KR100400488B1 - 냉벽화학기상증착용방법및장치 - Google Patents

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Abstract

CVD 반응기(30)은 진공 챔버(32)를 포함하고, 진공 챔버(32)는 그 안에 위치하는 제 1 및 제 2 열판(54, 94)과, 그 외곽부 주위에 위치하는 두 개의 독립적으로 제어되는 다중-죤 열원(44, 64)을 가진다. 상기 제 1 열원(44)은 세 개의 죤(44a-44c)를 가지고, 상기 제 2 열원(64)은 두 개의 죤(64a-64b)를 가진다. 웨이퍼(12)는 상기 제 1 열판(54) 아래이면서 상기 제 2 열판 직상에 놓임으로써, 상기 제 1 열원(44)에 의해 제 1 열판(54)를 통해 간접적으로 가열되고 상기 제 2 열원(64)의 제 1 죤(64b)에 의해 상기 제 2 열판(94)를 통해 아래로부터 간접적으로 가열된다. 상기 웨이퍼(12)의 단부를 측면으로 둘러싸는 열 고리판(78)은 제 2 열원(64)의 제 2 죤(64a)로부터 발산되는 열에너지를 흡수하고 웨이퍼(12)의 외곽 단부를 가열한다. 끼워 넣어진 센서(60, 86)는, 일정 온도를 유지할 수 있도록, 온도를 측정하여 열원(44, 64)에 공급되는 동력을 조정하는 컴퓨터(190)에 제공한다.

Description

냉벽 화학 기상 증착용 방법 및 장치
폴리실리콘은 반도체 소자의 제조에 널리 이용되고 있다. 일반적으로, 폴리실리콘은, 도 1에 나타나고 여기에 참고자료로 함께 실려있는 클루워 아카데믹 퍼블리숴가 펴낸 T. 카민스(Kamins)가 쓴 1988년판 "집적 회로에 적용되는 다결정 실리콘 (Polycrystalline Silicon for Intergrated Circuit Applications)" 12쪽 내지 14쪽에 설명되고 있는 바와 같이, 열벽(hot wall) CVD 반응기 10 내에 실란 또는 디클로실란 및 수소를 주입함으로써 실리콘 웨이퍼 상에 증착된다.
그러나, 도 1에 나타난 챔버 10과 같은 열벽 챔버는 문제점이 있다. 예를 들면, 웨이퍼 12의 CVD 처리 중, 챔버 10의 표면은, 얇은 층의 반응성 가스가 챔버 10의 벽 14 상에 형성되기에 충분할 정도로 뜨거워진다. 상기 층이 더욱 더 두꺼워짐에 따라 벽 14를 찢어지게 해서 웨이퍼 12를 오염시킨다. 또한, 이러한 층의 형성은 상기 웨이퍼 12 상에 기상 증착이 거의 일어나지 않도록 또는 아예 일어나지 않도록반응성 가스를 고갈시킨다.
이러한 문제에 대하여, 실리콘 웨이퍼가 가열 척(chuck) 상에 놓이고 그 외표면 상에 제공되는 유도 코일을 가지는 진공 챔버 내로 삽입되는 "냉벽" 방법이 개발되었다. 상기 가열 척은 유도 코일로부터 RF 에너지를 흡수하여 간접적으로 상기 웨이퍼를 가열한다. 상기 진공 튜브 벽은, 그 벽이 상기 유도 코일로부터 발산되는 RF 에너지를 흡수할 수 없도록 방사 열에너지에 투명하고 비-방해적이다. 따라서, 상기 진공 튜브의 벽은 상대적으로 차갑고 반응 온도 (즉, 상기 웨이퍼의 온도) 미만으로 유지된다. 따라서, 상기 진공 챔버의 벽 상에서 매우 작은 기상 증착이 일어난다.
냉벽 CVD 반응기에는 각각의 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 없다는 중요한 제한이 있다. 웨이퍼에 균일한 형식으로 열을 단순히 인가하면 상기 웨이퍼의 중심부와 외부 사이에 현저한 온도차를 유발한다. 도 2a는 냉벽 CVD 반응기(도시 안됨)내의 열원 16으로부터 발산되는 방사에 의해 균일하게 가열되는 웨이퍼 12의 단면도를 보여준다. 도 2b는 웨이퍼 12의 방사 열 손실의 전형적인 패턴을 보여준다. 웨이퍼 12의 단부에서의 열 손실은 웨이퍼 12의 중심부에서의 열 손실에 비해 크므로, 웨이퍼 12의 단부 및 중심부 사이에서 온도차를 가져온다. 이러한 온도차가 도 2c에 도식적으로 나타나 있다. 선 18은 도 2b에 나타난 웨이퍼 12의 단면에 걸친 거리의 함수로 본 웨이퍼 12의 온도를 보여준다.
웨이퍼 12 상의 반응성 가스의 증착 속도는 웨이퍼 12의 온도에 비례한다. 따라서, 웨이퍼 12의 중심부 및 단부 사이의 온도 편차는 바람직하지 못하게 그러한 재료의비-균일한 층의 증착 (비-균일한 두께의 층)을 유발할 것이다. 예를 들면, 폴리실리콘의 증착 속도는 1℃상 2.0 내지 2.5 퍼센트의 차이를 가져올 수 있다 (솔리드 스테이트 테크놀로지 1977년 4월호의 R. S. 로슬러(Rosler)가 쓴 "폴리, 질화물 및 산화물용 저압 CVD 제조방법"의 63쪽 내지 70쪽을 보라).
웨이퍼 단부에서의 높은 열손실을 보상하기 위한 하나의 방법으로는, M. 모슬레히(Moslehi) 등이 쓴 텍사스 인스트루먼트 테크니컬 저널 1992년 9-10월호인 Vol. 9, No. 5의 44쪽 내지 45쪽에 설명되어 있는 것처럼 멀티-죤 열원을 사용함으로써 상기 웨이퍼의 단부를 좀 더 가열하는 것이 있다. 그렇지만 상기 방법은 그렇게 효과적이지 못하다. 열원이 지향성이지 못하므로 (즉, 열원으로부터 모든 방향으로 발산되므로), 이와 같은 추가적인 열에너지를 웨이퍼 12의 단부만으로 향하게 한다는 것은 거의 불가능하다. 웨이퍼 12의 단부를 향하는 열에너지의 일부는 웨이퍼 12의 단부로부터 5mm 만큼 떨어진 웨이퍼 12의 일부를 가열할 것이다. 따라서, 여전히 웨이퍼 12의 단부 및 중심부 사이에는 바람직하지 못한 온도 편차가 존재하게 된다.
냉벽 CVD 방법의 또 다른 문제점은 처리 속도에 제한적이라는 것이다. 반응성 가스가 저분압으로 즉, 약 10 mTorr 미만으로 유지되는 경우, 그 증착 속도는 주로 온도의 함수이다. 증착 속도는 반응성 가스의 분압을 증가시키면 빨라질 수 있다. 그러나, 고분압에서 증착 속도는 온도뿐만 아니라 웨이퍼 표면 위로의 가스의 분포 패턴에도 의존하게 된다. 챔버 내에 목적물과 부딪치는 반응성 가스 때문에 챔버 내에서 발생하는 난류뿐만 아니라 반응성 가스가 챔버내로 유입되는 속도 때문에챔버 내에서 진정한 가스 층류를 얻는다는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 그러한 분포 패턴을 정확히 제어하기 어렵기 때문에, 웨이퍼 12 상에 균일한 층으로 증착이 얻어질 수 있으면서 반대로 증착 속도를 바람직하지는 못하지만 제한하도록, 반응성 가스를 저분압으로 유지할 필요가 있게 된다.
폴리실리콘의 증착 속도는 일반적으로는 10 mTorr에서 100-200 Å/min 정도이다. 백여장의 웨이퍼가 동시에 처리되는 일반적인 열벽 CVD 방법에서, 그 정도의 증착 속도는 만족스러운 것이다. 그러나, 냉벽 CVD 방법에서는, 단지 한 장의 웨이퍼만이 한 번에 처리된다. 따라서, 냉벽 CVD 장치에서는, 100-200 Å/min 정도의 증착 속도라면 웨이퍼 처리량이 만족스럽지 못하게 낮게 된다. 따라서, 증착층의 균일성에 어떤 희생을 가하지 않으면서 처리 속도의 향상을 가져올 수 있는 냉벽 CVD 장치에 대한 요구가 있어 왔다.
본 발명은, 냉벽(cold wall) 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 방법 챔버에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 웨이퍼를 진공 챔버 내에서 일정 및 균일 온도로 유지시키고 상기 챔버 내로의 반응성 가스의 주입을 제어함으로써 균일한 박막층이 상기 웨이퍼 상에 증착되도록 하는 것에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 열벽 CVD법 설치를 나타낸다.
도 2a-2c는 냉벽 CVD 챔버 내에서 처리되는 실리콘 웨이퍼의 열 손실 패턴을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 냉벽 CVD법 반응기의 정면도이다.
도 4는 도 3의 CVD 반응기의 정단면도이다.
도 5a 및 5b는 도 3 및 도 4의 CVD 반응기내에 진공 챔버의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티-죤 가열 어셈블리를 보여주는 도 5a 및 5b의 진공 챔버 일부에 대한 분해도이다.
도 7은 본 발명에 따른 멀티-가스 인젝터의 투시도이다.
도 8은 도 7의 멀티-가스 인젝터의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다층 가스 인젝터를 보여준다.
도 10a는 도 6에서 보여준 멀티-죤 가열 어셈블리의 일부에 대한 단면도이다.
도 10b는 도 10a의 가열 어셈블리의 저면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 온도 제어 시스템의 개략도이다.
상술한 종래 기술에 의한 문제점을 극복할 수 있는 개선된 냉벽 CVD 반응기가 개시된다. 본 발명에 따르면, 상기 CVD 반응기는 그 안에 놓여지는 제 1 및 제 2 열판을 가지는 진공 챔버와 그 외곽 주위에 놓여지는 두 개의 독립적으로 제어되는 멀티-죤 열원을 포함한다. 상기 제 1 열원은 세 개의 독립적으로 제어되는 죤을 가지고 상기 제 2 열원은 두 개의 독립적으로 제어되는 죤을 가진다. 처리될 웨이퍼는 상기 제 1 열판 아래이면서 상기 제 2 열판 직상에 놓여진다. 상기 웨이퍼는 상기 제 1 열판을 통해 상기 제 1 열원에 의해 위편으로부터 간접적으로 가열되고 상기 제 2 열판을 통해 상기 제 2 열원의 제 1 죤에 의해 위편으로부터 간접적으로 가열된다. 상기 웨이퍼의 단부를 측면으로부터 둘러싸는 열판 고리가 제 2 열원의 제 2 부분으로부터 발산되는 열에너지를 흡수하고 상기 웨이퍼의 바깥쪽 단부를 가열한다.
상기 웨이퍼가 약 5 RPM으로 회전하기 때문에, 반응성 가스가 복수개의 독립적으로 회전 가능한 노즐을 가지는 가스 인젝터에 의해 상기 챔버내로 주입된다. 각 노즐을 통하는 가스의 방위 및 흐름은, 상기 반응성 가스가 상기 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 매우 균일한 형식으로 분포될 수 있도록 조절될 수 있다. 이렇게 높은 균일성 때문에, 반응성 가스의 분압이 높아질 수 있어서 웨이퍼 위에 증착되는 막의 균일성을 희생하지 않고 그 증착 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 제 1 열판 내에 묻혀있는 제 1 센서는 제 1 열판의 온도를 측정하고 이 온도를 반대로 제 1 열판을 일정 온도로 유지하는 제 1 열원의 제 1 죤으로 향하는 전원을 조절하는 컴퓨터로 보낸다. 컴퓨터는 제 1 열원의 제 2 및 제 3 죤의 열 강도를, 웨이퍼에 걸쳐서 균일한 온도가 유지될 수 있도록, 제 1 죤의 열 강도의 소정 인자로 유지한다.
상기 열판 고리 내에 묻혀있는 제 2 센서는 상기 열판 고리의 온도를 컴퓨터로 보낸다. 상기 온도에 응하여, 컴퓨터는 제 2 열원의 제 2 죤의 강도를 조절하여 상기 열판 고리를 일정 온도로 유지한다. 컴퓨터는 제 2 열원의 제 1 죤의 강도를, 웨이퍼가 균일한 온도에서 유지될 수 있도록, 즉, 상기 웨이퍼의 외곽 단부 및 중심부 사이의 온도 편차를 최소화할 수 있도록 제 2 죤의 강도의 소정 인자로 유지한다.
도 3 내지 11을 참고로 바람직한 실시예에 대하여 설명할 것이다. 같은 부품에 대해서는 같은 도면번호로 표시되었다. 상술한 바람직한 실시예의 조업에 대해서 웨이퍼 12 위에 폴리실리콘을 증착하는 것에 관하여 아래에서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는, 본 발명의 장점을 여전히 이루어내면서 웨이퍼 위에 적당한 재료를 증착하는데 사용된다는 것이 이해되어야 한다.
먼저 도 3-6에서, 화학 기상 증착(CVD) 반응기 30은 상면 34 및 하면 36을 가지는 진공 챔버 32를 포함한다. 상판 34 및 하판 36은 모두 수냉식이다. 상판 34에 O-링으로 및 하판 36에 O-링으로 측벽 38이 부착되고 진공 밀봉된다(도 5).
반응기 30에 의해 처리되는 웨이퍼 12가 챔버 32내에 놓여져 있다. 반응성 가스가 가스 인젝터 40을 통하여 챔버 32내로 주입되고 적당한 진공 펌프(도시안됨)를 사용하여 호스 42를 통해 챔버 32로부터 제거된다. 적외선 열에너지가 아래에 설명되는 바와 같이, 상기 웨이퍼 위에 놓이는 제 1 열원으로부터 및 상기 웨이퍼 아래에 놓이는 제 2 열원으로부터 챔버 32로 인가된다.
상부 램프 어셈블리 43이 상판 34 위에 놓이고 (도 3) 열 아홉(19)개의 2-킬로와트 텅스텐 할로겐 램프 44a-44c를 포함한다 (도 4). 그것을 통해 램프 44a-44c로부터 발산되는 적외선 에너지가 지나가고 챔버 32 내에 놓인 웨이퍼 12를 가열하는 상부 쿼츠 윈도우 45가 상판 34내에 장착되고 그에 클램프 46에 의해 부착된다. O-링 48, 49는 상부 쿼츠 윈도우 45 및 챔버 32 사이에 진공 씰링을 형성한다. 클램프 46은 상부 쿼츠 윈도우 45에 하방 압력을 가함으로써 상부 쿼츠 윈도우 5 및 흑연 가스켓 50 사이에서 고정되어 안정적으로 설치된다. 클램프 46은 볼트 52 (도 4-6)에 의해 상판 34에 고정된다.
상부 램프 어셈블리 43내의 램프 44a-44c로부터 발산되는 적외선 에너지는 웨이퍼 12의 상면 위로 약 0.5 및 0.75 인치 사이에 놓이는 흑연 열판을 가열한다 (도 5 및 6). 열판 54는 판 54의 급속 열 순환이 가능하도록 낮은 비열을 가지는 것이 바람직하다. 복수개의 클립 56이 열판 54를 절연 쿼츠 고리 58에 고정한다 (단순화하기 위해 도 5에는 하나의 클립만이 나타나 있음). 쿼츠 고리 58은 열판 54 및 상판 34 사이의 열 전도를 감소시킨다. 열판 54의 온도는 그 안에 끼워 넣어진 열전대 60에 의해 측정된다 (도 5a).
하부 램프 어셈블리 62는 하판 36 아래에 놓여 있고 (도 3) 열여덟개의 2-킬로와트 램프 64a 및 64b를 포함한다. 상부 쿼츠 윈도우 45가 상판에 밀봉되고, 하부 쿼츠 윈도우 66이 하판 36 내에 제공되어 하판 36에 클램프 68, O-링 70, 71 및 흑연 가스켓 72를 통해 진공 씰링된다 (도 5).
웨이퍼 12는 웨이퍼 12의 외측 단부가 원형 흑연 캐리어 74 상에 걸릴 수 있도록 놓여진다 (도 5a-5b). 바람직하게는, 캐리어 74가 비열을 최소화하도록 가능하면 얇아야 한다 (즉, 약 0.1 인치). 이렇게 낮은 비열 때문에 캐리어 74의 급속 열 순환이 가능해진다.
가열 블록 78은 고리 74의 외측 부분 직하에 놓인다. 고리 74의 외측 단부는, 캐리어 74의 저면 및 가열 블록 78의 상면이 약 0.04 인치까지 떨어지도록 가열 블록 78의 내측 단부와 겹쳐져 있다. 쿼츠 고리 80은 가열 블록 78 및 하판 36 사이의 절연을 제공한다. 가열 블록 78 내에 끼워 넣어진 열전대 86 (도 5b)은 챔버 32의 외부로부터 열전대 클램프 90 내의 O-링 88에 의해 밀봉되고, 상기 열전대 클램프 90은 반대로 측벽 38에 O-링에 의해 밀봉된다.
캐리어 74는 열판 94에 부착되어 있는 쿼츠 고리 93에 의해 지지된다. 판 94는 흑연이고 판 94의 급속 열 순환이 가능하도록 낮은 비열을 가지는 것이 바람직하다. 판 94는 하부 쿼츠 윈도우 66 내의 개구를 통하여 챔버 내에 뻗어 있는 튜브 96의상부 말단에 연결된다. 튜브 96은 관통하여 외부 분위기 (도 4)로부터 진공 챔버를 밀봉시키는 페로플루이딕 씰링 98 내에서 자유롭게 회전할 수 있다. 튜브 96의 하부 말단은 샤프트 어댑터 100과 연결되고 그에 밀봉된다. 벨트 102는 튜브 96과 연결되는 제 1 풀리 104 및 모터 108과 연결되는 제 2 풀리 106 주위에 놓인다. 모터 108은 풀리 106에 끼워지고 튜브 96이 회전하기 때문에 캐리어 74 및 그에 따라 웨이퍼 12가 회전하게 만든다.
튜브 96 내에 놓여지는 샤프트 110은, 반대로 리프트 블록 114에 연결되는 주름 상자 112의 안쪽 부분에 부착되는 하부 말단을 가진다. 리프트 블록 114는 모터 116에 의해 편심 어셈블리 118을 통해 수직으로 구동된다. 샤프트 110의 상부 말단은 샤프트 어댑터 122를 통해, 그것에 부착돼 있는 리프트 핀 124를 가지는 쿼츠 핀 홀더 120에 부착된다 (도 5 및 6). 리프트 핀 124는, 웨이퍼 12가 로봇 암(단순화하기 위해 나타내지 않음)을 통해 챔버 32로부터 제거될 수 있도록 캐리어 74 위로 웨이퍼 12를 상승시키는데 사용된다.
그 안에 놓인 가스 기구 126을 가지는 플러그 125는 상판 34 내에 제공되어 채널 128에 연결된다 (도 4 및 5). O-링 130이 외부 분위기로부터 플러그 124를 밀봉하는 반면 O-링 132는 챔버 32의 내부로부터 플러그 124를 밀봉한다. 가스 기구 126 내로 주입되는 아르곤은 채널 128을 통해 흘러서 화살표 133으로 표시된 (도 5) 열판 54 및 상부 쿼츠 윈도우 45 사이의 영역 내에 있는 챔버 32로 도입된다.
도 6 및 7에서, 가스 인젝터 40은, 그 옆에 위치하는 여섯 개의 독립적으로 회전 가능한 노즐 152를 포함한다. 일부 실시예에서, 노즐 152는 수직 및 수평 방향으로회전한다. 노즐 152는 반응성 가스의 흐름을 웨이퍼 12의 표면으로 향하게 한다. 노즐 152 각각은 관련 제어 스크류 154를 가져서 각 노즐 152로부터 방출되는 가스의 유량 및 유속을 제어한다.
가스 인젝터 40은 클램프 162에 의해 하판 36에 고정된다 (도 4 및 8). O-링 164는 가스 인젝터 40을 하판 36에 대해 밀봉한다. 클램프 167이 또한 인젝터 40을 제 위치에 고정하는데 사용될 수 있다. 인젝터 40이 밑쪽에 제공되는 워터 기구는 어셈블리 40 내에 워터 라인 170에 연결된다. 워터는 인젝터를 냉각시킬 수 있도록 라인 170을 통해 순환한다.
튜브 172 내로 주입되는 반응성 가스는 가스 라인 174를 통해 흐르고 인젝터 40의 어셈블리 150내의 챔버 176 내로 도입된다 (도 8). 어셈블리 150 내에 놓이는 여섯 개의 가스 라인 178 (단순화하기 위해 한 개만 나타내었음)은 챔버 176에 연결되는 제 1 말단 및 노즐 152 중 관련된 것과 연결되는 제 2 말단을 가진다. 전술한 바와 같이, 노즐 152 각각을 통한 가스 흐름은 가스 라인 178 중 관련된 것과 연결되는 제어 스크류 154 중 관련된 것을 통해서 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 가스 인젝터 40에 도 9에 보여진 바와 같이 하나씩 쌓여서 두 개의 어셈블리 150이 제공될 수도 있다. 이러한 배열 때문에 두 개의 서로 다른 반응성 가스가 챔버 132내로 주입될 수 있게 된다.
상술한 가스 인젝터 40 때문에 웨이퍼가, 웨이퍼 12 상에 증착되는 폴리실리콘 막의 균일성을 열화시키지 않고 종래의 냉벽 CVD 장치의 것에 비해 훨씬 빠른 속도로 처리될 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 폴리실리콘의 증착 속도는 반응성 가스의분압을 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 분압이 약 10 mTorr를 초과하면, 웨이퍼 12의 표면에 걸친 반응성 가스의 분포 패턴에 있어서의 편차가 웨이퍼 12 상에 증착되는 폴리실리콘 막의 균일성에 있어서의 매우 현저한 편차를 가져오게 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 반응성 가스가 인젝터 40으로부터 챔버 32내로 분산되는 동안 웨이퍼가 회전한다. 이러한 웨이퍼 12의 회전이 웨이퍼 12 전 표면에 걸친 증착에 요구되는 가스의 양을 균등화하는 결과를 가져온다. 따라서, 반응성 가스 분포 패턴에 있어서의 비균일성이 웨이퍼 12 상에 증착되는 폴리실리콘 막의 균일에 훨씬 미약한 충격을 주게 된다. 그럼에도 불구하고, 폴리실리콘의 가능한 한 최고의 균일성을 얻을 수 있도록 반응성 가스의 분포 패턴의 균일성을 최대화하는 것이 바람직하다. 반응성 가스 분포 패턴의 균일성은 노즐 152 각각으로의 가스 방위 및 유속을 조작함으로써 최적화될 수 있다.
반응성 가스의 분포 패턴의 의미를 최소화하면 반응성 가스의 분압은, 2500 Å/min을 초과하는 증착 속도로 폴리실리콘을 증착하게 할 수 있는 약 200 mTorr 까지 증가할 수 있게 된다. 웨이퍼 12 위에 증착되는 폴리실리콘 막의 균일성을 희생시키지 않으면서 이렇게 증착 속도를 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 웨이퍼 12의 표면에서의 가스 경계막을 줄임으로써, 가스 인젝터 40은 종래의 냉벽 CVD 반응기에서보다 주어진 분압에서 더 높은 증착 속도를 가능하게 한다.
도 10a는 수냉 상부 램프 어셈블리 43의 단면도이다 (또한, 도 4를 보라). 램프 어셈블리 43내에 제공되는 램프 소켓 171이 상술한 램프 44a-44c를 수용한다. 워터 기구 173을 통해 램프 어셈블리 43내로 펌핑된 물은 램프 어셈블리 43 내를 순환하며 냉각한다. 램프 소켓 171은, 덕트 179를 통해 램프 어셈블리 43에 도입되어 덕트 175를 통해 램프 어셈블리 43을 벗어나는 공기에 의해 냉각된다. 전원은 소켓 177을 통해 램프 어셈블리 40으로 제공된다.
도 10b는 상부 램프 어셈블리의 저면도로, 세 개의 독립적인 동심 가열 죤 178, 180, 182를 보여준다. 외곽 죤 178은 열 두개의 램프 44a로 이루어지는 외부 고리를 포함하고, 중간 죤 180은 여섯 개의 램프 44b로 이루어지는 내부 고리를 포함하고, 내부 죤은 램프 어셈블리 43의 중심부에 램프 44c를 포함한다.
또한, 도 3 및 도 4에 있어서, 하부 램프 어셈블리 632의 램프 어셈블리는 상부 램프 어셈블리 43과 유사하고 열 두개의 램프 64a로 이루어지는 외부 고리 및 여섯 개의 램프 64b로 이루어지는 내부 고리를 가진다. 그러나, 하부 램프 어셈블리 62는 상부 램프 어셈블리 43 내의 램프 44c에 비교되는 중심 램프를 가지지 않고 그 대신에 튜브 96이 연장되는 개구를 가진다 (도 4).
도 11에 있어서, 컴퓨터 190은, 램프 44a-44c 및 64a-64b의 강도를 제어함으로써 웨이퍼 12의 온도를 조절한다. 상부 램프 어셈블리 43의 램프 44a(외곽 죤 178), 램프 44b(중간 죤 180) 및 램프 44c(내부 죤 182)로의 동력은 각각 실리콘-제어 렉티파이어(SCR: Silicon-controlled rectifier) 제어부 192, 194 및 196에 의해 조정되고 반면에, 하부 램프 어셈블리 62의 램프 64a 및 64b로의 동력은 각각 SCR 콘트롤러 198 및 200에 의해 조정된다. SCR 콘트롤러 192-200 각각은 컴퓨터 소프트웨어에 포함되어 있는 별도의 비례 적분 도함수 (PID: proportional integral derivative) 루프에 의해 제어된다. 상기 PIDs 루프는 종래의 설계에 의할 수 있다.
본 발명에 따른 웨이퍼 12 상의 폴리실리콘의 증착이 아래에서 설명될 것이다. 웨이퍼 12가 캐리어 74 위에 놓인다. 판 94는 판 94의 상면이 웨이퍼 12의 하면 아래로 약 0.5 인치에 놓여야 한다. 웨이퍼 12는, 반응성 가스가 노즐 152로부터 방출되는 동안 약 5 RPM의 속도로 회전한다 (도 5a). 도 7 및 8과 관련하여 설명된 것처럼, 가스는 인젝터 40을 통해 회전하는 웨이퍼 12의 표면에 걸쳐서 균일한 형식으로 분포된다. 약 5 RPM 보다 큰 회전 속도는 웨이퍼 12가 고리 74를 미끄러지면서 빠져나가게 한다.
가스 기구 204를 통해 반응기 30 내로 주입되는 아르곤 가스는 채널 205를 통해 흐르고 (도 4) 화살표 206으로 표시된 가열 블록 78 아래의 영역내의 챔버로 약 100 cc/min의 속도로 도입된다. 가열 블록 78 및 캐리어 74 사이의 0.04 인치 간극을 통해 흐르는 아르곤은 반응성 가스가 하부 쿼츠 윈도우 66과 접촉하는 것을 막는다. 반응성 가스가 쿼츠 윈도우 66 위에 축적될 수 있게 되면, 폴리실리콘이 쿼츠 윈도우 66 위에 증착되므로 하부 램프 어셈블리내의 램프 64a-64b의 효율을 낮출 수 있다.
비슷한 방법으로, 가스 기구 126을 통하여 주입되는 아르곤 가스는, 반응성 가스가 상부 쿼츠 윈도우 45와 접촉하여 그 위에 증착되는 것을 막을 수 있도록, 상부 쿼츠 윈도우 45 및 판 54 사이의 영역내의 챔버로 도입된다 (도 5).
웨이퍼 12는, 상부 램프 어셈블리 43의 독립적으로 제어되는 램프 44a, 44b, 44c에 의해 위로부터 간접적으로 가열된다 (도 4, 10). 상부 램프 어셈블리 43의 램프44c, 즉 내부 죤 182는 열판 54의 중심부를 가열한다. 판 54의 중간 및 외곽 부분은 각각 상부 램프 어셈블리 44의 램프 44b (중간 죤 180) 및 램프 44a (외과 죤 178)에 의해 가열된다. 컴퓨터 190은 열전대 60을 통해 판 54의 온도를 측정하고 그에 응해, 판 54를 일정 온도로 유지할 수 있도록, 램프 44c에 제공되는 동력을 조정한다. 컴퓨터 190은, 램프 44c에 제공되고 있는 동력의 양에 있어서의 소정 인자에 근거하여 램프 44a 및 44b에 제공되는 동력을 조정한다. 즉, 램프 44c에 가해지는 전체 동력의 제 1 및 제 2 소정 퍼센트가 각각 램프 44a 및 44b에 가해진다. 상기 소정 인자는, 제공되는 동력의 변화에 따른 증착 폴리실리콘의 균일성 및 그에 따른 램프 44a, 44b, 44c의 온도를 측정함으로써 경험적으로 결정된다. 출원인은 열판 54에 걸쳐서 온도 편차가 존재하는 경우 즉, 판 54의 중심이 예를 들면 판의 외곽 부분과 다른 온도인 경우 폴리실리콘 막 균일성이 최적화될 수 있다는 것을 밝혀냈다.
판 54는, 웨이퍼 12 상의 열점(hot spot)을 막아서 웨이퍼 12 상에서의 균일한 폴리실리콘 막의 증착을 보장할 수 있도록 (램프 44a, 44b, 44c로 웨이퍼 12를 간접적으로 가열하는 것은 램프 44a, 44b, 44c 각각의 직하에서 웨이퍼 12 상의 열점을 유발하기 때문에) 램프 44a, 44b, 44c 및 웨이퍼 12 사이의 열 확산기로 작용한다.
웨이퍼 12의 외곽 단부는 하부 램프 어셈블리 62의 열 두개의 외부 램프 64a에 의해 우선 간접적으로 가열된다. 독립적으로 제어되는 램프 64a로부터 발산되는 열에너지는 가열 블록 78에 의해 흡수되고 반면에 웨이퍼 12의 외곽 단부를 가열한다 (도 4 및 6). 가열 블록 78의 온도는 열전대 86에 의해 측정되고 컴퓨터 피드백으로제공된다. 컴퓨터 190은 상기 온도를 감지하고 그에 응하여, 가열 블록 78을 일정 온도로 유지할 수 있도록 램프 64a에 제공되는 동력을 조정한다. 웨이퍼 12의 외곽 단부를 온도-제어 가열 블록 78로 둘러싸므로 해서 웨이퍼 12 외곽 단부에서의 가열 손실을 최소화할 수 있다.
웨이퍼 12는 하부 램프 어셈블리 62의 여섯 개의 내부 램프 64b에 의해 아래로부터 우선 가열된다 (도 4 및 6). 열판 94는 내부 램프 64b로부터 발산되는 열에너지를 흡수하고 판 54와 유사한 방법으로 열 확산기로 작용하여 아래로부터 웨이퍼를 가열한다. 컴퓨터 190은, 외부 램프 64a에 제공되는 동력의 양에 있어서의 소정 인자에 근거하여 내부 램프 64b에 제공되는 동력을 제어한다. 상술한 바와 같이, 상기 소정 인자는, 램프 64a 및 64b에 제공되는 동력의 변화에 따른 증착 폴리실리콘 막의 균일성을 측정함으로써 경험적으로 결정된다.
상기 실시예에서, 램프 64a 및 64b에 제공되는 동력의 양 및 그에 따른 가열 블록 78 및 판 94의 온도, 각각은 상부 램프 44a에 가해지는 동력의 소정 퍼센트로 유지된다.
표 1은 출원인들이 밝혀낸, 650℃의 조업 온도에서 폴리실리콘의 균일성을 최적화할 수 있는 램프 44a, 44b, 44c, 64a 및 64b 각각에 제공되는 동력의 소정 퍼센트를 보여준다.
죤 램프 44a에 가해지는 동력의 % 전체 동력의 % 최대 와트 실제 동력
램프 44a 100% 33% 24,000 7,920W
램프 44c 82% 27% 2,000 540W
램프 44b 27% 9% 12,000 1,080W
램프 64b 40% 13% 12,000 1,560W
램프 64a 73% 24% 24,000 5,760W
도 3-11에 따라 상술한 반응기 30은 웨이퍼 외곽 단부 및 중심부 사이의 온도 편차를 최소화한다. 전술한 바와 같이, 웨이퍼 12는 그 안쪽 부분에서보다 그 외곽 단부에서 열 손실이 더 크다. 이렇게 외곽 단부에서 열 손실이 높은 것이 독립적으로 제어되는 램프 64a로 웨이퍼 12의 외곽 단부를 간접적으로 가열함으로써 보상될 수 있다. 외곽 램프 64a에 의해 발산되는 열에너지는 가열 블록 78에 의해 흡수되고 반면에 웨이퍼 12의 외곽 단부를 가열한다. 가열 블록 78이 웨이퍼 12의 외곽 단부를 측면으로 둘러싸므로 가열 블록 78로부터 방사되고 웨이퍼 12로 제공되는 열에너지의 크기가 웨이퍼 12의 외곽 단부로부터의 거리에 비례한다. 즉, 더욱 더 많은 에너지가 웨이퍼 12의 외곽 단부로부터 1mm 떨어진 부분에서 보다 웨이퍼 12의 단부로 제공되는 것과 같은 것 등이다. 컴퓨터 190과 함께 램프 44a-44d 및 64a-64b의 연속적인 배열과 함께, 이러한 특징 때문에 웨이퍼 12 상에 고도로 균일한 폴리실리콘 막이 증착될 수 있다.
출원인은, 반응기 30이 2500 Å/min의 폴리실리콘 증착 속도를 얻을 수 있으면서 200mm 직경을 웨이퍼의 단부로부터 3mm 인 지점과 단부 사이에서 측정될 때, 1% 미만의 비균일성을 가지는 폴리실리콘 막의 증착을 가능하게 한다는 것을 밝혀냈다.
본 발명의 특정 실시예가 예시되었고 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 당업자가 광범위한 의미에서 본 발명을 벗어나지 않으면서 변화 및 수정을행할 수 있다는 것은 분명하다. 따라서, 첨부한 청구항이 본 발명의 진정한 의미 및 범위에 속하는 모든 변화 및 수정을 그 범위에 포함시킬 것이다.

Claims (17)

  1. 제 1열판,
    상기 제 1열판 아래에 위치된 제 2열판으로, 웨이퍼가 상기 제 1열판 및 제 2열판 사이에 끼워지고 제 1 및 제 2열판과는 접촉하지 않게 되는 제 2열판, 및
    상기 웨이퍼의 외측 단부를 측면에서 둘러싸는 열 고리판를 포함하는 챔버와,
    제 1열원으로 부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 상기 웨이퍼를 가열하는 상기 제 1열판위에 위치된 상기 제 1열원과,
    제 1 및 제 2부분을 가지고 상기 제 2열판 아래에 놓이는 제 2열원으로, 상기 제 2열판이 상기 제 2열원의 제 1부분으로 부터 발산되는 열에너지를 흡수하여 상기 웨이퍼를 가열하고, 상기 열 고리판이 상기 제 2열원의 상기 제 2부분으로 부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 상기 웨이퍼의 외측 단부를 가열하는, 제 2열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열판은 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 회전시키는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2열판은 대략 1.0의 복사능을 구비하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열원은 각각 복수의 텅스텐 할로겐 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    컴퓨터와,
    상기 제 1열판내에 끼워 넣어지고 상기 컴퓨터와 연결되어, 상기 제 1열판의 온도를 측정하는 제 1열전대와,
    상기 열 고리판내에 끼워 넣어지고 상기 컴퓨터와 연결되어, 상기 열 고리판의 온도를 측정하는 제 2열전대를 또한 포함하고,
    상기 컴퓨터는 상기 제 1열판의 상기 온도에 대응하여 상기 제 1열원의 강도를 조절하며 상기 열 고리판의 상기 온도에 대응하여 상기 제 2열원의 상기 제 1 및 제 2부분의 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  7. 제 6항에 있어서,
    복수의 독립적으로 회전가능한 제 2노즐과,
    그 각각이 상기 제 2노즐 중 관련된 것과 연결되는 복수의 제 3가스라인으로, 상기 샤프트는 언급된 상기 제 1가스와 다른 제 2가스기구내로 주입되는 제 2가스가 하나 또는 그 이상의 상기 제 2 노즐을 통하여 상기 웨이퍼쪽으로 향할 수 있도록 상기 제 3가스라인 각각에 연결되는 제 1말단을 구비하고 제 2가스기구에 연결되는 제 2말단을 구비하는 제 4가스라인을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  8. 제 1항에 있어서,
    복수의 독립적으로 회전가능한 노즐 및 복수의 제 1가스라인을 구비하고, 각각의 상기 가스라인이 상기 노즐중 관련된 하나에 연결되는 상판과,
    각각의 상기 제 1가스라인에 연결되 제 1말단을 구비하고 가스기구에 연결되는 제 2말단을 구비하는 제 2가스라인을 포함하는 샤프트로, 상기 가스가 상기 가스기구내로 주입되고 하나 또는 그 이상의 상기 노즐을 통하여 상기 웨이퍼쪽으로 향하는 샤프트를 포함하는 반응성 가스를 상기 챔버내로 주입하기 위한 가스 인젝터를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  9. 제 8항에 있어서,
    각각의 상기 관련 노즐을 통하여 흐르는 가스유동의 속도를 제어하기 위하여상기 제 1가스라인 중 관련된 하나와 연결되는 복수의 제어부를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  10. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 열원으로 부터 적어도 하나의 열판으로의 방사열 에너지의 통로를 위한 윈도우, 상기 챔버내로 반응가스를 주입하기 위한 가스주입기, 및 윈도우와 윈도우를 통하여 열에너지를 받는 적어도 하나의 열판사이의 비활성 가스에 영향을 미치는 비활성가스 주입기를 포함하고, 그것에 의해서 윈도우와 열을 받는 열판사이의 반응가스의 반응을 감소시키기 위해서 긍정적인 비활성가스 압력을 발생시키는것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  11. 제 6항에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 열원으로 부터 적어도 하나의 열판으로의 방사열 에너지의 통로를 위한 윈도우,
    (b) 상기 챔버내로 반응가스를 주입하기 위한 가스주입기, 및
    (c) 윈도우와 윈도우를 통하여 열에너지를 받는 적어도 하나의 열판사이에 비활성 가스를 주입시키는 비활성가스 주입기를 포함하고, 그것에 의해서 윈도우와 열을 받는 열판사이의 반응가스의 반응을 감소시키기 위해서 긍정적인 비활성가스 압력을 발생시키는것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  12. 제 7항에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 열원으로 부터 적어도 하나의 열판으로의 방사열 에너지의 통로를 위한 윈도우, 및
    (b) 윈도우와 윈도우를 통하여 열에너지를 받는 적어도 하나의 열판사이에 비활성 가스를 주입시키는 비활성가스 주입기를 포함하고, 그것에 의해서 윈도우와 열을 받는 열판사이의 반응가스의 반응을 감소시키기 위해서 긍정적인 비활성가스 압력을 발생시키는것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  13. 제 8항에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 열원으로 부터 적어도 하나의 열판으로의 방사열 에너지의 통로를 위한 윈도우, 및
    (b) 윈도우와 윈도우를 통하여 열에너지를 받는 적어도 하나의 열판사이에 비활성 가스를 주입시키는 비활성가스 주입기를 포함하고, 그것에 의해서 윈도우와 열을 받는 열판사이의 반응가스의 반응을 감소시키기 위해서 긍정적인 비활성가스스 압력을 발생시키는것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  14. 제 8항에 있어서,
    가스주입기를 냉각시키는 액체냉각 시스템을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  15. 제 14항에 있어서,
    냉각시스템은 가스주입기를 냉각시키기 위해서 액체의 순환을 허용하도록 액체 채널(channel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  16. 제 10항에 있어서,
    가스주입기를 냉각시키는 액체냉각 시스템을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  17. 제 16항에 있어서,
    냉각시스템은 가스주입기를 냉각시키기 위해서 액체의 순환을 허용하도록 액체 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
KR10-1998-0701159A 1995-08-18 1996-08-14 냉벽화학기상증착용방법및장치 KR100400488B1 (ko)

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