계들을 사용하는 장점들은 중요하다: 특히, 산출량이 개선되고, 처리량이 개선되며, 장치의 비용은 감소되고, 화학적 산(酸)들 및 용제들의 사용은 감소되며, 고도로 숙련된 최신 과학 기술분야 전문가들에 대한 필요성은 약간 감소된다.
공개된 공정은 화합물 반도체 기판들에 대해 특히 중요하지만(비화학량적인 성장의 문제점들로 인해), 또한 다른 종류들의 기판들에도 적용 가능하다. 공개된 혁신적인 기술들은 선택적으로 사파이어(sapphire), BaSrTi03와 같은 단결정 기판들, 또는 심지어는 단결정 도체들에 채용될 수 있다고 고려된다.
본 발명은 상기 설명된 실시예들에 제한되어서는 안되지만, 본 발명의 범위내의 다양한 형태들로 실행될 수도 있음을 이해해야 한다. 플라즈마 헤드 제조업체, 무선 주파수 전력, 기체 조성, 기체 공급 비율들(gas flow ratios), 기체 유속(流速)(gas flow rates), 주사 속도, 갭 및 통과수와 같은 공정 매개변수들에서의 변형들이 본 발명의 범위내의 동일한 공정 목적들을 달성하기 위해 실행 가능할 수도 있다.
변형 예들 및 실행 예들을 보여주는데 도움을 주는, 부가적이면서도 일반적인 배경기술은, 여기에 참고자료로서 포함되어 있는, 미국특허 US 8,567,658호에서 찾을 수 있다.
아래에 청구된 발명들에 의해 상승 작용으로 실행될 수 있는 일부의 특징들뿐만 아니라, 변형 예들 및 실행 예들을 보여주는데 도움을 주는, 부가적이면서도 일반적인 배경기술은 다음의 미국 특허 출원들에서 찾을 수도 있다. 이 모든 출원들은 적어도 본 출원과의 약간의 공통적인 소유권, 상호 의존성, 및 발명자의 역할을 가지며, 그 출원들 내에 직접적으로 또는 간접적으로 포함된 임의의 물질뿐만 아니라, 그 모든 출원들은 여기에 참고자료로서 포함되어 있다: 13/781,927, 14/0 52,867, 62/078,598, 및 PCT/US13/28530.
장점들
다양한 실시예들에서의 공개된 혁신적인 기술들은, 적어도 다음의 장점들 중 1개 이상을 제공한다. 그러나, 이러한 모든 장점들이 공개된 혁신적인 기술들의 모든 소유자들로부터 기인하는 것이라고는 할 수 없으며, 이러한 장점들의 목록은 다양한 청구된 발명들을 제한하지는 않는다.
Figure pct00007
에피텍셜 반도체 성장에서의 비용 절감;
Figure pct00008
화합물 반도체 기판들상의 에피텍셜 성장에서의 비용 절감;
Figure pct00009
에피텍셜 반도체 성장에서의 개선된 결정(結晶) 품질, 및 이러한 품질의 더욱 변함없는 달성;
Figure pct00010
화합물 반도체 기판들상의 에피텍셜 성장에서의 개선된 결정(結晶) 품질, 및 이러한 품질의 더욱 변함없는 달성;
Figure pct00011
필요한 산(酸)들 및 용제들의 환원에서의 비용 절감.
Figure pct00012
에피텍셜 반도체 성장에서의 개선된 결정(結晶) 품질, 및 이러한 품질의 더욱 변함없는 달성;
Figure pct00013
화합물 반도체 기판들상의 에피텍셜 성장에서의 개선된 결정(結晶) 품질, 및 이러한 품질의 더욱 변함없는 달성;
Figure pct00014
개선된 품질의 에피(epi)상에서 제조된 후속적인 장치들의 더욱 높은 산출량 및 기능과 관련된 비용 절감.
Figure pct00015
산(酸) 및 용제 폐기물들의 환경 영향, 및 처리 비용에서의 감소.
Figure pct00016
패시베이션(Passivation)은 기판 청소 및 에피텍셜 성장 사이의 더욱 긴 대기시간(queue times)을 가능하게 한다.
일부의 그러나 반드시 그렇지만은 않지만 본 발명의 모든 실시예들에 따르면, 다음이 제공된다: CMP 후 및 에피텍셜 성장 단계 전, 상기 기판은 환원 화학반응뿐만 아니라, 화학적으로 불활성의 운반 기체의 준안정 상태(準安定狀態)들도 포함하는, 대기압 플라즈마에 의해 준비된다. 이것은 잔류물들, 산화물들, 및/또는 오염물질들을 제거한다. 선택적으로, 질소 패시베이션은 또한, 나중의 에피텍셜 성장을 위한 기판 표면을 패시베이트하기 위해, 대기 조건들하에서 수행된다.
일부의 그러나 반드시 그렇지만은 않지만 본 발명의 모든 실시예들에 따르면, 다음이 제공된다: 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정은: a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계; b) 1개 이상의 불안정한 반응성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계; c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계; 를 포함한다.
일부의 그러나 반드시 그렇지만은 않지만 본 발명의 모든 실시예들에 따르면, 다음이 제공된다: 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정은: a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계; b) 1개 이상의 불안정한 환원성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 구멍(aperture)을 통한글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계로서, 상기 기판의 표면의 모든 부분들은 상기 활성화된 기체 혼합물이 상기 글로우 방전을 빠져 나간 후 2 밀리초 이내에 상기 활성화된 기체 혼합물에 노출되는, 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계; c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계; 를 포함한다.
일부의 그러나 반드시 그렇지만은 않지만 본 발명의 모든 실시예들에 따르면, 다음이 제공된다: 결정 기판상에 결정 박막의 고-진공 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정은: a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계; b) 1개 이상의 불안정한 반응성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계; c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 반응실을 10-5 토르(Torr)이내의 압력으로 비우며(evacuate), 상기 정돈된 결정 표면으로부터 물질들을 제거하기 위해 진공 하에서 상기 결정 기판을 가열하고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계; 를 포함한다.
일부의 그러나 반드시 그렇지만은 않지만 본 발명의 모든 실시예들에 따르면, 다음이 제공된다: 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정은: a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계; b) 1개 이상의 불안정한 환원성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 구멍(aperture)을 통한글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하고; 상기 기판의 표면의 모든 부분들은 상기 활성화된 기체 혼합물이 상기 글로우 방전을 빠져 나간 후 2 밀리초 이내에 상기 활성화된 기체 혼합물에 노출되도록 노즐 및 상기 결정 기판의 상대적인 위치들을 청소하는 단계; c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계; 를 포함한다.
수정들 및 변경들
이 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해 이해되다시피, 본 출원에 설명된 혁신적인 개념들은 출원들의 광범한 범위에 걸쳐 수정 및 변경될 수 있고, 따라서 특허 출원된 요지의 범위는 주어진 예시적인 특정 교시(敎示)들 중 임의의 것에 의해 제한되지는 않는다. 본 출원은 첨부된 청구항들의 기술적인 사상 및 광범한 범위내에 속하는 모든 그러한 대체물들, 수정물들 및 변경물들을 포함하는 것으로 의도되어 있다.
한 예로서, 다른 에너지화된 준안정(準安定) 종(種)은 선택적으로 헬륨으로 대체될 수 있다. 네온 및 아르곤의 둘다 모두는 에너지화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 갖지만, 그들의 에너지는 헬륨의 에너지보다는 더욱 낮다.
다른 한 예로서, 상기 공개된 발명들은 에피텍셜 성장을 위한 II-VI 기판들을 준비하는데 특히 유리하다. 적합한 물질들은 CdZnTe, ZnS, CdTe, 및 심지어는 HgCdTe을 포함할 수 있다.
또 다른 한 예로서, 상기 설명된 기판 준비 단계들은 처녀 기판(virgin substrate)에만 적용될 필요는 없다. 대신, 이들 단계들은, 추가적인 에피텍셜 성장 단계를 준비하기 위한, 아마도 약간의 가공 후의, 에피텍셜 구조에 적용 가능하다.
여기(勵起)된 그리고 준안정(準安定) 원자들의 수명은 다르지만, 모두 짧다. 예컨대, 상기 예들에서 사용된 조건들하에서, 준안정(準安定) 헬륨 원자들 Hem은 전형적으로 상기 구멍으로부터 수 센티미터(centimeters) 이동할 것이며, 산소기(基)는 아마도 수 밀리미터(mm), 수소기(基)는 약간 덜, 그리고 질소기(基)는 약 센티미터(centimeters)만큼 이동할 것이다. 그러나, 이 거리들은 원천 기체 유속(流速)(source gas flow rate) 및/또는 플라즈마 구동전력을 조정함으로써 변경될 수 있다.
질소 패시베이션은 전형적으로, 예컨대, 350-400℃의 부근에서, 또는 아마도 250℃의 낮은 온도에서, 사전-MBE 가열 조건들하에서 흡수된 물질을 제거할 수 있다.
또한, 상기 공개된 발명들은, 1개 또는 수개의 단층(單層)들의 퇴적을 위해, 정상 두께의 에피텍셜 층들뿐만 아니라, 원자층(原子層) 에피택시(atomic layer epitaxy, ALE)에도 적용 가능하다.
본 출원에서의 어떤 설명도 임의의 특정 요소, 단계, 또는 기능이 청구항의 범위에 포함되어야만 하는 기본적인 요소임을 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다: 특허 출원된 요지의 범위는 허용된 청구항들에 의해서만 정의됨. 게다가, 이들 청구항들중 어떤 것도 "의미한다"의 정확한 단어들이 분사에 의해 뒤따르지 않는한, 35 USC 섹션 112의 6항을 적용하도록 의도되지 않았다.
출원된 청구항들은 가능한 포괄적으로 의도된 것이며, 어떤 요지도 의도적으로 철회, 헌정(dedicate), 포기되지는 않는다.

Claims (22)

  1. a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계;
    b) 1개 이상의 불안정한 반응성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계;
    c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계;
    를 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형성 단계를 CMP에 의해 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흘림 단계를 거의 실내온도에서 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흘림 단계 및 상기 에워싸는 단계 사이의 상기 정돈된 결정 표면을 패시베이팅(passivating)하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  5. 제1항의 b) 단계를 자동적으로 수행하는 시스템.
  6. a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계;
    b) 1개 이상의 불안정한 환원성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 구멍(aperture)을 통한 글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계로서, 상기 기판의 표면의 모든 부분들은 상기 활성화된 기체 혼합물이 상기 글로우 방전을 빠져 나간 후 2 밀리초 이내에 상기 활성화된 기체 혼합물에 노출되는, 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계;
    c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계;
    를 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 형성 단계를 CMP에 의해 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 구멍은 선형 구멍인, 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 흘림 단계는 거의 실내온도에서 수행되는, 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 흘림 단계 및 상기 에워싸는 단계 사이의 상기 정돈된 결정 표면을 패시베이팅(passivating)하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  11. 제6항의 b) 단계를 자동적으로 수행하는 시스템.
  12. a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계;
    b) 1개 이상의 불안정한 반응성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하는 단계;
    c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고,
    반응실을 10-5 토르(Torr)이내의 압력으로 비우며(evacuate),
    상기 정돈된 결정 표면으로부터 물질들을 제거하기 위해 진공 하에서 상기 결정 기판을 가열하고,
    기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계;
    를 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 고-진공 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 a) 단계를 CMP에 의해 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 고-진공 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계를 거의 실내온도에서 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 고-진공 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계 및 상기 c) 단계 사이의 상기 정돈된 결정 표면을 패시베이팅(passivating)하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 고-진공 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  16. 제12항의 b) 단계를 자동적으로 수행하는 시스템.
  17. a) 자동으로 정돈된 결정 표면을 상기 결정 기판상에 형성하는 단계;
    b) 1개 이상의 불안정한 환원성 화학 종(種)뿐만 아니라 불활성 기체의 활성화된 준안정 상태(準安定狀態)들을 포함하는, 활성화된 기체 혼합물을 대기압하에서 구멍(aperture)을 통한글로우 방전 및 하류를 통해 상기 결정 기판의 표면상에 흘림으로써, 상기 결정 표면의 원자 배열을 방해하지 않고서도 잔류물들 및/또는 산화물을 상기 정돈된 결정 표면으로부터 제거하고; 상기 기판의 표면의 모든 부분들은 상기 활성화된 기체 혼합물이 상기 글로우 방전을 빠져 나간 후 2 밀리초 이내에 상기 활성화된 기체 혼합물에 노출되도록 노즐 및 상기 결정 기판의 상대적인 위치들을 청소하는 단계;
    c) 대기에 개방되지 않는 반응 용기에서 상기 결정 기판을 에워싸고, 기판 결정도의 결정 연장으로서, 결정 물질의 층을 상기 정돈된 결정 표면상에 적층하는 단계;
    를 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 형성 단계를 CMP에 의해 수행하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 구멍은 선형 구멍인, 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 흘림 단계는 거의 실내온도에서 수행되는, 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 흘림 단계 및 상기 에워싸는 단계 사이의 상기 정돈된 결정 표면을 패시베이팅(passivating)하는 단계를 추가로 포함하는 결정 기판상에 결정 박막의 에피텍셜 성장을 하기 위한 공정.
  22. 제17항의 b) 단계를 자동적으로 수행하는 시스템.
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