KR100190909B1 - 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 화학기상증착시 웨이퍼에 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며 증착 반응물질의 사용량을 대폭적으로 줄일 수 있는 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드에 관한 것이다. 본 발명의 다구역 샤워헤드는 반도체 소자 제조시 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 화학기상증착 반응기의 샤워헤드에 있어서, 화학기상증착 반응기로 유입되는 가스의 농도와 속도분포를 조절하기 위하여, 샤워헤드가 가스의 성분, 성분비 및 유량을 독립적으로 조절할 수 있는 2이상의 구역으로 분할되어 구성된 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 본 발명의 다구역 샤워헤드는 반도체 소자 제조시 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 화학기상증착 반응기의 샤워헤드에 있어서, 일정한 반경(r1)을 지닌 원형으로 형성되며 수송가스와 반응가스를 혼합하여 혼합된 가스를 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제1헤드구역(11); 및, 전기한 제1헤드구역(11); 및, 전기한 제1 헤드구역(11)의 반경(r1)보다 더 큰 반경(r2)을 지닌 환형으로 형성되며 수송가스 만을 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제2 헤드구역(12)으로 샤워헤드가 분할되어 구성된 것을 특징으로 한다.
Description
제1도는 종래의 화학기상증착 반응기에 대한 개략적 구성도이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 다구역 샤워헤드의 평면도이다.
제3도는 종래의 샤워헤드를 사용하여 웨이퍼 상에 구리를 증착한 경우에 대한 웨이퍼의 반경방향에 따른 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이다.
제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤워헤드를 사용하여 웨이퍼상에 구리를 증착한 경우에 대한 웨이퍼의 반경방향에 따른 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 샤워헤드 2 : 웨이퍼
3 : 히터 4 : 배출구
11 : 제1헤드구역 12 : 제2헤드구역
본 발명은 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 화학기상증착시 웨이퍼에 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며 증착 반응물질의 사용량을 대폭적으로 줄일 수 있는 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드에 관한 것이다.
반도체 소자의 초고집적화에 따라, 반도체 제조공정에 사용되는 웨이퍼(wafer)가 대구경화되는 추세에 있다. 이러한 웨이퍼의 대구경화에 의해 반도체 소자 제조시 필수적인 공정인 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 증착공정은 그 중요성이 한층 증대되고 있으며, 이러한 증착공정에 사용되는 증착방법 중에서도 우수한 피복성 및 생산성을 제공하는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)이 증착공정에 주로 채용되고 있다.
전기한 화학기상증착법에서는 제 1도에 도시된 바와 같은 화학기상증착 반응기를 사용하여 웨이퍼 상에 특정한 증착물질을 증착시키게 되는데, 전기한 종래의 화학기상증착 반응기는 대부분이 축대칭 수직형 반응기로서, 이러한 반응기는 반응기의 내부로 가스 유입구(5)를 통하여 수송가스(carrier gas)와 반응가스(reactive gas)를 유입시키는 샤워헤드(shower head)(1); 웨이퍼(기판)(2)를 가열시키기 위한 히터(3); 및, 가스를 반응기의 외부로 배출시키기 위한 배출구(4)를 포함한다. 전기한 화학기상증착 반응기에서는 증착하고자 하는 웨이퍼(2)를 히터(3) 상에 올려놓고 히터(3)에 의해 일정온도로 가열하면서, 외부의 가스 공급원(미도시)으로 부터 가스 전달경로(미도시)를 거쳐 가스 유입구(5)를 통하여 샤워헤드(1)에 공급되고 샤워헤드(1)의 내부에서 균일하게 혼합된 수송가스 및 반응가스를 반응기의 내부로 유입하게 되면, 화학기상 증착반응에 의해 웨이퍼(2) 상에 박막이 증착되게 된다.
전기한 바와 같은 웨이퍼의 대구경화에 따라, 웨이퍼 상에 증착된 박막의 균일도 유지가 반도체 소자 제조시 주요한 문제점으로 대두되어 왔는데, 최근에는 이를 해결하기 위하여 화학기상증착법에 의한 박막의 증착과정에서의 박막의 균일도 향상을 위한 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 이와 관련된 종래기술에 대하여는 다음과 같은 문헌에 개시되어 있다;
패트내익(S, Patnaik) 등은 화학기상측착 반응기의 웨이퍼를 회전시키면서 수치모사법(numerical simulation)을 사용하여 웨이퍼의 회전에 따른 박막의 균일도에 대한 연구결과를 제시하면서 웨이퍼 회전장치가 부설된 화학기상증착 반응기를 개시하고 있다[참조 : S. Patnaik et al, J. Crystal Growth, 96:153-174(1989)].
또한, 포티아디스(D. I. Fortiadis) 등은 수치모사법을 사용하여 화학상증착 반응기의 형태와 유량, 반응기의 내부압력 및 온도 등과 같은 증착조건의 변화가 박막의 균일도에 미치는 결과를 개시하였다[참조: D. I. Fortiadis et al, J. Crystal Growth, 102:441-470(1990)].
전기한 종래기술 이외에도 박막의 균일도를 증대시키기 위하여 샤워헤드와 웨이퍼 사이의 거리를 변화시키는 방법도 사용되고 있다.
그러나, 전기한 종래기술은 균일도가 우수한 박막을 제조하는데에는 한계를 지니고 있고, 특히 대구경 웨이퍼의 박막증착시에는 웨이퍼의 중앙부와 가장자리 부분에 대한 증착속도의 차이가 발생하여 대구경 웨이퍼의 증착에는 효율적으로 사용될 수 없으며, 증착 반응물질의 사용량을 감소시킬 수 없다는 문제점을 지니고 있는 동시에, 웨이퍼 회전장치와 같은 부대적인 장치가 요구되어 경제적으로 박막을 증착할 수 없다는 문제점을 지니고 있었다.
결국, 본 발명의 목적은 화학기상증착시 웨이퍼에 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며 증착 반응물질의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있는 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드를 제공함에 있다.
본 발명자들은 수송가스 및 반응가스의 혼합된 가스를 동시에 반응기의 내부로 유입시키는 역할만을 수행하는 종래의 샤워헤드를 가스의 성분, 성분비 및 유량을 독립적으로 조절할 수 있는 다수의 구역으로 분할함으로써, 화학기상증착시 웨이퍼에 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며 증착 반응물질의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있다는 것을 발견하고, 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
전기한 목적을 달성하는 본 발명의 다구역 샤워헤드는, 반도체 소자 제조시 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 화학기상증착 반응기의 샤워헤드에 있어서,
화학기상증착 반응기로 유입되는 가스의 농도와 속도분포를 조절하기 위하여, 샤워헤드가 가스의 성분, 성분비 및 유량을 독립적으로 조절할 수 있는 2이상의 구역으로 분할되어 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 다구역 샤워헤드는, 반도체 소자 제조시 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 화학기상증착 반응기의 샤워헤드에 있어서,
일정한 반경(r1)을 지닌 원형으로 형성되며 수송가스와 반응가스를 혼합하여 혼합된 가스를 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제1 헤드구역; 및,
전기한 제1헤드구역의 반경(r1)보다 더 큰 반경(r2)을 지닌 환형으로 형성되며 수송가스 만을 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제2헤드구역으로 샤워헤드가 분할되어 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상증착 반응기용 샤워헤드의 구성 및 작용효과를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다구역 샤워헤드의 평면도로서, 제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드는 일정한 반경(r1)을 지닌 원형으로 형성되며 수송가스와 반응가스를 혼합하여 혼합된 가스를 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제1 헤드구역(11); 및, 전기한 제1 헤드구역(11)의 반경(r1)보다 더 큰 반경(r2)을 지닌 환형으로 형성하며 수송가스 만을 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제2헤드구역(12)으로 분할되어 구성된다.
전기한 본 발명의 다구역 샤워헤드에서는 가스 유입구를 통하여 외부로 부터 유입된 수송가스와 반응가스가 제1 헤드구역(11)에서 혼합되어 혼합된 가스가 히터 상에 위치한 웨이퍼에 증착되며, 별도의 가스 유입구를 통하여 외부로 부터 유입된 수송가스는 제2헤드구역(12)을 통하여 화학기상증착 반응기로 유입되어 전기한 제1 헤드구역으로 부터 유입된 수송가스 및 반응가스의 혼합가스가 웨이퍼 상에 증착될 때, 일반적으로 웨이퍼의 가장자리에 더 큰 증착속도로 증착되는 웨이퍼의 가장자리 부근에 있는 반응가스를 희석함으로써, 웨이퍼의 전 표면에 걸쳐 증착이 균일하게 이루어지도록 한다.
전기한 본 발명에 따른 다구역 샤워헤드의 증착성능을 평가하기 위하여 수치모사법을 사용하였는데, 본 실시예의 수치모사에서는 화학기상증착 반응기 내에서의 가스흐름 분포를 위한 유체흐름 모델링(fluid flow modeling), 전도 등을 포함하는 열전달 모델링(heat transfer modeling) 및 기체-고체 화학반응을 포함하는 물질전달 모델링(mass transfer modeling)을 통합하여 화학기상증착 공정에 대한 수학적 모델을 수립하였으며, 전기한 수학적 모델을 이용하여 증착공정에 대한 수치모사를 수행함으로써, 웨이퍼 상의 구리의 증착속도 및 증착 균일도를 평가하였다.
전기한 본 실시예에서 사용된 수치모사법에서는 본 발명의 다구역 샤워헤드가 장착된 제1도에 도시된 종래의 축대칭 수직형 화학기상증착 반응기를 사용하였으며, 화학기상증착 반응기의 반경은 152mm, 히터(3)의 반경은 104mm, 샤워헤드(1)의 반경(r2)은 92mm, 웨이퍼(2)의 반경은 6inch, 웨이퍼(2)와 샤워헤드(1) 간의 거리는 20mm, 수송가스로는 아르곤, 반응가스로는 Cu(hfac)TMVS, 반응기 압력은 1torr, 웨이퍼(2) 및 히터(3)의 온도는 200℃, 반응기 입구 및 벽면의 온도는 70℃, 전체 가스유량은 50sccm, 및, 수송가스에 대한 반응가스의 몰분율은 0.05로 설정하여 수치모사를 수행하였다.
제3도는 종래의 샤워헤드(1)를 사용하여 웨이퍼(2) 상에 구리를 증착한 경우에 대한 웨이퍼의 반경방향에 따른 구리의 증착속도를 나타낸 그래프로서, 제3도의 그래프에서 보듯이, 웨이퍼(2) 중심부에서의 구리 증착속도는 163Å/min이지만 웨이퍼(2) 중심부에서 멀어질수록 구리의 증착속도가 점차 증가하여 웨이퍼(2)의 가장자리 부분에서는 구리의 증착속도가 230Å/min에 이르는 것으로 나타나, 종래의 샤워헤드(1)를 사용할 경우에는 균일도가 우수한 박막을 얻을 수 없다는 것이 확인되었다.
한편, 제4도는 본 발명의 샤워헤드를 사용하여 웨이퍼(2)상에 구리를 증착하였을 때, 제1 헤드구역(11)의 반경(r1)변화에 따른 웨이퍼(2)의 반경방향에 대한 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이다.
제4도에서, 백색 원(--O--)은 종래의 샤워헤드(5)를 사용한 경우에 대한 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이고, 백색 삼각형(--△--)은 r1이 88mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이며, 백색 사각형(--□--)은 r1이 84mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이다. 또한, 흑색 원(--●--)은 r1이 80mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이고, 흑색 삼각형(--▲--)은 r1이 76mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이며, 흑색 사각형(--■--)은 r1이 72mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이고, 실선(─)은 r1이 48mm일 때의 구리의 증착속도를 나타낸 그래프이다.
제4도의 결과에서 보듯이, 본 발명의 다구역 샤워헤드를 사용한 경우, 제1헤드구역(11)의 반경변화에 따라 웨이퍼(2)의 반경방향에 대한 구리의 증착속도가 변화되며, 제1 헤드구역(11)의 반경이 72내지 88mm인 경우에 종래의 샤워헤드(5)를 사용한 경우에 비하여 웨이퍼(2)의 반경방향에 대한 구리의 증착 균일도가 향상되었음을 알 수 있었으며, 제1 헤드구역(11)의 반경이 80mm인 경우에 증착 균일도가 약 3%로 구리의 증착시 가장 균일한 증착분포를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다구역 헤드 중에서 제1헤드구역(11)의 반경이 80mm인 전기한 샤워헤드를 사용하여 구리를 웨이퍼(2) 상에 증착시킬 경우에는 종래의 샤워헤드(5)를 사용한 경우에 비하여, 증착 반응물질의 사용량을 약 25%정도 감소시킬 수 있었다.
전술한 본 발명의 다구역 샤워헤드에서의 제1 헤드구역(11)의 반경(r1) 및 제2 헤드구역(12)의 반경(r2)은 사용되는 화학기상증착 반응기의 형태, 증착공정의 반응조건 및 사용되는 가스의 종류 등에 따라 최적의 길이로 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 다구역 샤워헤드는 전술한 실시예와 같이 샤워헤드를 두개의 구역으로 분할하는 대신에, 화학기상증착 반응기로 유입되는 가스의 농도와 속도분포를 조절하기 위하여, 전기한 샤워헤드를 가스의 성분, 성분비 및 유량을 독립적으로 조절할 수 있는 3이상의 구역으로 분할하여 형성할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 화학기상증착 반응기용 다구역 샤워헤드는 화학기상증착시 웨이퍼에 박막을 균일하게 증착시킬 수 있고, 특히 대구경 웨이퍼에도 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며, 증착 반응물질의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있는 등의 효과가 있다.
Claims (1)
- 반도체 소자 제조시 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 화학기상 증착 반응기의 샤워헤드에 있어서,일정한 반경(r1)을 지닌 원형으로 형성되며 수송가스와 반응가스를 혼합하여 혼합된 가스를 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제1 헤드구역(11); 및,전기한 제1 헤드구역(11)의 반경(r1)보다 더 큰 반경(r2)을 지닌 환형으로 형성되며 수송가스만을 화학기상증착 반응기로 유입시키기 위한 제2헤드구역(12)으로 샤워헤드를 분할구성으로써, 화학기상증착 반응기로 유입되는 가스의 농도와 속도분포를 조절하여, 가스의 성분, 성분비 및 유량을 독립적으로 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다구역 샤워헤드.
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