KR100484945B1

KR100484945B1 - 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템을 갖는 반도체소자 제조장치

Info

Publication number: KR100484945B1
Application number: KR10-2002-0047415A
Authority: KR
Inventors: 권태균; 이영석; 강영묵
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2005-04-22
Also published as: KR20040014760A

Abstract

본 발명에 따른 반도체소자 제조장치는 반응챔버는 밀폐된 반응공간을 제공하며, 반응공간에는 서셉터가 설치되고, 반응챔버의 측벽 내부에는 제1 가스공급유로와 제2 가스공급유로가 각각 형성되며, 제1 가스공급유로 및 제2 가스공급유로는 가스공급관을 통하여 외부와 연결되는 외측환형유로, 복수 개의 분사공을 통하여 반응공간과 연결되는 내측환형유로, 및 외측환형유로와 내측환형유로를 연결하는 연결유로로 각각 이루어지고, 제1 가스공급유로의 내측환형유로와 연결된 분사공들은 수평하게 형성되고 상기 제2 가스공급유로의 내측환형유로와 연결된 분사공들은 상방으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 별도의 가스 인젝터를 구비할 필요 없이 간단한 장치구조로 균일한 가스 분포를 얻을 수 있고, 유로가 이중으로 되어 있기 때문에 가스가 균일한 압력과 속도로 분사되게 되며, 분사시점에서 분사되는 가스들의 원활한 분리가 가능해져 반응가스들 간에 상호 간섭이 발생하지 않고 상대적으로 반응성이 작은 반응가스는 별도로 활성화가 이루어지므로 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일하게 박막이 증착될 수 있다.

Description

멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템을 갖는 반도체소자 제조장치{Semiconductor device fabrication apparatus having multi-hole angled gas injection system}

본 발명은 반도체소자 제조장치에 관한 것으로서, 특히 반응챔버 내에 가스가 균일하게 분포되도록 가스를 분사하는 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템(multi-hole angled gas injection system)을 구비한 반도체소자 제조장치에 관한 것이다.

생산수율을 높이기 위하여 웨이퍼를 대구경화 시킬수록 반도체소자 제조장치의 구조적 문제로 인하여 박막증착 공정 또는 건식식각 공정 등에서 공정 균일도가 저하되는 문제가 더 발생한다. 이러한 공정 균일도 저하는 반도체소자의 생산수율을 감소시키는 직접적 원인 중의 하나이므로 공정 균일도를 향상시키기 위하여 유체역학적 및 기하학적 측면 등을 고려하여 반도체소자 제조장치를 만들어야 한다.

공정 균일도는 반응챔버에 가스를 공급하는 방식에 따라 영향을 많이 받는다. 플라즈마를 이용하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)나 비등방성 식각 등과 같은 다양한 공정을 수행하는 반도체소자 제조장치의 경우에도 마찬가지이다.

가스공급 방식으로서 보통 알려진 것으로는 샤워헤드 방식(showerhead type), 싱글 인젝터 방식(single injector type), 바플 방식(baffle type) 등이 있다.

샤워헤드 방식은 수백 개 이상의 분사홀을 갖는 샤워헤드가 웨이퍼 바로 상부에 위치하여 가스를 분사하는 방식을 말하며, 막의 균일성 확보에 유리하다. 그러나, 샤워헤드와 웨이퍼 사이의 간격이 비교적 작기 때문에 플라즈마 형성을 위한 가스의 활성화(activation)가 늦어져 박막 특성이 저하되는 문제가 있다.

싱글 인젝터 방식은 하나의 가스 인젝터를 통하여 가스를 분사시키는 방식을 말하며, 이는 돔(dome)형태의 반응챔버 구조에만 적합하므로 그 사용범위가 제한적이다. 그리고, 박막의 균일성 확보도 용이치 않다.

바플 방식은 주로 APCVD 장치에 사용되며, 벨트 컨베이어(belt conveyor)를 이용하고, 막질 특성이 우수하다. 그러나, 막의 균일성을 확보하는 것이 용이치 않으며, 시스템 자체가 복잡하여 사용상 유지관리가 용이치 않고, LPCVD 장치에는 적용하기 어렵다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 웨이퍼 전면에 걸쳐서 막의 균일성이 확보되도록, 가스 인젝터를 별도로 부착함이 없이 간단하게 챔버 벽에 반응가스별 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템을 바로 형성시킴으로써 반응챔버 내에 가스가 균일하게 분포되게 하는 반도체소자 제조장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치는, 웨이퍼가 안착되는 서셉터가 반응챔버의 내부에 설치되며, 상기 반응챔버의 상부에 가스를 활성화 시키기 위한 수단이 마련되는 반도체소자 제조장치로서, 상기 반응챔버의 내측벽을 따라 상기 서셉터를 향하여 분사되도록 제1분사공 복수개가 환형으로 설치되고, 상기 제1분사공보다 위쪽에 상기 제1분사공보다 상방향으로 분사되도록 제2분사공 복수개가 환형으로 설치되며, 상기 제1분사공 및 제2분사공은 상기 반응챔버의 측벽 내에 서로 독립적으로 형성되는 제1가스공급유로 및 제2가스공급유로와 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.상기 가스를 활성화시키기 위한 수단은 가열수단일 수 있다. 상기 반응챔버의 상부는 돔 형태인 것이 바람직하다. 상기 반응챔버의 내측벽에는 환형단차가 마련될 수 있는데, 이 경우 상기 제1분사공은 상기 단차의 아래 측벽에 형성되고, 상기 제2분사공은 상기 단차의 위 측벽에 형성된다. 상기 제1가스공급유로 및 제2가스공급유로 각각은, 상기 측벽을 따라 환형으로 형성되어 외부의 가스공급관과 연결되는 외측환형유로; 상기 외측환형유로보다 내측으로 상기 측벽을 따라 환형으로 형성되어 상기 복수개의 제1분사공과 연결되는 내측환형유로; 및 상기 외측환형유로와 내측환형유로를 연결하는 연결유로; 를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제1분사공보다 상기 제2분사공을 통해서 반응성이 더 작은 가스가 분사되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제2분사공을 통하여는 산소 또는 질소 소스가스를 분사시키고, 상기 제1분사공을 통해서는 실리콘 소스가스를 분사시키면 좋다.

삭제

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치의 전체적인 개략도이다.

도 1을 참조하면, 반응챔버(110)는 외부와 밀폐된 반응공간을 제공하며 소정부위에 가스 배출구(120)가 마련되어 있다. 반응챔버(110)의 반응공간 내에는 공정의 대상이 되는 웨이퍼(140)를 안착시키기 위한 서셉터(130)가 설치된다. 반응챔버(110) 상부 외측에는 외부로부터 RF 전력을 인가받아 반응챔버(110) 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 전극(150)이 설치된다. 플라즈마를 이용하는 공정이 아닐 경우에는 이러한 플라즈마 전극(150)이 필요없다.

가스는 반응챔버(110)의 측벽에 환형으로 배열된 복수 개의 가스 분사공(164, 174)을 통하여 분사된다. 이것이 바로 본 발명의 가장 큰 특징이다. 반응챔버(110)의 상부는 돔 형태인 것이 바람직하다. 재질로는 석영이나 알루미나가 좋다. 벨자(190)는 플라즈마 전극(150)을 포함하여 반응챔버(110)의 상부 외측을 덮도록 설치된다. 벨자(190) 내부에는 반응챔버(110)의 내부를 가열하기 위한 가열수단(180)이 설치된다.

가스 분사공(164, 174)을 통하여 가스가 상방으로 분사되면 반응챔버(110)의 상부가 돔 형태이기 때문에 분사가스가 매우 균일하게 반응공간 내에 분포하게 된다. 특히 반응챔버(110)의 상부에 부딪칠 때 가열수단(180)에서 발생한 열을 전달받아 활성화가 잘 되기 때문에 웨이퍼(140)에의 증착 등이 더 잘 일어나게 된다.

도 2a는 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치의 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템(muti-hole angled gas injection system)을 구체적으로 설명하기 위한 부분 절개 사시도이고, 도 2b의 (1)은 도 2a에 따른 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템에 있어서 'A'부분에 대한 확대단면도이며, 도 2b의 (2)는 도 2a에 따른 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템에 있어서 'D'부분에 대한 확대단면도이고, 도 2c는 도 2a에 따른 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템의 평단면도이며, 도 2d는 도 2a에 따른 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템에 있어서 분사공들의 다른 예를 나타낸 부분단면도이다.

도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 반응챔버(110)의 측벽 내부에는 반응공간 내부로 각각의 가스를 유입시키기 위한 제1 가스공급유로(160)와 제2 가스공급유로(170)가 각각 형성된다.

제1 및 제2 가스공급유로(160, 170) 각각은 측벽을 따라 형성된 외측환형유로(161, 171) 및 내측환형유로(162, 172)와, 내측환형유로(162, 172)를 외측환형유로(161, 171)와 연결시켜주는 연결유로(163, 173)로 이루어진다. 연결유로(163, 173)는 두 군데 마련되는데 참조부호 C 및 D로 표시된 부분에 위치하여 서로 대향한다.

외측환형유로(161, 171)는 가스공급관(131, 132)을 통하여 반응챔버(110)의 외부와 연결된다. 참조부호 A로 표시한 부분은 외측환형유로(161, 171)와 가스공급관(131, 132)의 연결부위이다. 참조부호 A로 표시한 부분은 C와 D의 중간에 위치한다. 참조부호 B로 표시한 부분은 단지 가스공급관(131, 132)이 없을 뿐 참조부호 A로 표시한 부분과 동일한 유로 구조를 가진다.

내측환형유로(162, 172)는 복수 개의 분사공(164, 174)을 통하여 반응챔버(110)의 내부와 연결된다. 분사공(164, 174)들 각각은 일단이 내측환형유로(162, 172)와 연결되고 타단이 반응공간과 연결되며, 반응챔버(110)의 내벽을 따라 환형으로 배치되도록 형성된다. 이 때, 제1 가스공급유로(160)의 내측환형유로(162)와 연결된 분사공(164)들은 가스가 웨이퍼와 평행하게 분사되도록 수평하게 설치되고, 제2 가스공급유로(170)의 내측환형유로(172)와 연결된 분사공(174)들은 가스가 위쪽으로 분사되도록 상방으로 경사지게 설치된다. 그 경사각은 60°이하가 바람직하다. 이것은, 두 가지의 가스를 분사하여 박막을 증착함에 있어서 분사된 가스들의 분사각이 동일하면 가스들 간에 상호 간섭이 발생하여 웨이퍼의 중심영역에서만 국부적으로 박막이 증착되는 문제가 생기게 되므로 이를 방지하기 위함이다. 분사시점에서 분사되는 가스들의 원활한 분리가 가능하도록, 도 2d의 (2)와 같이 제1 가스공급유로(160)의 내측환형유로(162)와 연결된 분사공(164)들과 제2 가스공급유로(170)의 내측환형유로(172)와 연결된 분사공(174)들은 단차가 있도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 분사공(164, 174)들은 일정한 간격으로 배치되며 각각 1 내지 7mm의 직경을 갖는다. 그리고 그 개수는 장치의 크기에 따라 다를 것이지만 8 내지 150개 정도이면 좋다.

도 2a에 도시된 반응챔버(110) 측벽의 윗단부는 돔형태를 갖는 상부와의 결합 부위이다. 이 부분에는 냉각수가 흐르는 냉각수관(121)이 환형으로 설치되어 있다. 내측환형유로(162, 172) 및 외측환형유로(161, 171)는 반응챔버(110)를 세 부분이 되도록 수평절단하고 그 가운데 부분의 하면과 상면에 각각 환형 홈을 판 다음에 이들 세 부분을 다시 볼트 결합(141)하여 형성한다. 그리고 리크(leak)가 생기지 않도록 결합부위에 오링(O-Ring, 151)을 개재한다.

상술한 반도체소자 제조장치를 이용한 반도체소자의 제조는, 반도체소자 제조장치의 반응공간 내로의 서로 다른 두 가지 종류 가스를 유입함에 있어서, 두 가지 종류의 가스 중에서 상대적으로 반응성이 큰 가스는 제1 가스공급유로를 통하여 유입하고 상대적으로 반응성이 작은 가스는 제2 가스공급유로를 통하여 유입함으로써 구현된다.

예를 들어, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하는 경우에, 상대적으로 반응성이 큰 실리콘 소스가스는 제1 가스공급유로(160)를 통하여 공급하고, 상대적으로 반응성이 작은 산소 소스가스 또는 질소 소스가스는 제2 가스공급유로(170)를 통하여 공급하면, 실리콘 소스가스 또는 메탈 소스가스는 웨이퍼 상측에 웨이퍼와 평행하게 분사되고 산소 또는 질소가스는 상방향으로 분사된다. 따라서, 분사된 산소 또는 질소소스가스는 상술한 바와 같이 돔 형태의 반응챔버(110)에 의하여 균일하게 분포되고 가열수단에 의하여 활성화가 잘되기 때문에 웨이퍼 전면(全面)에 걸쳐 균일한 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 반도체소자 제조장치에 의하면, 별도의 가스 인젝터를 구비할 필요 없이 간단한 장치구조로 균일한 가스 분포를 얻을 수 있게 된다.

나아가, 분사시점에서 분사되는 가스들의 원활한 분리가 가능해져 반응가스들 간에 상호 간섭이 발생하지 않고, 상대적으로 반응성이 작은 반응가스는 별도로 활성화가 이루어지므로 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 군일하게 박막이 증착될 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치의 전체적인 개략도; 및

도 2a 및 도 2d는 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치의 멀티 홀 앵글드 가스분사 시스템(muti-hole angled gas injection system)을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

110 : 반응챔버 120 : 가스배출구

130 : 서셉터 140 : 웨이퍼

150 : 플라즈마 전극 160 : 제1 가스공급유로

170 : 제2 가스공급유로 180 : 가열수단

190 : 벨자 121 : 냉각수관

131, 132 : 가스공급관 141 : 볼트

151 : 오링 161, 171 : 외측환형유로

162, 172 : 내측환형유로 163, 173 : 연결유로

164, 174 : 분사공

Claims

웨이퍼가 안착되는 서셉터가 반응챔버의 내부에 설치되며, 상기 반응챔버의 상부에 가스를 활성화 시키기 위한 수단이 마련되는 반도체소자 제조장치로서,

상기 반응챔버의 내측벽을 따라 상기 서셉터를 향하여 분사되도록 제1분사공 복수개가 환형으로 설치되고, 상기 제1분사공보다 위쪽에 상기 제1분사공보다 상방향으로 분사되도록 제2분사공 복수개가 환형으로 설치되며, 상기 제1분사공 및 제2분사공은 상기 반응챔버의 측벽 내에 서로 독립적으로 형성되는 제1가스공급유로 및 제2가스공급유로와 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
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제1항에 있어서, 상기 가스를 활성화시키기 위한 수단이 가열수단인 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 반응챔버의 상부가 돔 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
삭제
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제1항에 있어서, 상기 반응챔버의 내측벽에는 환형단차가 마련되며, 상기 제1분사공은 상기 단차의 아래 측벽에 형성되고, 상기 제2분사공은 상기 단차의 위 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1가스공급유로 및 제2가스공급유로 각각은,

상기 측벽을 따라 환형으로 형성되어 외부의 가스공급관과 연결되는 외측환형유로;

상기 외측환형유로보다 내측으로 상기 측벽을 따라 환형으로 형성되어 상기 복수개의 제1분사공과 연결되는 내측환형유로; 및

상기 외측환형유로와 내측환형유로를 연결하는 연결유로; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1분사공보다 상기 제2분사공을 통해서 반응성이 더 작은 가스가 분사되는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
제11항에 있어서, 상기 제2분사공을 통하여는 산소 또는 질소 소스가스를 분사시키고, 상기 제1분사공을 통해서는 실리콘 소스가스를 분사시키는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.