KR100190357B1 - 웨이퍼가열 및 모니터링 시스템 및 작동방법 - Google Patents

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Abstract

금속 배선을 어닐링하는 동안 반도체 웨이퍼의 온도는 일정한 방사율을 갖는 얇은 서셉터 위에 웨이퍼를 고정시키고 서셉터의 온도를 모니터링함으로써 정확하고 간접적으로 측정된다. 이 시스템은 서셉터의 후측부를 방사가열함으로써 효과적이고 조절된 웨이퍼 가열을 제공하는 추가된 장점을 가진다.

Description

웨이퍼가열 및 모니터링 시스템 및 작동방법
도면은 본 발명에 따른 웨이퍼 가열 및 웨이퍼 온도 모니터링 능력을 통합시킨 개략적 웨이퍼 어닐링 시스템도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 웨이퍼 어닐링 시스템 11 : 하우징
12 : 석영 지지핀 13 : 서셉터
14 : 웨이퍼 15 : 리프트/적외선 센서장치
16 : 웨이퍼 리프트 엘레베이터 17 : 액츄에이터
18 : 화살표시 19 : 석영 웨이퍼 리프터
21 : 공정챔버 22 : 벨로우즈
23 : 윈도우 24 : 복사램프 어셈블리
25 : 램프 26 : 반사 어셈블리
28 : 파이로미터 29 : 전선
본 발명은 집적회로 웨이퍼의 열처리와 그 열처리동안 집접회로 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 상세히는, 웨이퍼 상에 형성된 집적회로 금속 배선의 어닐링동안 웨이퍼의 온도를 모니터링하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
집적회로 웨이퍼 상에 형성된 금속배선을 어닐링하는 것은 반도체 웨이퍼 온도의 정확한 제어와, 이리하여, 웨이퍼 온도의 정확한 모니터링을 요구한다.
아마 그러한 웨이퍼를 위해 바람직한 온도 모니터링 기술은 웨이퍼로부터 방출된 열에너지를 검출한 적외선 센서를 사용한다. 적외선 감지는 부분적으로 바람직한데, 그 이유는 센서가 원격적으로 처리챔버 외부에 위치가 정해질 수 있고 이 기술의 잠재적 정확성 때문이다. 그러나, 적외선 감지기술의 잠재적 정확성은 부분적으로 충분히 실현될 수 없는데, 그 이유는 웨이퍼 상에 형성된 집적회로 구조물의 구성물질과 다양한 지형은 정확히 웨이퍼의 온도를 모니터링하는 것을 어렵게 만들기 때문이다.
상기 논의를 고려하면, 본 발명의 주요 목적은 열처리동안, 특히 웨이퍼 상의 금속배선의 어닐링동안 반도체 웨이퍼를 정확히 가열시키고 반도체 웨이퍼 온도를 정확히 모니터링하기 위한 장치와 방법을 제공함에 있다.
한편, 상기 및 다른 목적은 웨이퍼의 뒷편 조건에는 무관하게 서셉터(susceptor)를 통하여 웨이퍼를 가열하고 그 서셉터의온도에 기초하여 간접적으로 웨이퍼의 온도를 측정함으로써 달성된다. 이러한 개념을 구체화시키는 장치는 일정하고 높은 복사율의 얇은 서셉터, 전체 뒷편 영역이 거의 노출된 서셉터를 설치시키기 위한 수단, 적어도 그 뒷편으로부터 서셉터를 조시사키기 위한 수단, 및 서셉터의 뒷편의 온도를 모니터링하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게, 서셉터는 일정하고 높은 방사율 특성을 제공하기 위하여 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드 코팅의 흑연과 같은 물질이고, 신속한 열응답을 제공하기 위하여 두께가 약 0.5㎜ 내지 8㎜이다.
다른 한편으로, 서셉터를 설치하기 위한 수단은 주위에 서셉터를 연결시키기 위해 배열된 다수의 핑거(finger)를 포함한다.
또다른 한편으로, 서셉터의 온도를 모니터링하기 위한 수단은 적외선 센서 또는 열전쌍(thermocouple)이다.
본 발명은 또한 웨이퍼의 뒷편 조건에 관계없이 웨이퍼의 온도를 측정하고 모니터링하는 방법에서 구체화되며, 얇고 일정한 크기의 복사율을 가진 서셉터를 제공하는 단계, 반도체 웨이퍼를 서셉터 상에 지지시키는 단계, 적어도 뒷편으로부터 서셉터를 복사적으로 가열시키는 단계, 및 서셉터의 온도를 모니터링 함으로써 웨이퍼의 온도를 간접적으로 모니터링 하는 단계로 이루어진다. 서셉터 온도는 서셉터에 부착된 열전쌍을 사용하거나 그 뒷편으로부터 방출된 열에너지를 감지함으로써 모니터링될 수 있다.
또다른 한편으로, 본 발명은 온도범위를 넘는 웨이퍼와 서셉터의 온도를 모니터링하고 웨이퍼와 서셉터의 그 범위 이상의 온도 사이의 차이를 결정함으로써 웨이퍼의 온도에 대한 서셉터를 캘리브레이션하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은, 본 발명에 따른 웨이퍼처리 및 웨이퍼온도 모니터링 능력을 포함하고 있는 웨이퍼 어닐링 시스템을 대략적으로 도시한 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도면은 본 발명에 따라 만들어진 웨이퍼온도 모니터링 시스템의 예를 개략적으로 보여주는데, 이는 웨이퍼 어닐링시스템(10)으로 통합된다. 시스템(10)은 진공챔버 또는 하우징(11)을 포함한다. 챔버 내에는 그 주변둘레에서 서셉터(13)를 지지하는 다수의 석영지지핀(12)이 있어 실질적으로 서셉터의 모든 뒷편(도면에서 밑부분)은 노출된채 있게 된다. 서셉터(13)는 웨이퍼(14)를 지지한다. 결합 웨이퍼 리프트/적외선 센서장치(15)는 통상적으로 화살표시(18)에 의하여 나타내진 경로를 따라 액츄에이터(17)에 의하여 수직으로 왕복 운동이 되는 엘리베이터(16)를 포함한다. 웨이퍼(14)를 서셉터(13)로부터 웨이퍼 전달 블레이드(도시되지 않음)로 전달시키고 그 역으로도 전잘시키기 위한 지지링(도시되지 않음)상에 설치된 다수의 핀을 포함하는 석영 웨이퍼 리프트(19)는 엘리베이터(16)의 상단부에 설치된다.
공정챔버(21)는 벨로우즈(22)에 의하여 리프트/적외선 센서장치(15)와 고립되어 있고 엔벨로우프 또는 윈도우(23)에 의하여 복사램프 어셈블리(24)와 고립되어 있다. 서셉터(13)는 램프(25)의 원형 배열과 관련된 반사 어셈블리(26)에 의해 윈도우(23)를 통해 균일하게 가열된다. 현재 램프는 적외선이고 복사에너지 투과 윈도우(23)는 석영이다. 더우기 복사에너지 램프 또는 다른 가열수단들은 웨이퍼의 앞쪽에 제공되어질 수 있다. 웨이퍼의 온도를 신속하고 정확하게 추적하여 웨이퍼의 온도를 정확하게 모니터링하기 위한 본 발명의 장치는 또한 서셉터의 온도를 근접하게 추적하는 웨이퍼의 복사 가열을 신속하고 효과적으로 제공한다.
복사가열 웨이퍼 어닐링 시스템(10)은 웨이퍼 뒷편의 조건에 무관하게 서셉터(13)를 경유하여 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 온도 측정장치(30)는 서셉터(13)내에 끼워넣거나 부착된 열전쌍 또는 바람직하게는 서셉터 하부에 위치한 웨이퍼 리프트 엘레베이터(16) 상부에 부착한 파이로미터(28)형태의 적외선 센서로 구성된다. 열전상 또는 파이로미터로 부터의 추력 신호는 전선(29)을 경유하여 컴퓨터 제어장치에 인가된다. 폐루프 제어장치는 서셉터에서 얻은 온도데이터 신호를 사용하여 웨이퍼 공정을 제어하며, 더 바람직하게는 서셉터 온도의 리드 아웃(Read out)을 제공한다. 이 분야에 통상의 지식을 가진 기술자라면 웨이퍼의 온도가 서셉터 온도 범위에 걸쳐서 실제적인 웨이퍼의 온도를 측정하여 서셉터 온도가 웨이퍼 온도에 조정되는 것에 의해 서셉터 온도로 부터 얻어진다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
간접 측정방법. 즉 서셉터의 온도를 정확하게 모니터링하여 웨이퍼의 온도를 간접적으로 모니터링하는 것은 서셉터를 공정에 특별히 적합하도록 하는 것에 의해 가능하다. 첫째로, 서셉터(13)는 특정한 온도와 파장에 대해 일정한 방사율을 갖는 광학적으로 불투명한 물질이다. 바람직하게는 서셉터가 실리콘 카바이드로 코팅된 흑연으로 이루어져 있거나 고체 실리콘 카바이드이다. 관련된 방사율은 약 0.9이다. 이 분야에 통상의 지식을 가진 기술자들은 필요한 방사율을 제공하도록 다른 물질이나, 화합물, 물질의 조합을 유도하여 서셉터의 앞쪽에 웨이퍼를 두고 뒷쪽을 경우하여 온도를 정확하게 모니터링할 수 있다. 둘째로, 서셉터는 매우 얇아서 통상적으로 0.5㎜ 내지 8㎜이며, 바람직하게는 2㎜로서 매우 신속한 응답 시간을 제공하여 신속학 근접하게 서셉터가 웨이퍼 온도를 추적하고 반대로 웨이퍼 온도가 서셉터를 추적하도록 한다.
공정시 웨이퍼 가열을 정확히 모니터링하도록 하는 상기의 특징들은 또한 정확한 가열 자체에 영향을 준다. 다시 말해서 뒷편이 가열되며, 얇고, 일정한 방사율을 가진 서셉터로부터 전도되는 웨이퍼 간접적가열은 또한 웨이퍼 위의층 형성시(예를들면, 실리사이드층의 형성) 및 이러한 층의 어닐링 시에 신속하고, 정확하고, 균일한 웨이퍼 가열을 제공한다.
다음은 반도체 웨이퍼 위의 금속을 어닐링하는 공정의 실시예를 기술한 것이다.
최초로 웨이퍼를 약 10-7Torr 이상의 진공조건 하의 서셉터에 두는데 로보트 팔이 사용된다. 웨이퍼가 위치된 직후, 로보트 팔은 제거되고 결합된 챔버의 개구는 밀폐되어 전달챔버로부터 챔버는 분리된다. 다음에 챔버는 대기압(800 Torr), 또는 질소(N2), 암모니아 (NH3), 아르곤(Ar)과 같은 기체 또는 혼합물체, 또는 형성기체, 질소와 산소의 화합물, 아르곤과 산소의 화합물 등으로 어느 수준의 진공으로 뒤에서 채워진다. 기체의 조건이 확립되면, 컴퓨터는 램프의 동작을 조절하여 공정세트 포인트에 프로그램된 비율로 서셉터와 웨이퍼의 온도를 램프업시키고 일정한 서셉터온도를 유지하도록 한다(혹은 요구도니 바로 온도를 변화사킨다). 통상적으로 실리사이드와 같은 내화금속, 알루미늄, 알루미늄실리콘, 알루미늄구리, 알루미늄실리콘구리와 같은 알루미늄화합물 또는 반도체 공업에 사용되는 기본적인 어느 금속등 처리하기가 어려울 수 있는 금속을 어닐링하는데 사용하는 온도는 통상적으로 300℃ 내지 1,000℃이다.
상기 논의된 장점 외에도 본 발명의 온도 모니터링 장치와 방법의 배경 잡음은 극히 적다. 웨이퍼와 서셉터에서 방사된 에너지의 양이 감소하고 공정이 배경 잡음에 민감한 낮은 온도에서 이 장점은 중요하다. 더우기 약 600℃이하의 온도에서 실리콘 웨이퍼는 열적으로 투과되며 전방 측부 구조의 영향이 증가한다.
본 발명에 대해 논의된 우선적이고 선택적인 실시예를 가지고, 이 분야에 통상의 지식을 지닌 기술자라면 첨부한 특허청구의 범위 내에서 변경을 할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 웨이퍼상의 금속층을 어닐링하는 동안 웨이퍼의 후측부 조건에 무관하게 반도체 웨이퍼의 온도를 측정하는 장치에 있어서, 얇고 높은 방사율의 서셉터를 포함하는데, 상기 서셉터는 서셉터의 전방측부 위에 지지된 웨이퍼와 서셉터 사이의 신속한 열적 응답을 제공하며 일정한 방사율을 가지며, 서셉터의 전체 후측부 영역이 노출되도록 서셉터를 설치하는 수단, 최소한 상기 후측부로부터 서셉터를 방사하는 수단 및 서셉터의 후측부 온도를 모니터링하는 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터의 방사율은 약 0.9이며 서셉터의 두께는 약 0.5㎜ 내지 8㎜임을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서셉터가 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드가 코팅된 흑연으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 서셉터를 설치하는 수단이 서셉터 주변을 속박하기위해 배열된 수많은 핑거를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 서셉터의 후측부 온도를 모니터링하는 수단이 적외선 센서임을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 서셉터의 후측부 온도를 모니터링하는 수단이 열전쌍임을 특징으로 하는 장치.
  7. 금속층을 어닐링하는 동안 웨이퍼의 후측부 조건에 무관하게 반도체 웨이퍼의 온도를 측정하는 방법에 있어서, 극히 얇고 일정하고 높은 방사율의 서셉터를 제공하는단계, 서셉터의 정체 후측부가 덮여지지 않은 상태로 서셉터를 지지하는 단계, 반도체 웨이퍼를 서셉터의 전방측부 위에 지지하는 단계, 최소한의 후측부로부터 서셉터를 방사 가열하는 단계 및 서셉터의 후측부 온도를 모니터링함으로써 웨이퍼의 온도를 간접적으로 모니터링 하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 서셉터의 방사율은 약 0.9이며 서셉터의 두께는 약 0.5㎜ 내지 8㎜ 임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 서셉터가 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드가 코팅된 흑연으로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 서셉터의 온도가 서셉터에 부착된 열전쌍을 이용하여 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 서셉터의 온도가 후측부로부터 방사된 열 에너지를 감지함으로써 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 여러가지 온도범위에 걸쳐서 서셉터와 웨이퍼의 온도를 모니터링하고 그 온도범위에서 서셉터와 웨이퍼간의 온도차를 결정함으로써 웨이퍼의 온도에 관련된 서셉터의 온도를 캘리브레이션하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
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