KR100245259B1 - 반도체제조장치, 로드록실의 산소농도 제어방법 및 자연산화막의 생성방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 웨이퍼를 열처리 하는 공간을 형성하는 반응관과 이 반응관의 주위에 설치된 가열수단과, 게이트 밸브에 의해 상기 반응관에 연접된 로드록실과, 이 로드록실에 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체를 공급하는 공급관과, 상기 로드록실에 연통된 배기관을 가지며 불활성 가스의 유량을 조절하는 불활성 가스 유량조절기와 산소를 함유하는 기체의 유량을 조절하는 산소가스 유량 조정기와 상기 배기관에 설치된 산소농도계 및 이 산소농도계의 검출 결과에 의해 로드록실 내가 소망의 산소농도를 유지하도록 상기 불활성 가스 유량 조절기, 산소가스 유량조정기에 의해 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체의 유량을 조절하고, 로드록실 내의 산소농도를 소망하는 값으로 조절하여 산화막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체의 제조장치.
Description
제 1 도는 본 발명의 1실시예를 나타내는 개략 설명도.
제 2 도는 n챤넬 MOS 트랜지스터의 모식도(模式圖).
제 3 도는 750℃ 분위기 내에 웨이퍼를 넣었을 때 웨이퍼 표면에 생성되는 n-SiO2막의 두께와 산소 농도와의 관계를 나타내는 그래프.
제 4 도는 종래예를 나타내는 개략 설명도.
제 5 도는 반도체 제조장치의 개략 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 웨이퍼 카세트 2 : 카세트 스토커
3 : 반응관 4 : 히터
5 : 로드록실 9 : 이동적재기
10 : 웨이퍼 11 : 가스공급노즐
12, 15, 17, 21, 24 : 에어밸브
13 : 유량조절기 18 : 진공펌프
22 : 유량조정기 25 : 산소농도계
26 : 제어기 28 : 보조배기관
본 발명은 로드록실을 가지는 반도체 제조장치에 관한 것으로, 특히 로드록실 내의 산소농도를 조절할 수 있는 반도체 제조장치와 로드록실 내의 산소농도를 제어하는 방법 및 로드록실 내의 산소농도를 제어함으로써 로드록실에서 웨이퍼에 자연산화막이 생성되는 것을 조절하는 자연 산화막의 생성방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼상에 박막을 생성시키거나 불순물의 확산 에칭등의 처리를 하여 반도체 소자를 제조하는 공정에 있어서는 자연산화가 제품의 품질이나 수율에 큰 영향을 주기 때문에 반도체 제조장치에는 반응로에 밀폐구조의 로드록실을 연설(漣設)하여, 처리가 끝난 고온의 피처리기판을 로드록실에 수납하고 자연산화를 방지하도록 하는 것이 있다.
제 5도에 의하여 로드록실을 가지는 반도체 제조장치에 대하여 설명한다.
피처리기판은 카세트에 장진된 상태로 반도체 제조장치에 이송되며, 반도체 제조장치 내에는 앞부분에 카세트 스토커(2), 후면 윗부분에는 반응관(3)이 있고, 이 반응관(3) 둘레에 히터(4)가 설치되어 있다. 또한 반응관(3) 하측에는 로드록실(5)이 기밀 설치되어 있다. 이 로드록실(5)과 반응관(3)은 게이트 밸브(6) 에 의해서 서로 접속되어 있고, 로드록실(5)의 내부, 반응관(3)의 아래에 보오드 엘리베이터(도시 생략)가 설치되어 있다.
이 보오드 엘리베이터는 웨이퍼(10)가 장진된 보오드(7)를 반응관(3)에 장입시키거나 인출한다. 또 로드록실(5)의 카세트 스토커(2)에는 게이트 밸브(8)가 설치되어 있고, 카세트 스토커(2)와 로드록실(5) 사이에 웨이퍼 이동 적재기(9)가 설치되어 있다.
웨이퍼(10)가 장진된 웨이퍼 카세트(1)는 카세트 스토커(2)에 반입되어 카세트 스토커(2)의 웨이퍼(10)가 웨이퍼 이동적재기(9)에 의해 게이트 밸브(8)를 통해 상기 보오드(7)에 이동된다.
상기 로드록실(5)내의 공기를 배출시켜 진공상태를 만든 다음 가스공급노즐(11)에 의해 로드록실(5)내에 불활성 가스를 충진시켜 불활성 가스 분위기에서 상기 게이트 밸브(6)를 열어 보오드(7)가 반응관(3)으로 들어가게 된다. 웨이퍼(10)의 처리가 끝나면 보오드(7)는 로드록실(5)로 인출되고 여기서 소요 온도에 이르기까지 냉각된 다음 게이트 밸브(8)가 열리어 웨이퍼 이동적재기(9)에 의해 보오드(7)로부터 카세트 스토커(2)의 웨이퍼 카세트(1)로 웨이퍼(10)가 이동하게 된다.
또 상기 로드록실(5) 안에서 처리된 고온의 웨이퍼(10)를 냉각시키는 경우, 산소가 존재하면 웨이퍼 표면이 자연 산화되어 산화막을 생성하게 되어 각종 디바이스 특성에 영향을 주게 되는 문제점이 있다.
또한 보오드(7)에 장진된 처리전 웨이퍼(10)가 고온 분위기(약 650~750℃)의 반응관(3)에 장입되면 로드록실(5) 내의 분위기 중의 산소가 고온하에서 웨이퍼(10) 표면과 반응하여 웨이퍼 표면에 자연산화막(n-SiO2막)을 생성하게 되고 자연산화막(n-SiO2막)은 예상했던 것보다 더 두꺼워져 결과적으로 n-SiO2막이 디바이스 특성에 영향을 주게 되는 문제가 발생한다. 이 때문에 상기한 바와 같이 로드록실(5)의 내부를 불활성 가스로 치환하고 자연 산화막의 생성을 억제하게 된다.
제 4도에 의해서, 종래의 로드록실 내부의 가스 분위기 제어장치를 설명하면 다음과 같다.
로드록실(5)을 통과하는 가스공급노즐(11)은 상하 방향으로 일정 간격을 두고 가스공급구멍(도시되지 않음)이 뚫어져 있고, 상하방향으로 분산하여 불활성 가스가 공급하도록 되어 있다.
가스공급노즐(11)은 불활성 가스 공급원(도시되지 않음)에 접속되고 가스공급노즐(11)이공급 라인에는 에어밸브(12)와 유량조절기(13)가 설치되어 있다.
또 로드록실(5)에는 불활성 가스 배스관(14)이 로드록실 내의 분위기를 원활하게 배기할 수 있도록 여러 개소(예를 들면, 제 4도에서는 2개소로 도시되어 있음)에서 서로 연통되어 있고, 상기 불활성 가스 배기관(14)에는 에어밸브(15)가 설치되어 있고, 배기관(16)에는 에어밸브(17)와 진공펌프(18)가 설치되어 있다.
종래의 가스분위기 제어장치로서 로드록실(5)내에 불활성 가스를 주입시켜 불활성 가스 분위기를 바꾸는 경우에는, 상기 에어밸브(12)와 에어밸브(15)를 열고 유량조절기(13)에 의해 유입되는 유량을 일정수준으로 유지시키고 불활성 가스를 로드록실(5)에 공급하여 로드록실(5)의 대기를 불활성 가스 배기관(14)에 의해 배기시키고 로드록실(5)을 불활성 가스로 치환하거나 또는 에어밸브(12) 및 에어밸브(15)를 닫고 에어밸브(17)을 열어서 진공펌프(8)에 의해 로드록실(5)을 일단 배기시킨 다음 상기 에어밸브(17)를 닫고 에어밸브(12)를 열어서 불활성 가스를 도입하여 로드록실(5) 내부를 불활성 가스를 치환시키고 대기압 상태에서 산소농도가 1ppm 이하가 될 때까지 로드록실(5) 내부를 치환시킨다.
상기한 어느 경우에도 완전한 불활성 가스분위기와 거의 같은 수준의 분위기까지 치환할 수는 있으나 산소농도의 제어는 불가능하다.
그러나 디바이스 [예를 들면 제 2 도의 MOS형 트랜지스터의 게이트 산화막(SiO2) 생성시]에 의해서는 처리 전 웨이퍼(10)를 고온 분위기의 반응관(3)에 장입 시킬때에는 웨이퍼 표면에 어느 정도의 적정한 자연 산화막의 형성이 바람직하고 이것은 본 발명자가 실험을 통해서 얻어진 데이터에 따르면, 1~2원자층정도(약 2Å 이하)의 n-SiO2막의 생성이 필요로 되었으나 종래의 것으로는 웨이퍼에 적정한 자연 산화막을 생성시킨다는 것은 기대할 수가 없었다.
본 발명은 이와같은 실정을 감안하여 웨이퍼를 고온 분위기내에 장입할때 생성되는 n-SiO2막의 생성을 제어하기 위하여 용기내 분위기의 산소농도를 임의의 값으로 제어할 수 있게 하고 또 밀폐용기의 가스혼합 농도를 소망하는 값으로 유지시키는 것을 가능하게 하는 것이다.
본 발명은 로드록실 내의 가스혼합 농도를 소망하는 값으로 유지시키는 것을 목적으로 하고 또 로드록실 내에서 자연 산화막의 생성을 가장 알맞게 하는 것을 목적으로 한다. 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 공간을 형성하는 반응관과 이 반응관의 주위에 배치된 가열수단과 상기 반응관에 게이트 밸브를 통해 연접하는 로드록실과 이 로드록실에 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체를 공급하는 공급관과 상기 로드록실 연통된 적어도 1계통의 배기관을 구비하는 반도체 제조장치에 관한 것으로, 상기 공급관에 유량 조정기를 설치함을 특징으로 하는 반도체 제조장치에 관한 것이다.
또한 상기 배기관에 산소농도계를 설치한 반도체 제조장치로서 불활성 가스 유량 조절기와 산소가스 유량 조정기와 이 유량 조절기 및 유량 조정기의 유량을 제어할 수 있는 제어기를 가지며 이 제어기가 산소농도계의 검출결과에 따라 로드록실 내를 소망의 산소농도를 유지시킬 수 있게 상기 유량조절기, 유량조정기에 의해 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체의 유량을 제어하는 반도체 제조장치에 관한 것이다.
산소를 함유하는 기체는 로드록실 내로 유입되기 전에 불활성 가스와 혼합되도록 된 반도체 제조장치에 있어서, 산소 농도계 용의 배관을 로드록실에서 독립되게 설치한 반도체 제조장치로서 상기 배기관이 진공펌프에 접속된 배기관과 불활성 가스 배기관 및 산소 농도계 용 배기관으로 이루어진 반도체 제조장치이며 불활성 가스는 N2, Ar, He로부터 선택된 기체로 구성되는 반도체 제조장치이고 산소를 함유하는 기체는 공기 O2, N2O, NO로부터 선택된 기체로 구성되는 반도체 제조장치이다.
또한 실리콘 웨이퍼는 열처리하는 고간을 형성하는 반응관과 이 반응관의 주위에 배설된 가열수단과 상기 반응관에 게이트 밸브에 의해 연결된 로드록실과 이 로드록실에 연통된 불활성 가스 및 산소를 함유하는 기체를 공급하는 공급관과 산소 농도계와 불활성 가스 유량 조절기 및 산소 가스 유량 조정기를 갖는 반도체 제조장치로서 산소 농도계의 검출 결과를 근거로 하여 유량조절기, 유량조정기에 의해 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체의 유량을 제어하고 로드록실내의 산소농도를 소망하는 값으로 유지시킬 수 있도록 제어하는 로드록실 산소 농도의 제어방법으로, 산소를 함유하는 기체는 공기, O2, N2O, NO로부터 선택된 기체이고, 1~100ppm의 산소농도로 로드록실 산소 농도를 제어하는 수단으로 2Å이하의 자연 산화막을 생성할 수 있도록 산소농도를 제어하는 로드록실 산소농도 제어방법으로, 1~2 원자층의 자연 산화막을 생성할 수 있도록 산소농도를 제어하는 로드록실 산소 농도의 제어방법에 관한 것이다.
또 고온 분위기의 반응실을 형성하는 반응관과 이 반응관에 게이트 밸브를 통해 연접된 로드록실을 갖는 반도체 제조장치에 있어서, 로드록실에 산소를 함유하는 기체를 유입시키고 로드록실 내를 소망하는 산소농도로 제어한 상태에서 웨이퍼를 로드록실로부터 반응관 내로 장입시키고, 웨이퍼 장입과정에서 웨이퍼 표면에 소망의 자연 산화막을 생성시키는 자연 산화막 생성방법으로서, 산소를 함유하는 기체가 공기 O2, N2O, NO로부터 선택된 기체로부터 이루어지는 자연 산화막의 생성방법으로, 로드록실 내의 산소농도를 1~100ppm의 농도로 제어하는 자연 산화막 생성방법에 있어서, 웨이퍼 표면에 2Å 이하의 자연 산화막을 생성하게 하는 자연 산화막의 생성방법이며 또한 웨이퍼 표면에 1~2 원자층의 자연 산화막을 생성시키는 자연 산화막의 생성방법에 관한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 1 실시예를 설명한다.
제 1 도와 제 4 도에서 도시된 부분중 동일한 부분은 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
가스공급노즐(11)에 연통된 공급관(19)의 유량조절기(13)로부터 하류에 산소공급관(20)을 연통시키고 이 산소공급관(20)에 상류측으로부터 에어밸브(21) 유량조정구(22)를 설치한다.
로드록실(5)에 보조배기관(23)의 상류단을 연통시키고, 하류단을 불활성가스 배기관(14)의 에어밸브(15)를 연통하고, 상기 보조 배기관(23)의 상류측으로 부터 에어밸브(24), 산소농도계(25)를 설치한다. 이 산소농도계(25)로부터의 신호는 제어기(26)에 입력되고 이 제어기(26)는 산소 농도계(25)의 신호에 의해 상기 유량조절기(13)와 유량조정구(22)를 제어하게 된다.
이하 작동에 대해서 설명한다.
에어밸브(12), 에어밸브(15), 에어밸브(24)를 열고, 유량조절기(13)에 의해 유입되는 유량을 소정의 값을 가질 수 있게 불활성 가스(예를 들면, N2, Ar, He 등)를 로드록실(5) 내로 공급하고, 용기 내의 대기를 불활성 가스 배기관(14)과 보조배기관(28)에 의해 배기시키고, 로드록실(5) 내를 불활성 가스로 치환시킨다.
산소농도계(25)는 배기중의 산소농도를 측정하고 제어기(26)에 측정농도를 피드백 시킨다. 제어기(26)는 산소의 측정농도가 소정치에 도달하면 상기 에어밸브(21)를 열어서 유량조절기(13)와 유량조정기(22)를 제어하고 산소가스의 유입유량 또는 불화성 가스와 산소가스와의 혼합비를 조정하고 로드록실(5) 내의 산소가스 농도를 소정의 값으로 유지한다.
또 상기 에어밸브(12), 에어밸브(21), 에어밸브(15), 에어밸브(24)를 닫고 에어밸브(17)를 열어서 진공펌프(18)로서 로드록실(5) 내를 일단 배기시킨 다음 에어밸브(17)를 닫고, 상기 에어밸브(12), 에어밸브(21), 에어밸브(15), 에어밸브(24)를 열어서 가스공급노즐(11) 산소공급관(20)에 의해 불활성 가스, 산소 가스를 소정의 혼합율로 도입시키고 불활성 가스 배기관(14), 보조배기관(23)으로 배기시킨 다음 로드록실(5) 내부를 소정의 산소농도를 갖도록 불활성 가스로 치환한다.
여기서 산소가스는 불활성 가스와 합류하여 가스공급 노즐에 의해 유입되며 불활성 가스에 의해 희석되고 로드록실에 유입된 후 확실하게 균일 분산된다. 또한 상기 산소농도계(25)에 의해 배기된 배기 가스중의 산소가스 농도를 검출하고, 검출 산소 가스 농도와 설정 산소가스 농도와의 차를 상기 제어기로로 비교 연산하여 배기 가스중의 산소농도가 소정치가 되도록 유량조정기(22) 또는 유량조절기(13)를 조절하고, 산소가스유량 또는 불활성 가스 유량을 조정하여 로드록실(5) 내의 산소가스 농도를 설정치로 조정한다. 로드록실(5) 내의 농도가 소정치가 된 후는 상기 보조배기관(23) 보다 소량의 가스를 배기시켜 로드록실(5) 내의 산소 가스 농도를 감시하고 검출결과를 제어기(26)에 피이드백 하여 상기 유량조절기(13)와 유량조정기(22)를 제어함으로서 로드록실(5) 내를 소정의 산소가스농도로 유지시킨다.
따라서 로드록실(5)내의 산소가스 농도를 임의로 제어할 수 있고, 웨이퍼 장입시 웨이퍼 표면에 가장 알맞는 두께의 막을 가진 자연 산화막을 얻을 수 있다.
제 3도에 고온 분위기(약 750℃)의 반응실 내에 웨이퍼(10)를 장입시킬 때 로드록실(5) 내의 산소농도와 웨이퍼 표면에 형성되는 n-SiO2막과의 관계를 나타낸다. 제 3도에 의하면, 웨이퍼 표면상에 1~2 원자층(약 2Å 이하)의 n-SiO2막을 생성시키기 위해서는 로드록실의 산소농도를 1~100ppm까지의 범위로 제어하면 된다. 또 본 발명에 쓰이는 혼합가스(산소가스)는 산소를 함유하는 기체(예를 들면 O2, N2O, NO)이면 좋으나 로드록실 내에 유입되는 불활성 가스가 N2인 경우에는 O2, N2O, NO 등을 사용하면 보다 양질의 n-SiO2막을 생성시킬 수 있다.
또 상기 실시예에서는 본 발명을 반도체 제조장치에 실시하였으나 그 외의 정밀기구를 수납하는 공간, 밀폐용기 내를 소정의 가스성분 분위기로 하는 경우 가스농도 제어에도 실시 가능하다. 더욱이 산소 공급관만 아니라 혼합하고자 하는 가스의 공급라인, 가스농도 검출라인을 여기에 접속시켜 여러 종류의 가스를 혼합하여도 좋다. 또 배기관(23)과는 별도로 산소농도계용의 배관을 별도로 설치하여 이 배관에 산소 농도계를 달아서 로드록실 내의 산소농도를 측정할 수도 있다.
또 산소 공급관은 불활성 가스 공급라인 도중에 접속시켰으나 산소가스 공급용 노즐을 별도 밀폐실 내에 설치하더라도 좋다, 다만, 전술한 바와 같이 상기 방식에 의해 접속시키는 것이 산소가 로드록실 내에서 확실히 분산되어 균일하게 유입시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 로드록실 내의 분위기 가스를 소망의 성분으로 바꿀 수 있고, 본 발명을 반도체 제조장치에 실시하여 혼합가스를 산소가스로 치환함으로써 웨이퍼 표면에 생성되는 자연 산화막의 두께를 디바이스에 가장 적합하게 할 수 있어 제품의 품질 향상을 도모할 수 있다.
Claims (13)
- 실리콘 웨이퍼를 열처리 하는 공간을 형성하는 반응관과, 이 반응관 주위에 설치된 가열수단과 게이트 밸브에 의해 상기 반응관에 연접된 로드록실과 이 로드록실에 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체를 공급하는 공급관과, 상기 로드록실에 연통된 배기관을 가지는 반도체 제조장치에 있어서, 상기 불활성 가스의 유량을 조절하는 불활성 가스 유량조절기와 산소를 함유하는 기체의 유량을 조정하는 산소가스 유량조정기와 상기 로드록실 내의 산소농도를 측정하는 산소 농도계와 이 산소 농도계의 검출결과에 따라 로드록실이 소망의 산소농도를 유지할 수 있도록 상기 불활성 가스 유량 조절기, 산소가스 유량 조정기에 의해 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체의 유량을 조절하는 제어기 등을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 배기관에 산소 농도계를 설치하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 산소를 함유하는 기체는 로드록실 내로 유입되기 전에 불활성 가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 산소농도계용 배관은 로드록실로부터 독립하여 설치한 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 배기관이 진공펌프에 접속된 배기관과, 불활성 가스 배기관과, 산소농도계용 배기관으로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 불활성 가스가 N2, Ar, He로부터 선택된 기체임을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 산소를 함유ㅎ라는 가스는 공기 O2, N2O, NO로부터 선택된 기체임을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
- 실리콘 웨이퍼를 열처리 하는 공간을 형성하는 반응관과 이 반응관 주위에 설치된 가열수단과, 게이트 밸브에 의해 상기 반응관에 연접된 로드록실과, 이 로드록실에 연통되는 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체를 공급하는 공급관과, 산소농도계와 불활성 가스 유량조절기와, 산소가스 유량조정기를 가지는 반도체 제조장치에 있어서, 산소농도계의 검출결과에 근거하여 유량조절기, 유량조정기에 의해 불활성 가스와 산소를 함유하는 기체의 유량을 제어하고, 로드록실 내의 산소농도를 소망하는 값으로 유지할 수 있게 제어하는 것을 특징으로 하는 로드록실의 산소농도 제어방법.
- 제 8 항에 있어서, 산소를 함유하는 가스는 공기 O2, N2O, NO로 부터 선택된 기체임을 특징으로 하는 로드록실의 산소농도 제어방법.
- 제 9 항에 있어서, 산소의 농도는 1~100ppm의 범위내로 제어함을 특징으로 하는 로드록실의 산소농도 제어방법.
- 제 10 항에 있어서, 2Å 이하의 자연 산화막을 생성하도록 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 로드록실의 산소농도 제어방법.
- 제 10 항에 있어서, 1~2 원자층의 자연 산화막을 생성하도록 산소농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 로드록실의 산소농도 제어방법.
- 고온 분위기의 반응실을 형성하는 반응관과, 이 반응관에 게이트 밸브에 의해 연접되는 로드록실을 갖는 반도체 제조장치에 있어서, 이 로드록실에 산소를 함유하는 기체를 유입시키고, 로드록실 내를 소망하는 산소농도로 제어한 상태에서 웨이퍼를 로드록실로부터 반응관 내로 장입시키고, 웨이퍼 장입 과정에서 웨이퍼의 표면에 소망하는 자연 산화막을 생성시키는 것을 특징으로 하는 자연 산화막의 생성방법.
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