KR100219486B1 - 산화막의 형성방법 및 그 장치 - Google Patents

산화막의 형성방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

고품질의 산화막을 얻을 수 있는 산화막의 형성방법 및 그 장체 대해 기재되어 있다. 본 발명의 산화막 형성방법은, 500℃~700℃의 O2＋O3분위기에서 웨이퍼를 열산화시키는 예비 산화단계와, 상기 예비산화단계를 수행한 상기 웨이퍼를 900℃~1100℃의 O2＋O3, N2O, H2O이 분위기에서 열산화시키는 주산화단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하고, 그 형성장치는 웨이퍼를 예비산화시키기 위한 하부로 및 예비산화된 웨이퍼를 주산화시키기 위한 상부로로 구성되는 챔버부와, 사익 챔버부로 웨이퍼를 로딩 및 언로딩하는 웨이퍼로딩부와, 상기 웨이퍼로딩부를 구동하기 위한 구동부와, 상기 챔버부의 진공압력을 유지함과 동시에 산화반응 후의 잔류가스를 외부로 배출하기 위한 배기부와, 산하를 위한 반응가스들을 상기 챔버부로 공급하는 가스공급부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 산화막의 형성방법 및 그 장치에 의하면, 실리콘기판/산화막의 계면에 수 원자 퍼센트의 질소가 함유되어 실리콘기판으로 부터의 도펀트의 확산을 방지함으로써 TDDB 특성이 향상되고, 강력한 O3의 산화력으로 인하여 형성된 산화막내의 산소 및 수소결함이 감소하여 핫 캐리어에 대한 내성이 강화되며, O3분위기에서의 예비가열에 의해 균일한 산화막이 형성된다.

Description

산화막의 형성방법 및 그 장치
제1도는 본 발명에 따른 산화막의 형성장치를 나타낸 도면이다.
본 발명은 산화막의 형성방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 게이트 및 터널(tunnel) 절연막으로 사용되는 산화막의 형성방법 및 그 장치에 관한 것이다.
실리콘과 그 밖의 각종 실리콘 화합물을 사용하여 집적회로를 만드는 반도체의 제조공정에 있어서, 특히 실리콘 산화막(SiO2; 이하, 산화막으로 약하여 칭함)은 소자간의 분리를 위한 절연층, 에칭(etching)이나 이온주입 공정의 마스크(mask), 모스(MOS) 트랜지스터의 게이트 절연막, 기억소자의 터널절연막, 및 다층배선간의 층간절연막 등의 용도로 다양하게 사용된다.
이러한 산화막은 여러가지 방법들로 형성할 수 있는데, 그 방법들을 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 실리콘기판을 산소분위기의 고온(800℃~1200℃)에서 산화시키는 열산화법이 있다. 이 방법으로 얻어지는 산화막은 MOS 트랜지스터의 게이트절연막이나 기억소자의 터널절연막 등으로 사용된다.
둘째, 상압 또는 감압의 화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 방법이 있다. 이 방법은 저항히터(resistance heater) 또는 플라즈마(plasma)를 가열원으로 이용하여 실리콘의 소스가스(source gas), 예컨대 실란(SiH4), 테오스(TEOS; Tetra-ehtylortho Silicate)), 디클로로실란(SiH2Cl2) 등을 비교적 저온(200℃~850℃)에서 분해시켜 산화막을 형성하는 것으로, 다층배선의 층간절연막 및 엘디디(LDD; Lightly Doped Drain) 공정의 스페이서(spacer) 등으로 사용된다.
셋째, 액상의 스핀 온 글래스(SOG; Spin On Glass)를 스피너(spinner)로 실리콘 기판 상에 균일하게 도포한 후, 건조 및 어닐링(annealing) 공정을 거쳐 산화막을 형성하는 방법이 있다. 이 방법으로 얻어지는 산화막으 주로 평탄화공정을 위해 사용된다.
최근에 반도체 디바이스가 점점 더 고집적화, 고속화됨에 따라 상술한 3가지의 산화막 형성방법중에서 특히, 트랜지스터의 게이트 절연막 및 기억소자의 터널산화막으로 사용되는 열산화막에 있어서 고품질화, 고신뢰성화 및 박막화가 필수 불가결의 요소로 되고 있다.
현재 반도체 제조공정에 사용되는 열산화막의 형성방법을 세분해 보면, 건식산화(dry oxidation)법, 습식산화(wet oxidation)법, HCl 산화법 등의 3가지가 있고, 이러한 방법들을 통해 형성된 산화막들을 비교해 보면 다음과 같다. 먼저, 건식산화막은 막중에 수소결합을 함유하지 않으므로 핫 캐리어(hot carrier)에 대한 내성이 뛰어난 반면, 홀 트랩(hole trap)으로 작용하는 산소결함을 많이 함유하고 있어 TDDB(Time Dependent Dirlrctric Breakdown) 수명이 짧은 단점이 있다. 한편, 습식 및 HCl 산화막은 산소결함을 수소로 보완하여 홀 트랩은 감소하지만, 막중에 형성된 다수의 소소결합이 핫 캐리어의 주입에 의하여 쉽게 절단되므로서 댕글링 본드(dangling bond)가 발생하는 단점이 있다.
상술한 단점들을 극복하기 위하여, 실리콘기판(Si)/ 산화막(SiO2)의 계면에 질소를 함유시켜 산화막의 신뢰성 향상 및 불순물의 확산을 방지하는 산화법이 개발되었다. 이 산화법은 소정 두께의 건식산화막을 형성한 후, NH3나 N2O 또는 NO 등의 가스를 사용하여 RTP(Rapid Thermal Processing)장치 또는 전기로에서 열처리하거나, NH3와 N2O를 전기로내에서 산소와 함께 반응시켜 열산화막의 형성과 동시에 Si/SiO2계에 질소가 함유되도록 하는 방법이다.
그런데, NH3를 사용하는 경우에는 수소가 막중에 포함되어 상술한 바와 같은 핫 캐리어에 대한 내성저하의 문제가 마찬가지로 발생하는 한편, N2O분위기에서 열처리하는 방법은 성장속도가 느리고 성장된 산화막의 균일도(uniformity)가 떨어지는 문제가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 O2＋O3분위기의 예비산화단계와 O2＋O3, N2O, H2O 분위기의 주산화단계를 더 구비하여 실시함으로써 산화막의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 산화막의 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 산화막의 형성방법을 효율적으로 수행하기 위한 형성장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 산화막의 형성방법은,
500℃~700℃의 O2＋O3분위기에서 웨이퍼를 열산화시키는 예비산화단계; 및
상기 예비산하단계를 수행한 상기 웨이퍼를 900℃~1100℃의 O2＋O3, N2O, H2O의 분위기에서 열산화시키는 주산화단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 산화막 형성방법에 있어서, 상기 예비산화단계는 5분~20분 동안 수행되고, 상기 주산화단계는 15초~600초 동안 수행되며, 상기 주산화단계는 50torr~760torr의 압력하에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한, 산화막의 형성장치는,
웨이퍼를 산화시키기 위한 챔버부;
상기 챔버부로 웨이퍼를 로딩 및 언로딩하는 웨이퍼로딩부;
상기 웨이퍼로딩부를 구동하기 위한 구동부;
상기 챔버부의 진공압력을 유지함과 동시에 산화반응 후의 잔류가스를 외부로 배출하기 위한 배기부; 및
산화를 위한 반응가스들을 상기 챔버부로 공급하는 가스공급부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 산화막 형성장치에 있어서, 상기 챔버부는 예비산화단계를 수행하는 하부로와, 주산화단계를 수행하는 상부로와, 상기 상부로를 가열하기 위한 상부히터와, 상기 하부로를 가열하기 위한 하부히터, 및 상기 상부로와 하부로를 단열하기 위한 리플렉터, 단열재, 워터재킷을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부로는 700℃~1100℃ 범위의 온도 제어가, 상기 하부로는 400℃~800℃ 범위의 온도제어가 각각 가능하고, 상기 상부로는 50torr~760torr의 진공압력을 유지하며, 상기 가스공급부는 O2＋O3가스와 N2O 가스 및 H2O를 상기 챔버부로 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 웨이퍼로딩부는 웨이퍼를 저장한 카세트가 놓여져 있는 록 챔버와, 상기 카세트의 웨이퍼를 이송하기 위한 트랜스퍼 암과, 상기 트랜스퍼 암으로 부터 이송되어 온 웨이퍼를 상기 챔버부로 로딩하기 위한 보트를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동부는 웨이퍼가 로딩된 상기 보트를 상기 챔버부로 이송하기 위한 트랜스퍼 로드와 상기 트랜스퍼 로드를 동작시키는 리프터를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트랜스퍼 로드와 리프터간의 동력전달은 영구자석에 의한 마그네틱 커플링에 의해 이루어지고, 상기 구동부는 상기 보트를 상기 챔버부의 하부로와 상부로로 단계적으로 이동시키는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따른 산화막의 형성방법 및 그 장치에 의하면, 실리콘기판/산화막의 계면에 수 원자 퍼센트(atom percent)의 질소가 함유되어 실리콘기판으로 부터의 도펀트(dopant)의 확산을 방지함으로써 TDDB 특성이 향상되고, 강력한 O3의 산화력으로 인하여 형성된 산화막내의 산소 및 수소결함이 감소하여 핫 캐리어에 대한 내성이 강화되며, O3분위기에서의 예비가열에 의해 균일한 산화막이 형성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 산화막의 형성방법을 설명하기로 한다.
먼저, 예비산화단계를 수행한다. 이 예비산화단계는 실리콘기판을 O2＋O3분위기에서 500℃~700℃ 온도로 산화시키며, 이때 가열시간은 5분~20분 정도로 한다.
다음으로, 주산화단계를 수행한다. 이 주산화단계는 실리콘기판을 O2＋O3, N2O, H2O 분위기, 50torr~760torr의 압력 및 900℃~1100℃ 온도로 산화시키며, 이때 가열시간은 15초~600초 정도로 한다.
한편, 상기 예비 및 주산화단계에서 사용되는 가스중에 H2O는 순수를 버블링하여 수증기 형태로 공급하고, O3는 방전식 O3발생기를 이용하여 공급한다.
다음으로, 본 발명에 따른 산화막의 형성장치를 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명에 따른 산화막의 형성장치를 나타낸 도면이다.
첫째로, 전체의 장치구성을 중요한 기능별로 대별하여 설명한다.
제1도를 참조하면, 도면부호 100은 상기한 예비 및 주산화단계의 산화반응이 진행되는 챔버부를 나타내고, 200은 산화시킬 웨이퍼를 상기 챔버부(100)로 로딩하는 웨이퍼로딩부를 나타내며, 300은 상기 웨이퍼로딩부(200)를 구동하는 구동부를 나타내고, 400은 상기 챔버부(100)의 후술할 석영튜브(quartz tube:130)를 소정의 진공압력으로 유지시키거나 산화반응 후의 잔류가스를 배기시키기 위한 배기부를 나타내며, 500은 상기 챔버부(100)로 산화용 가스들을 공급하는 가스공급부를 나타낸다.
둘째로, 상기 챔버부(100)를 비롯한 각 구성요소에 대하여 세부 구성을 설명한다.
제1도를 참조하면, 먼저 상기 챔버부(100)는 상술한 본 발명에 따른 산화막의 형성방법을 실현하기 위해 1개의 석영튜브(130)를 2개의 영역(110,120)으로 구분하고, 이를 각각 다른 온도로 가열할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 상기 챔버부(100)에서 도면부호 110은 본 발명의 산화막 형성방법에 있어서 주산화단계를 수행하기 위한 상부로를 나타내고, 120은 예비산화단계를 수행하기 위한 하부로를 나타내며, 130은 석영튜브를 나타낸다.
다음으로, 도면부호 140은 상기 상부로(110)를 가열하기 위한 상부히터를 나타내고, 141은 상기 하부로(120)를 가열하기 위한 하부히터를 나타낸다. 여기에서, 상부히터(140)는 700℃~1100℃ 범위에서, 하부히터(141)는 400℃~800℃ 범위에서 온도를 제어할 수 있다. 또한, 도면부호 150은 상부 Sic 튜브를 나타내고, 151은 하부 SIC 튜브를 나타내며, 이들은 상기 석영튜브(130)와 상부히터(140) 및 석영튜브(130)와 하부히터(141) 사이에 각각 설치되어 있다.
다음으로, 도면부호 160은 상기 상부로(110)로 부터의 복사열을 차단하기 위한 리플렉터(reflector)를 나타내고, 161은 상기 상부로(110)와 하부로(120)를 단열시키기 위한 단열재를 나타내며, 162는 상기 단열재(161)와 하부로(120) 사이에 설치되어 상기 상부로(110)로 부터의 열을 방열시키는 워터재킷(water jacket)을 나타낸다. 즉, 상기 도면부호 160~162의 리플렉터, 단열재 및 워터재킷으로 구성되는 열차단부는 고온(900℃~1100℃)으로 가열되는 상부로(110)의 열이 하부로(120)로 전달되는 것을 방지하여 하부로(120)를 소정온도 예컨대 500℃~700℃로 유지하기 위한 단열기능을 수행하는 구성요소들이다. 또한, 도면부호 170은 다수의 가스공급라인으로 부터 공급되는 각종의 산화용 반응가스들을 상기 석영튜브(130)내로 흘려넣기 위한 매니폴드(manifold)부를 나타낸다.
세째로, 상기 웨이퍼로딩부(200)에 대하여 설명한다.
상기 웨이퍼로딩부(200)는 카세트(cassette:201)에 담겨진 웨이퍼(202)들을 카세트(201)가 위치한 록 챔버(lock chamber:210)로 부터 서브챔버(sub chamber:220)로 이송하는 역할을 담당한다. 이때, 이송동작은 트랜스퍼 암(transfer arm:230)과 도시하지 않은 모터 어셈블리(motor assembly)가 담당하며, 상기 제1도를 참조하면, 상기 트랜스퍼 암(230)상에는 이송중인 웨이퍼(202')가 놓여져 있다. 한편, 상기 록 챔버(210)는 진공상태를 유지하고 있으며, 이 진공상태는 도면부호 240으로 나타낸 드라이 펌프(dry pump)에 의해 얻어진다.
다음으로, 도면부호 250은 아이솔레이션 밸브(isolation valve)를 나타내는 것으로서, 이는 상기 록 챔버(210)와 서브 챔버(220)간에 위치하여 웨이퍼의 로딩 및 언로딩시에 양쪽 챔버의 압력이 일치하는 경우에 개폐되면서 상기 트랜스퍼 암(230)이 통과할 수 있도록 한다.
다음으로, 도면부호 260은 상기 서브 챔버(220)내에 놓여진 보트(boat)로서 여기에는 상기 록 챔버(210)로 부터 상기 트랜스퍼 암(230)에 의해 이송되어 온 웨이퍼들이 로딩되며, 산화공정시 상기 보트(260)는 상기 챔버부(100)로 이동하게 된다. 다음으로, 도면부호 261은 상기 보트(260)를 탈착식으로 올려 놓을 수 있도록 된 보트 베이스(boat base)를 나타내고, 270은 상기 보트 베이스(261)를 통해 외부와 열교환이 이루어지는 것을 방지하기 위한 열차폐판을 나타낸다.
네째로, 상기 웨이퍼로딩부(200)를 구동하는--구체적으로는 상기 보트(260)를 서브 챔버(220)로 부터 상기 챔버부(100)의 하부로(120)로 이송하는 역할을 담당하는--구동부(300)에 대하여 설명한다.
상기 구동부(300)는 상기 보트 베이스(261)와 결합되어 있는 트랜스퍼 로드(transfer rod:310)를 리프터(320)에 의해 수직방향으로 이동시킴으로써 상기 챔버부(100)에 대한 웨이퍼의 로딩 및 언로딩 동작이 수행되도록 한다. 이때, 상기 트랜스퍼 로드(310)는 웨이퍼의 로딩 및 언로딩시에 예컨대 고온의 상부로(110) 및 하부로(120)에 상기 보트(260)와 함께 노출되므로 석영를 재료로 만들어져 있다. 따라서 상기 트랜스퍼 로드(310)와 리프터(320)를 직접 기계적으로 연결할 수는 없다. 이에 따라, 상기 트랜스퍼 로드(310)와 리프터(320)에 영구자석(330)을 각각 부착함으로써 마그네틱 커플링(magnetic coupling)에 의해 동력전달이 가능하도록 구성하였다.
다섯째로, 상기 배기부(400)에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이 상기 챔버부(100)의 상부로(110)는 상기한 주산화단계의 수행시에 예컨대 50torr~700torr의 진공압력을 유지하게 되는데, 상기 배기부(400)는 상기 진공압력을 제공함과 동시에 산화반응후의 잔류가스를 외부로 배출하는 기능을 수행한다. 제1도를 참조하면, 도면부호 410은 메크니칼 부스터 펌프(mechanical boaster pump)이고, 420은 드라이 펌프로서 이들에 의해 50torr~700torr이 압력이 유지되는 한편 잔류가스를 반응로의 외부로 배출시키게 된다.
여섯째로, 상기 가스공급부(500)에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 산화막의 형성방법은 O2＋O3분위기의 500℃~700℃로 가열된 하부로(120)에서 이루어지는 예비산화단계와, O2＋O3, N2O, H2O 분위기의 900℃~1100℃로 가열된 상부로(110)에서 이루어지는 주산화단계를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 산화막의 형성방법을 구현하기 위해서는 O2와 O3를 비롯하여 N2O 및 H2O(실제의 산화반응에서는 수증기를 사용하며 버블러(bubbler)가 사용됨)를 상기 챔버부(100)로 공급해야 한다.
다음으로, 도면부호 510은 N2O를 공급하는 N2O 공급부를 나타내는 바, 이때, N2O의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)에 의해 제어된다. 다음으로, 도면부호 520은 MFC를 통해 공급되는 O2로 부터 O3가스를 생성하는 O3발생기로서, 이 O3발생기는 유입된 O2가스와 O3가스를 혼합하여 최종적으로 O2＋O3가스를 발생시킨다.
또한, 도면부호 530은 H2O 버블러를 나타내고, 이는 순수를 100℃ 정도로 가열하여 수증기를 발생시키며, 이 수증기는 상기 MFC를 통해 유입되는 N2가스에 의해 상기 챔버부(100)로 공급된다. 한편, 상기 N2O 공급부(510) 및 O3발생기(520)로 부터의 반응가스들도 상기 챔버부(100)로 공급됨은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화막의 형성방법 및 그 장치에 의하면, 실리콘기판/산화막의 계면에 질소가 함유되어 실리콘 기판으로 부터 도펀트가 확산되는 것이 방지됨으로써 TDDB 특성이 향상되고, 핫 캐리어에 대한 내성이 강화된다. 또한 H2O에 의한 산화속도의 증진효과와 예비산화단계에 기인하는 균일한 자연산화막의 형성으로 인해 산화막의 균일도도 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 500℃~700℃의 O2＋O3분위기에서 웨이퍼를 열산화시키는 예비 산화단계; 및
    상기 예비산화단계를 수행한 상기 웨이퍼를 900℃~1100℃이 O2＋O3, N2O, H2O의 분위기에서 열산화시키는 주산화단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산화막의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예비산화단계는 5분~20분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 주산화단계는 15초~600초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주산화단계는 50torr~760torr의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성방법.
  5. 웨이퍼 표면을 예비산화시키는 하부로;
    상기 하부로가 연장되어 상기 하부로의 상부에 위치하고 상기 예비산화된 웨이퍼 표면을 주산화시키는 상부로;
    상기 하부로 내부의 온도를 조절하기 위하여 상기 하부로의 외부에 설치된 하부히터;
    상기 상부로 내부의 온도를 조절하기 위하여 상기 상부로의 외부에 설치된 상부히터;
    상기 상부히터로부터 발생되는 복사열이 상기 하부로로 전달되는 것을 차단시키기 위하여 상기 상부히터의 하부에 설치된 열차단부;
    상기 하부로의 하부 개구부와 접속되고 상기 하부로 및 상기 상부로로 구성되는 챔버부로 웨이퍼를 로딩시키거나 언로딩시키는 웨이퍼로딩부;
    상기 웨이퍼로딩부를 구동시키는 구동부;
    상기 챔버부와 연통되어 상기 챔버부의 진공압력을 유지함과 동시에 산화반응 후의 잔류가스를 외부로 배출시키기 위한 배기부; 및
    산화를 위한 반응가스들을 상기 챔버부로 공급하는 가스공급부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부로는 700℃~1100℃ 범위의 온도 제어가 가능하고, 상기 하부로는 400℃~800℃ 범위의 온도제어가 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 상부로는 50torr~760torr의 진공압력을 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가스공급부는 O2＋O3가스와 N2O 가스 및 H2O를 상기 챔버부로 공급하는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 웨이퍼로딩부는 웨이퍼를 저장한 카세트가 놓여져 있는 록 챔버와, 상기 카세트의 웨이퍼를 이송하기 위한 트랜스퍼 암과, 상기 트랜스퍼 암으로 부터 이송되어 온 웨이퍼를 상기 챔버부로 로딩하기 위한 보트를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 구동부는 웨이퍼가 로딩된 상기 보트를 상기 챔버부로 이송하기 위한 트랜스퍼 로드와 상기 트랜스퍼 로드를 동작시키는 리프터를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 트랜스퍼 로드와 리프터간의 동력전달은 영구자석에 의한 마그네틱 커플링에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 구동부는 상기 보트를 상기 챔버부의 하부로와 상부로로 단계적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 산화막의 형성장치.
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