KR100531012B1 - 반도체 소자 제조용 횡형 확산로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조 공정에서 열산화, 열확산, 각종 어닐과 같은 웨이퍼 프로세스에 사용되는 횡형 확산로에 관한 것이다. 원통 형태의 석영 튜브에는 비스듬히 절재된 모양의 경사진 개구부가 형성되어 보트가 내부에 위치된 상태에서 개구부를 통해 웨이퍼를 보트에 용이하게 적재할 수 있으며, 개구부를 밀폐하기 위한 튜브 덮개에는 다수의 가스 유출공을 갖는 가스 주입구가 형성되어 반응가스가 석영 튜브 내부로 균일하게 공급됨으로써 두께가 균일한 박막을 성장시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 튜브 덮개가 개구부에 덮힌 상태에서 석영 튜브가 반응실로 이동하기 때문에 외부로부터 대기가스의 유입이 차단되어 자연산화막의 성장이 최소화된다.

Description

반도체 소자 제조용 횡형 확산로 {Horizontal diffusion furnace for manufacture of semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 제조 과정에서 열산화, 열확산, 각종 어닐(Anneal)과 같은 웨이퍼 프로세스에 사용되는 확산로(Diffusion furnace)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼를 보트에 용이하게 적재할 수 있고 균일한 두께의 박막을 얻을 수 있도록 한 횡형 확산로에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정에서 열산화, 열확산, 각종 어닐과 같은 웨이퍼 프로세스는 확산로에서 진행한다. 확산로는 크게 공정 조건을 유지하기 위해 히팅 코일(Heating coil)이 구비된 반응실과 웨이퍼를 적재한 보트가 위치하며 반응가스가 주입되는 석영 튜브(Quartz tube)로 구성되는데, 그 구조와 형태에 따라 횡형과 종형으로 구분된다.

예를 들어, 금속산화물반도체(MOS) 소자의 게이트 절연막으로 이용되는 이산화규소(SiO₂) 산화막은 대개 열산화 공정으로 형성한다. 히팅 코일을 이용하여 반응실 내부의 온도를 약 800℃ 정도로 유지한 상태에서 석영 튜브 내부에 산소 및 질소 또는 수소와 같은 반응가스를 주입하며 약 30분 이내의 시간동안 열산화 공정을 진행하면 반응가스에 의해 실리콘이 산화되면서 단결정체인 웨이퍼 상에 수십 또는 수백Å 두께의 이산화규소 산화막이 성장된다.

도 1a는 종래 반도체 소자의 제조에 사용되는 횡형 확산로의 구조를 도시한 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 석영 튜브의 가스 주입구 부분을 도시한 정면도이다.

종래의 횡형 확산로는 도 1a에 도시된 바와 같이, 공정 조건을 유지하기 위해 히팅 코일(3)이 구비된 반응실(1)과, 웨이퍼(5)를 적재한 보트(4)가 내부에 위치하며 반응가스가 주입되는 석영 튜브(2)로 이루어진다.

상기 반응실(1)은 전, 후방으로 관통된 원통 형태로 이루어지며, 내측 면에는 전원의 공급에 따라 반응실(1) 내부를 가열할 수 있도록 히팅 코일(3)이 구비된다.

상기 석영 튜브(2)는 원통 형태로 이루어지며, 일측에는 석영 튜브(2)가 반응실(1) 내부로 들어간 상태에서 석영 튜브(2) 내부로 반응가스를 주입할 수 있도록 반응가스 주입구(7)가 형성되고, 다른 일측에는 질소가스 주입구(6)가 형성된다. 또한, 상기 석영 튜브(2)는 고리관(Collar; 8)에 의해 운반대(Carriage; 9)와 결합되며, 운반대(9)에 의해 상기 반응실(1) 내부로 수평 이동이 가능하도록 구성된다.

상기와 같은 열산화 공정을 진행하기 위해서는 먼저, 상기 석영 튜브(2) 내부에 위치하는 보트(4)를 외부로 이동시켜 보트(4) 위에 실리콘 등으로 이루어진 웨이퍼(5)를 적재한 후 다시 보트(4)를 석영 튜브(2) 내부로 이동시키고 상기 운반대(9)를 이용하여 상기 석영 튜브(2)를 반응실(1) 내부로 진입시킨다. 이 때 웨이퍼(5) 상에 자연산화막의 성장이 억제되도록 상기 질소가스 주입구(6)를 통해 상기 석영 튜브(2) 내부로 질소가스를 계속 흘려보낸다.

그런데 종래의 횡형 확산로는 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 석영 튜브(2)의 밑부분(A 부분)이 보트(4)의 이동을 위해 보트(4)의 길이만큼 개방되어 있기 때문에 석영 튜브(2)를 반응실(1) 내부로 이동시킬 때 개방된 부분(A 부분)을 통해 외부로부터 대기가스가 유입되어 웨이퍼(5) 상에 약간의 자연산화막이 성장될 수 있으며, 또한, 보트(4)에 웨이퍼(5)를 적재하기 위해서는 석영 튜브(2)로부터 보트(4)를 빼내거나 다시 넣어야 하는 불편함이 있다.

반도체 소자의 제조 기술이 발전함에 따라 금속산화물반도체(MOS) 소자의 채널 길이가 점점 짧아지고 게이트 절연막의 두께도 얇아진다. 따라서 얇고 막질이 우수한 게이트 절연막을 얻기 위해서는 초기 열산화 공정시 자연산화막의 성장을 억제하는 것이 매우 중요한데, 종래의 횡형 확산로를 이용하면 상기와 같은 문제점으로 인해 막질이 우수한 게이트 절연막을 얻기 어려우며 공정의 진행이 용이하지 않다.

따라서 본 발명의 목적은 석영 튜브 내에 위치되는 보트에 웨이퍼를 용이하게 적재할 수 있고, 초기 열산화 공정시 자연 산화막의 성장이 최대한 억제되도록 하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 석영 튜브 내부에서 가스의 흐름이 균일하게 이루어지도록 하여 균일한 두께의 박막을 형성하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 히팅 코일이 구비된 반응실과, 웨이퍼를 적재하기 위한 보트와, 상기 보트를 내부에 구비하며, 상기 보트가 노출되도록 경사지게 개구부가 형성된 튜브와, 상기 튜브의 개구부를 덮어 상기 튜브를 밀폐시키며, 일측부에는 가스 주입구가 형성된 튜브 덮개와, 상기 튜브를 상기 반응실로 이동시키기 위한 운반대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 주입구는 반응가스 주입구이며, 상기 가스 주입구에는 상기 반응가스의 균일한 흐름을 위해 다수의 가스 유출공이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 운반대는 고리관에 의해 상기 튜브와 연결되며, 상기 튜브에 정화가스를 공급하기 위한 가스 주입구가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2a는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 횡형 확산로의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 가스 주입구를 도시한 정면도이다.

본 발명에 따른 횡형 확산로는 도 2a에 도시된 바와 같이, 공정 조건을 유지하기 위한 반응실(11), 일측면에 경사진 개구부(B)가 형성되며 내부에는 웨이퍼(15)를 적재한 보트(14)가 위치되는 원통 형태의 석영 튜브(12), 상기 석영 튜브(12)의 개구부(B)를 덮는 튜브 덮개(20), 상기 석영 튜브(12)를 상기 반응실(11)로 이동시키기 위한 운반대(19)로 이루어진다.

상기 반응실(11)에는 전원의 공급에 따라 반응실(11) 내부를 가열할 수 있는 히팅 코일(13)이 구비된다.

상기 석영 튜브(12)에는 일측부에 경사진 개구부(B)가 형성되고, 다른 일측부에는 질소와 같은 정화가스의 주입을 위한 가스 주입구(16)가 형성된다. 또한, 상기 석영 튜브(12)의 내부에는 웨이퍼(15)가 적재되는 보트(14)가 위치되는데, 보트(14)가 석영 튜브(12) 내에 위치된 상태에서 상기 개구부(B)를 통해 웨이퍼(15)를 용이하게 보트(14)에 적재할 수 있다.

상기 튜브 덮개(20)는 상기 석영 튜브(12)를 밀폐시키기 위해 상기 석영 튜브(12)의 개구부(B)에 덮이며, 상기 튜브 덮개(20)의 일측부에는 반응가스의 주입을 위한 가스 주입구(17)가 형성된다. 또한, 상기 튜브 덮개(20)에는 개폐를 용이하게 하기 위한 손잡이(22)가 구비되며, 상기 가스 주입구(17)에는 도 2b에 도시된 바와 같이 반응가스의 흐름을 균일하게 하기 위한 다수의 가스 유출공(21)이 형성된다.

상기 운반대(19)는 고리관(18)에 의해 상기 석영 튜브(12)와 결합되어 상기 석영 튜브(12)를 반응실(11) 내부로 수평 이동시키는 데 이용된다.

상기와 같이 구성된 횡형 확산로에서 열산화 공정을 진행하기 위해, 먼저, 상기 튜브 덮개(20)가 제거된 상태에서 상기 석영 튜브(12)의 개구부(B)를 통해 노출되는 보트(14)에 다수의 웨이퍼(15)를 적재한다. 상기 개구부(B)가 밀폐되도록 상기 튜브 덮개(20)를 덮고 상기 운반대(19)를 이용하여 상기 석영 튜브(12)를 반응실(11) 내부로 진입시킨다. 이 때 웨이퍼(15) 상에 자연산화막의 성장이 억제되도록 상기 가스 주입구(16)를 통해 상기 석영 튜브(12) 내부로 질소가스를 계속 흘려보낸다.

상기 히팅 코일(13)에 전원을 인가하여 반응실(11) 내부의 온도를 약 800℃ 정도로 유지한 상태에서 상기 가스 주입구(17)를 통해 상기 석영 튜브(12) 내부로 산소 및 질소 또는 수소와 같은 반응가스를 주입하며 예를 들어, 약 30분 이내의 시간동안 열산화 공정을 진행한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 원통 형태의 석영 튜브에는 비스듬히 절재된 모양의 경사진 개구부를 형성하여 보트가 내부에 위치된 상태에서 개구부를 통해 웨이퍼를 보트에 용이하게 적재할 수 있다. 그리고 개구부를 밀폐하기 위한 튜브 덮개에는 다수의 가스 유출공을 갖는 가스 주입구를 형성하여 반응가스가 석영 튜브 내부로 균일하게 공급되도록 함으로써 박막의 두께를 균일하게 성장시킬 수 있다. 또한, 튜브 덮개가 개구부에 덮힌 상태에서 석영 튜브가 반응실 내부로 이동함으로써 외부로부터 대기가스의 유입이 차단되어 자연산화막의 성장이 최소화된다.

도 1a는 종래 반도체 소자 제조용 횡형 확산로를 설명하기 위한 단면도.

도 1b는 도 1a에 도시된 석영 튜브의 구조를 도시한 정면도.

도 2a는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 횡형 확산로를 설명하기 위한 단면도.

도 2b는 도 2a에 도시된 반응가스 주입구를 설명하기 위한 정면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 11: 반응실 2, 12: 석영 튜브

3, 13: 히팅 코일 4, 14: 보트

5, 15: 웨이퍼 6, 16: 질소가스 주입구

7, 17: 반응가스 주입구 8, 18: 고리관

9, 19: 운반대 20: 튜브 덮개

21: 가스 유출공 22: 손잡이

Claims (5)

1. 히팅 코일이 구비된 반응실과,

   웨이퍼를 적재하기 위한 보트와,

   상기 보트를 내부에 구비하며, 상기 보트가 노출되도록 경사지게 개구부가 형성된 튜브와,

   상기 튜브의 개구부를 덮어 상기 튜브를 밀폐시키며, 일측부에는 상기 튜브내로 주입되는 반응가스의 균일한 흐름을 위해 다수의 가스 유출공이 형성된 튜브 덮개와,

   상기 튜브를 상기 반응실로 이동시키기 위한 운반대를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 횡형 확산로.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브 덮개에 개폐를 위한 손잡이가 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 횡형 확산로.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 운반대는 고리관에 의해 상기 튜브와 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 횡형 확산로.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브에 정화가스를 공급하기 위한 가스 주입구가 더 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 횡형 확산로.