JP2004260174A - 半導体素子製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ウェハ上にソースガスを円滑に蒸着でき、かつ工程チャンバおよび噴射部の劣化を防止できる半導体素子製造装置を提供する。
【解決手段】 工程チャンバ、サセプタ、噴射部、前記工程チャンバに第1ソースガスを供給する第1供給管、前記第1供給管と連結され、高温の前記サセプタの周りを囲む加熱管、及び前記工程チャンバに第2ソースガスを供給する第2供給管を有し、前記加熱管は前記サセプタの周りを囲むようにコイル形状で形成された第1加熱部を有する。本発明によると、第1ソースガスが追加的な加熱装置なしに、サセプタから発散する高温の熱により一定の温度に加熱される。また、この熱交換により、工程チャンバが過度に加熱されることを防止することができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は半導体素子を製造するための装置であり、さらに詳細には、半導体ウェハ上に所定の物質を蒸着する装置に関するものである。
一般的に、半導体素子を製造するためには、イオン注入工程、蒸着工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程などのような多数の工程が求められる。このような工程のうち蒸着工程は、ウェハ上に一定の膜を形成する工程であり、化学気相蒸着法と物理気相蒸着法がある。最近はウェハ上に高誘電体薄膜、強誘電体薄膜、超伝導薄膜、電極などに使用される金属酸化物薄膜の蒸着のため揮発性有機金属化合物を前駆体として使用する有機金属化学気相蒸着装置(MOCVD装置)が主に使用される。
このようなMOCVD装置は、特許文献1に開示されており、図1は一般的なMOCVD装置を概略的に示す図である。図1を参照すると、MOCVD装置は工程チャンバ120と、この工程チャンバ120内に互いに向き合うように位置されるサセプタ160及びシャワーヘッド140を有する。ウェハのような半導体基板Wは内部にヒータ(図示しない)が設けられたサセプタ160上に置かれる。シャワーヘッド140には有機金属前駆体(METAL ORGANIC PRECURSOR)である第1ソースガスが供給される管182と、酸素、窒素、アンモニアなどのような第2ソースガスが供給される管184が連結される。一般的に、第1ソースガスは再液化、または熱分解されない温度で加熱した状態でシャワーヘッド140に供給され、第2ソースガスは室温状態でシャワーヘッド140に供給される。
ウェハWはこれらソースガスの分解温度より高い大略500℃程度の工程温度で加熱され、第1ソースガスと第2ソースガスがシャワーヘッド140の噴射ホール142を通じて下に噴射されることによって、ウェハW上に蒸着がなされる。原子層積法による蒸着である場合は、第1ソースガス、パージガス、及び第2ソースガスが順次に供給され、ウェハW上に所定の膜の蒸着がなされる。
しかし、このような一般的なMOCVD装置は、次のような問題がある。ウェハWが500℃以上の温度で加熱される時にソースガスの蒸着がなされるので、サセプタ160のヒータの温度は大略600℃以上に上昇する。したがって、工程チャンバ120の内壁とシャワーヘッド140の温度がソースガスの分解温度より高い温度に加熱されて、ソースガスが予め分解されて工程チャンバ120の内壁及びシャワーヘッド140に蒸着する。さらに、工程チャンバ120の壁部が高温に加熱されることによって、装置が損傷され、作業者の安全を害する。また、第1ソースガスは所定の温度に加熱された状態でシャワーヘッド140に供給されるが、第2ソースガスは室温状態でシャワーヘッド140に供給されるので、ソースガス間の温度差により熱的撹乱が発生し、反応が弱くなる。
韓国公開特許2001−0039751号
本発明は、上述の問題を解決し、ウェハ上にソースガスを円滑に蒸着することができる半導体素子製造装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の半導体素子製造装置は、工程チャンバと、前記工程チャンバ内に位置し、半導体基板が置かれ、工程進行時高温に加熱されるサセプタと、前記工程チャンバ内に前記サセプタと向き合うように位置する噴射部と、前記工程チャンバに第1ソースガスを供給する第1供給管と、前記第1ソースガスを加熱する加熱器とを有する。
前記加熱器は、前記第1供給管と連結され、高温の前記サセプタの周りを囲むように位置する加熱管を有し、加熱管は前記サセプタの周りを囲むようにコイル形状で形成された第1加熱部を有する。
一例によると、前記第1加熱部は前記工程チャンバの側壁の下から前記工程チャンバの側壁の上部にまで形成され、前記工程チャンバの壁部の中に挿入される。また、前記加熱管は前記工程チャンバの下部壁の中に位置し、第1供給管と連結される第2加熱部と、前記工程チャンバ内の上部に位置し、前記噴射部と連結される第3加熱部とを有する。前記第2加熱部は前記工程チャンバの下部壁の中央から同一平面上で半径が漸進的に大きくなる螺旋形状で形成され、第3加熱部は半径が漸進的に小さくなる螺旋形状で形成される。
他の例によると、前記第1加熱部は前記サセプタの周りをコイル形状で囲むようにして前記工程チャンバの内壁と前記サセプタとの間に位置し、工程副産物が前記加熱管に付着することを防止するため、前記加熱管の第1加熱部と前記サセプタとの間にはライナが挿入される。前記加熱管は前記第1加熱部から延長され、前記噴射部の周りをコイル形状で囲む第3加熱部を有する。
また、前記半導体素子製造装置は有機金属化学気相蒸着装置として、前記噴射部に第2ソースガスを供給する第2供給管をさらに具備する。前記第1ソースガスは室温状態で前記工程チャンバに流入されるガスであり、前記第2ソースガスは一定の温度で加熱された状態で前記工程チャンバに流入される有機金属(METAL ORGANIC)ガスである。
また、他の形態によると、前記加熱器は前記第1供給管上に設けられて前記第1供給管内を流れる第1ソースガスを加熱するヒータを含む。
本発明によると、酸素や窒素のようなソースガスが加熱されて工程チャンバに供給されるので、工程チャンバ内での熱渦流の形成が防止される効果がある。
また、本発明によると、酸素や窒素のようなソースガスの加熱はサセプタから発散する高温の熱によりなされるので、これらソースガスの加熱のためのエネルギを節減することができる効果がある。
また、サセプタから発散する高温の熱の一部をソースガスの加熱に使用するので、追加的な冷却装置を使用せずに、工程チャンバ及び噴射部が劣化することを防止することができる効果がある。
以下、本発明の実施の形態を添付の図2乃至図8を参照して詳細に説明する。前記の図において同一の機能を実行する構成要素に対しては同一の参照番号が付されている。本発明の実施の形態は様々な形態に変形することができ、本発明の範囲が下記する実施の形態に限定されると解釈されてはならない。本実施の形態は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するための提供されるものである。したがって、図での要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている。
次の実施の形態では、有機金属化学気相蒸着(METAL ORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION:MOCVD)装置を例として説明するが、本発明の装置はウェハを高温のサセプタ上に位置させ、加熱された工程ガスを提供する必要があるすべての半導体素子製造装置として使用することができる。
また、本発明の装置は、ソースガスを同時に工程チャンバ内に流入させる化学気相蒸着法やソースガスを順次に工程チャンバ内に流入させる原子層蒸着法の全てに使用することができる。
図2は本発明の第1実施の形態によるMOCVD装置の概略的な断面を示す図である。図2を参照すると、MOCVD装置は工程チャンバ(process chamber)210、サセプタ(susceptor)220、噴射部(showerhead)230、第1供給管(first supply pipe)242、第2供給管(second supply pipe)244、及び加熱器(heating device)を有する。
サセプタ220は上にウェハWが置かれ、工程チャンバ210内の底部に配置される。工程チャンバ210の内部をソースガスの分解温度以上に維持し、ウェハW上にソースガスの蒸着が円滑になされるように、ウェハWを高温で加熱するため、サセプタ220内にはヒータ(図示しない)が設けられる。普通ウェハWは500℃以上に加熱されるので、サセプタ220はヒータにより600℃以上に上昇する。
工程チャンバ210内の上部にはサセプタ220と向き合うように設けられるシャワーヘッドのような噴射部230が位置する。噴射部230は工程チャンバ210内に流入されたソースガスを下に噴射する部分であり、工程チャンバ210の上部面に結合する。
工程チャンバ210の一側面または底面(図2では一側面)には工程チャンバ210の内部を一定の工程圧力に維持し、蒸着の後に、残った残留物を外部に排気する排気ライン246が形成される。排気ライン246にはポンプ247が連結される。
噴射部230は上部に位置する第1流入部231と下部に位置する第2流入部232とを有する。第1流入部231と第2流入部232との間には第1噴射板237が位置して第1流入部231と第2流入部232とを分離し、第2流入部232の下には第2噴射板238が形成される。第1噴射板237には複数の第1ホール233が形成される。第2噴射板238には第1ホール233と各々対応する位置に第2ホール234が形成され、さらに第2ホール234の間に第3ホール235が形成される。第1ホール233と第2ホール234間は噴射管236で接続される。
第1流入部231は第1ソースガスが流入される部分であり、第1ソースガスは常温で気体状態に存在するガスである。第1ソースガスはウェハW上に蒸着しようとする膜が酸化物である場合には酸素Oのような気体であり、窒化膜である場合には窒素NやアンモニアNHのような気体である。第2流入部232は第2ソースガスが流入される部分であり、第2ソースガスは低い蒸気圧を有し、常温で液体/固体状態に存在する物質であり、適切な温度に加熱された状態で噴射部230に供給される有機金属前駆体ガスである。
第1ソースガスは第1ソースガス供給源(図示しない)から常温状態で第1供給管242を通じて工程チャンバ210に供給され、以後、加熱管250を通じて一定の温度で加熱されて第1流入部231に供給される。第2ソースガスは第2ソースガス供給源(図示しない)から再液化、または熱分解されない温度で加熱された状態で第2供給管244を通じて第2流入部232に供給される。第2ソースガス供給源は液体ソース物質供給部及び液体ソース物質を気化させる気化部245を含む。第1供給管242は工程チャンバ250の底面212内に位置した加熱管250の一端と連結され、第2供給管244は工程チャンバ250の上部壁216を通じて噴射部230の第2流入部232と直接連結される。しかし、これと異なり、加熱管250が第2流入部232と連結され、第2供給管244が第1流入部231と連結されるようにすることができる。
図2の一部変形例である図3に示すように噴射部330は一つの流入部331と一つの噴射板332のみを有することができる。この場合に、第1ソースガスと第2ソースガスは同一の流入部331に供給され、流入部331の下部の噴射板332に形成されたホール334を通じて下に噴射される。
加熱器は第1ソースガスを所定の温度に加熱するためのものであり、本実施の形態によると、加熱管250が使用される。加熱管250は第1供給管242を通じて流入される第1ソースガスを第1流入部231に案内し、その内部を流れる第1ソースガスが一定の温度に加熱されるように、高温のサセプタ220の周辺を通過するように設けられる。加熱管250は第1加熱部252、第2加熱部254、及び第3加熱部256を有する。第1加熱部252と第2加熱部254はその内部を流れる第1ソースガスがサセプタ220から発散する熱により一定の温度に加熱されるようにする部分である。第1加熱部252は工程チャンバ210の側壁214内に挿入される部分であり、側壁214の下部からコイル形状で側壁214の上部まで形成される。第2加熱部254は第1加熱部252の一端から延長され、第1供給管242と連結される部分である。第2加熱部254は工程チャンバ210の下部壁212内に挿入され、下部壁212のエッジから下部壁212の中心部に向いて半径が漸進的に小さくなる形状で形成される。第3加熱部256は噴射部230の熱を利用して加熱管250の内部を流れる第1ソースガスを加熱、または噴射部230を一定の温度に冷却する部分である。第3加熱部256は第1加熱部252の他の端から延長され、噴射部230の外郭で半径が漸進的に小さくなる形状を有し、噴射部230の第1流入部231と連結される。
上述の構造を有する本装置で、サセプタ220は600℃以上の高温に維持される。、第1ソースガスは常温状態で第1供給管242を通じて工程チャンバ210に供給される。工程チャンバ210内に流入された第1ソースガスは加熱管250を通じて流れ、サセプタ220から発散する熱により一定の温度に加熱された状態で、噴射部230の第1流入部231に供給される。また、前駆体ガスである第2ソースガスは液化、または分解されない程度の適切な温度に加熱されて、第2供給管244を通じて噴射部230の第2流入部232に流入される。第1流入部231に供給された第1ソースガスは噴射管236を通じて噴射部230の下に噴射され、第2流入部232に供給された第2ソースガスは第2噴射板238の第3ホール235を通じて下に噴射される。これらソースガスは高温のヒータにより分解及び再結合した後に、ウェハW上に蒸着され、蒸着の後に、残った残留物は排気管246を通じて外部に排気される。サセプタ220上にはウェハWの温度を測定するセンサ(図示しない)を装着することができる。したがって、加熱管250との熱交換によりウェハWが蒸着のための工程温度より低い温度を有すれば、ヒータによってさらに高い温度を維持させることができる。
一般的なMOCVD装置では、ヒータから発散する熱により工程チャンバ210と噴射部230はソースガスの分解温度以上の高温となる。したがって、ソースガスが工程チャンバ210の内壁の周辺で分解した後、工程チャンバ210の内壁に蒸着される。しかし、本発明によると、サセプタ220から工程チャンバ210の側壁214に発散する熱は第1加熱部252及び第2加熱部254を流れる第1ソースガスを加熱するのに使用されるので、工程チャンバ210の内壁は一般的な場合に比べて低い温度となり、上述の問題を最小化することができる。さらに、高温に加熱された噴射部230と第1ソースガスが流れる第3加熱部256間で熱交換がなされるので、ソースガスが噴射部230の周辺で分解した後、噴射部230に蒸着されることも最小化することができる。
また、一般的なMOCVD装置では、第2ソースガスが一定の温度に加熱された状態で噴射部230に流入される一方、第1ソースガスが常温状態で噴射部230に流入されるので、ソースガス間の大きい温度差により熱的撹乱が発生して反応が弱くなる。これに対して、本発明では、第1ソースガスがサセプタ220から発散する熱により一定の温度に加熱された状態で噴射部230に供給されるので、第2ソースガスとの温度差が小さくなり、薄膜形成のための反応が活性化される。
本発明によると、第1ソースガスを加熱するための別途の加熱装置や工程チャンバ210の内壁及び噴射部230を冷却するための別途の冷却装置を具備する必要がない。しかし、必要であれば、別途の加熱装置及び冷却装置を設けることができるであろう。
図4は本発明の第2実施の形態によるMOCVD装置を示す断面図であり、図5は図4の加熱管及びライナの斜視図である。
図4を参照すると、MOCVD装置は、工程チャンバ210、噴射部230、サセプタ220、第1供給管242、第2供給管244、及び加熱管350を具備する。これらのうち第1実施の形態と同一の構成要素に対しては詳細な説明を省略し、第1実施の形態と異なる構造を有する加熱管350に対して説明する。
図5を参照すると、加熱管350は第1加熱部352、移送部354、及び第3加熱部356を有する。第1加熱部352は第1供給管242と連結され、工程チャンバ210の側壁214とサセプタ220との間に配置される。第1加熱部352は工程チャンバ210の底面からサセプタ220の上部面の位置までコイル形状でサセプタ220を囲むように設けられる。移送部354は第1加熱部352から延長され、工程チャンバ210内の上部まで直線で形成される。第3加熱部356は移送部354から延長されて噴射部230と熱交換し、第1流入部231と連結される部分である。第3加熱部356は図5に示すように、同一平面上で内側に半径が漸進的に小さくなる螺旋形の構造を有する。
図6は図4のMOCVD装置の一部変形例を示す断面図であり、図7は図6の加熱管及びライナの斜視図である。図6および図7の一部変形例では、加熱管350の第3加熱部356が図5と異なり、噴射部230の第2噴射板238から第1流入部231までコイル形状で噴射部230を囲む構造を有する。
図4ないし図7の第2実施の形態で、移送部354の長さは第1ソースガスの温度に影響を及ぼすので、長く、または短く形成することができ、工程条件によっては移送部354を具備せず、第1加熱部352が噴射部230までコイル形状で延長されるようにすることができる。
図4ないし図7の第2実施の形態で、加熱管350は工程チャンバ210の内側壁の内側に位置するので、ソースガスが加熱管350に蒸着される。この場合に、加熱管350の洗浄周期が短くなるので、加熱管350の第1加熱部352の内側には円筒形のライナ260が設けられる。第1加熱部352は工程チャンバ210の内側壁に近接した位置に形成され、ライナ260は第1加熱部352の内側に隣接して位置することが望ましい。しかし、これと異なり、第1加熱部352が工程チャンバ210の内側壁から一定の距離離隔して位置し、ライナ260は第1加熱部352の内側及び外側に各々設置されるようにすることができる。
図8は第3実施の形態によるMOCVD装置を示す断面図である。図8を参照すると、MOCVD装置は、工程チャンバ210、噴射部230、サセプタ220、第1供給管242、第2供給管244、及びヒータ400を含む。第3実施の形態で、装置の構成は第1実施の形態及び第2実施の形態と類似である。但し、第3実施の形態では、第1供給管242が第2流入部232と直接連結される。また、第1供給管242上に加熱器としてヒータ400が設けられ、第1供給管242を流れる第1ソースガスはヒータ400により加熱されて第2流入部232に供給される。したがって、第3実施の形態の装置によると、第1ソースガスの加熱は工程チャンバ210の外部に設けられたヒータ400によりなされるので、サセプタ220の周囲を囲む加熱管(図2の250)を別途に設ける必要がない。したがって、第1実施の形態および第2実施の形態に比べて装置の構成が簡単である。
本発明の装置を使用して蒸着される膜は強誘電体膜とすることができる。強誘電体であるPb(Zr、Ti)O膜を蒸着する場合、第2ソースガスは有機金属前駆体ガスとキャリアガスであり、有機金属前駆体ガスは鉛Pbまたはその化合物と、ジルコニウムZrまたはその化合物と、チタンTiまたはその化合物を含むことができる。液状の有機金属ソースが気化部245を過ぎて気化し、また再液化、または熱分解されない温度に加熱される。キャリアガスは有機金属前駆体ガスが工程チャンバ210内に流入されるようにする運搬者の役割を果たすもので、窒素、ヘリウムまたはアルゴンのような非反応ガスが使用される。第1ソースガスは酸化剤ガスで酸素が使用される。酸素は噴射部230に流入される前に所定の温度に加熱される。上述のように、酸素の加熱のために第1供給管242上に別途のヒータ400を設けるか、第1供給管242と噴射部230との間にサセプタ220を囲むように配置された加熱管250を設ける。酸素は工程チャンバ210内に流入される有機金属前駆体ガスの温度に加熱させることができる。酸化剤ガスとしては、上記の酸素以外にO、NOまたはNOなどを使用することができる。
一般的なMOCVD装置の断面図である。 本発明の第1実施の形態によるMOCVD装置の断面図である。 図2のMOCVD装置の一部変形例を示す断面図である。 本発明の第2実施の形態によるMOCVD装置の断面図である。 図4の加熱管及びライナの斜視図である。 図4のMOCVD装置の一部変形例を示す断面図である。 図6の加熱管及びライナの斜視図である。 本発明の第3実施の形態によるMOCVD装置の断面図である。
符号の説明
210 工程チャンバ
220 サセプタ
230 噴射部
242 第1供給管
244 第2供給管
250,350 加熱管
400 ヒータ

Claims (18)

  1. 半導体素子を製造するための装置において、
    工程チャンバと、
    前記工程チャンバ内に位置し、半導体基板が置かれ、工程進行時高温に加熱されるサセプタと、
    前記工程チャンバ内に前記サセプタと向き合うように位置する噴射部と、
    前記工程チャンバに第1ソースガスを供給する第1供給管と、
    前記第1ソースガスを加熱する加熱器とを具備することを特徴とする半導体素子製造装置。
  2. 前記加熱器は、前記第1供給管と連結され、高温の前記サセプタの周りを囲むように位置する加熱管を具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子製造装置。
  3. 前記加熱管は、前記サセプタの周りを囲むようにコイル形状で形成された第1加熱部を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体素子製造装置。
  4. 前記第1加熱部は、前記工程チャンバの壁部の中に挿入されることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子製造装置。
  5. 前記第1加熱部は、前記工程チャンバの側壁の下から前記工程チャンバの側壁の上部にまで形成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子製造装置。
  6. 前記加熱管は、前記工程チャンバの下部壁の中に位置し、第1供給管と連結され、前記工程チャンバの下部壁の中央から同一平面上で半径が漸進的に大きくなる螺旋形状の第2加熱部をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の半導体素子製造装置。
  7. 前記加熱管は、前記工程チャンバ内の上部に位置し、前記噴射部と連結され、半径が漸進的に小さくなる螺旋形状の第3加熱部をさらに有することを特徴とする請求項3に記載の半導体素子製造装置。
  8. 前記第1加熱部は、前記工程チャンバの内壁と前記サセプタとの間に位置することを特徴とする請求項3に記載の半導体素子製造装置。
  9. 前記第1加熱部は、前記サセプタの周りをコイル形状で囲むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子製造装置。
  10. 前記加熱管は、前記第1加熱部から延長され、前記噴射部の周りをコイル形状で囲む第3加熱部をさらに有することを特徴とする請求項9に記載の半導体素子製造装置。
  11. 前記半導体素子製造装置は、工程副産物が前記加熱管に付着することを防止するため前記加熱管の第1加熱部と前記サセプタとの間に位置するライナをさらに具備することを特徴とする請求項9に記載の半導体素子製造装置。
  12. 前記半導体素子製造装置は、前記噴射部に第2ソースガスを供給する第2供給管をさらに具備することを特徴とする請求項2に記載の半導体素子製造装置。
  13. 前記半導体素子製造装置は、有機金属化学気相蒸着装置であることを特徴とする請求項12に記載の半導体素子製造装置。
  14. 前記第1ソースガスは室温状態で前記工程チャンバに流入されるガスであり、前記第2ソースガスは一定の温度に加熱した状態で前記工程チャンバに流入される有機金属ガスであることを特徴とする請求項13に記載の半導体素子製造装置。
  15. 前記加熱器は、前記第1供給管上に設けられて前記第1供給管内を流れる第1ソースガスを加熱するヒータを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子製造装置。
  16. 前記噴射部は、
    前記第1ソースガスが流入される第1流入部と、
    前記第1流入部と隔離され、前記第1流入部と積層されるように配置され、前記第2ソースガスが流入される第2流入部とを具備することを特徴とする請求項12に記載の半導体素子製造装置。
  17. 前記装置により蒸着される膜は強誘電体膜であることを特徴とする請求項12に記載の半導体素子製造装置。
  18. 前記第2ソースガスは鉛またはその化合物と、ジルコニウムまたはその化合物と、チタンまたはその化合物とを含み、
    前記第1ソースガスは酸素であることを特徴とする請求項17に記載の半導体素子製造装置。
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