KR100661198B1 - 반도체 웨이퍼 가공 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼 가공 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

직경이 큰(예컨데, 300mm) 반도체 웨이퍼 상에 화학 기상 증착을 함으로써, 상기 웨이퍼의 중심을 지나는 어떤 직경을 통하더라도 가장자리에서 가장자리까지의 높은 균일성(high uniformity)을 가지는 산화 규소(SiO2)로 된 얇은 절연층을 형성하는 방법과 장치가 제공된다. 이러한 높은 균일성을 가지는 층들은, 절연층의 피복을 위해 제 1 반응 가스 스트림과 제 2 반응 가스 스트림 각각을 웨이퍼의 노출된 표면에 매우 근접하게 향하게 하여, 상기 가스 스트림들이 서로 혼합될 때 상호 반응하여 웨이퍼 상에 절연층을 증착하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 가스 스트림의 소용돌이 형태의 선회 혼합물을 형성하여 가스를 철저히 혼합하는 단계와; 상기 반응 가스들의 높은 균일성의 혼합물을 형성하는 단계; 및, 상기 웨이퍼의 표면 위와 그 윗쪽으로 상기 반응 가스의 혼합물을 즉시 유동시키는 단계를 통하여 얻어진다. 상기 장치는 또한, 이중 웨이퍼 가공 챔버 캐비티(cavity)를 제공한다.

Description

반도체 웨이퍼 가공 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING SEMICONDUCTIVE WAFERS}
도 1은 본 발명에 의한 이중 캐비티 챔버(dual-cavity chamber), 대직경 웨이퍼 가공 장치의 일부 절단 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 가스 혼합 블록의 분해 사시도.
도 3은 가스 혼합 캐비티와 그에 연결된 분리된 반응 가스 공급라인을 도시한 혼합 블록의 중심부의 단면도.
도 4는 도 1의 장치 중 혼합 블록과 리드(lid)의 아랫면에 부착된 가스 확산 플레이트의 셋트 각각을 도시하고, 또한 상기 장치의 챔버 내에서의 가공하기 위한 웨이퍼를 보유한 가열기 조립체를 도시한 단면도.
도 5는 도 4의 가스 확산 플레이트 중 상반부의 평면도.
도 6은 도 4의 가스 확산 플레이트 중 하반부의 평면도.
도 7은 도 6의 플레이트의 중심을 통과하는 통공의 확대 수직 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 웨이퍼 가공 장치 12 : 챔버 하우징
14 : 리드 조립체 16 : 플랫폼
18 : 프레임 플레이트 20, 22 : 가스 혼합 블록
24, 26 : 세정 가스 공급 라인 30, 32 : 반응 가스 공급 도관
34 : 라인 36 : 공급 라인
37 : 상부 38 : 하부
40 : 스터브 42 : 링
44 : 원통형 부재 46 : 축선
50 : 평평한 면 52 : 오리피스
55 : 개구 56 : 제 1 오리피스
58 : 제 2 오리피스 65 : 가스 혼합 캐비티
66, 68 : 컷아웃 70, 72 : 내부 통로
80 : 제 1 가스 확산(블로커) 플레이트
82 : 제 2 가스 확산(페이스) 플레이트
84 : 가열기 조립체 86 : 가열기 페이스
본 발명은 대직경 반도체 웨이퍼를 집적회로(및 이와 유사한 디바이스)로 가 공하는 것과 관련된 것으로서, 상기 웨이퍼가 일련의 가공 단계를 통과하게 되는데, 이 단계 중 하나 이상의 단계는 각 웨이퍼의 노출된 표면 위에 웨이퍼가 노출되어질 혼합가스의 화학반응(이 기술분야에 잘 알려져 있음)에 의해 산화 규소(SiO2)의 얇고 균일한 절연층을 증착하는 단계를 포함하고 있다. 흔히 사용되는 공정은 대기압 이하 화학 기상 증착(sub-atmospheric chemical vapor deposition; SACVD)TM이라고 알려져 있다.
반도체 웨이퍼(예컨대, 얇은 싱글 크리스탈 규소 디스크)를 다양한 집적 회로(및 유사한 디바이스)로 가공하는 것은 이 기술분야에 잘 알려져 있다. 이러한 목적의 장비에 대해 제조자들은 다양한 구조와 디자인을 전 세계에 걸쳐 제공하고 있다. 이러한 장비의 제조 및 운전의 정밀도와, 그리고 생산되어야 할 디바이스의 세부 사양범위 내에서의 높은 수율을 얻기 위해 요구되는 가공의 균일성 때문에, 장비를 제작하거나 작동시키는데 많은 비용이 소요된다. 따라서, 주어진 제작 원료처리량에 대해, 이러한 장비의 고정 자본비용과 운전 비용을 최대한 절감시키는 것이 매우 바람직하다.
최근, 300mm(0.3m) 직경의 반도체 웨이퍼가 집적 회로의 제조자에게 이용 가능하게 되었다. 종전에 이용 가능했던 200mm 직경의 웨이퍼(또는 그 보다 더 작은 것)에 비해, 300mm 웨이퍼는 생산성에 있어서 2배 이상의 잠재적인 이득을 가져온다. 따라서 300mm 웨이퍼의 사용은 비용 측면에서 몹시 매력적이다.
산화 규소가 절연제로서 웨이퍼 상에 증착되는 SACVDTM공정 단계에서, 반응 가스(헬륨이나 질소, 오존 내의 유기 증기(organic vapor)와 같이 이 기술분야에서 잘 알려진 가스)는 이들이 사용될 위치에 매우 가깝지만 이격되어서 서로 혼합되고, 그런 다음에 즉시 밀폐하여 봉인된 챔버로 도입된다. 상기 혼합 가스는 요구되는 압력과 유량(flow rate)으로 챔버 내로 유동하고, 펌프에 의해 챔버로부터 지속적으로 배출된다. 반응 가스가 웨이퍼의 노출된 표면 위를 유동하면서 그 위에 얇은 산화 규소 절연층을 증착하는 동안, 상기 챔버 내의 웨이퍼는 요구되는 온도(예컨대, 200 내지 800℃의 범위)로 유지된다. 웨이퍼 위로 증착되는 산화 규소층은 웨이퍼 표면의 중심에서 가장자리까지 전체에 걸쳐서 최대한 균일해야 하므로, 상기 반응 가스의 스트림은 웨이퍼 상에 부딪치기 전에 그 성분 가스들이 완전히 혼합되도록 해야 하고, 상기 혼합 가스는 웨이퍼의 노출된 표면의 전 영역에 걸쳐 완벽하거나 완벽에 가까운 정도의 균일성을 가지고 유동해야 한다.
반응 가스의 혼합 및/또는 유동에 있어서의 비균일성(non-uniformity)은 절연층(SiO2)이 웨이퍼 상에 균일하지 못하게 증착되게끔 한다. 즉, 결과적인 층이 일부분에 있어서 다른 부분에 비해 두껍거나 얇다. 더욱이 절연층에 작은 피크(peak) 및/또는 밸리(valley)가 나타나기 시작하면, 그 웨이퍼 상에 만들어지는 집적 회로(또는 유사한 장치)는 흠결이 있는 것으로서 폐물처리된다. 그러나, 웨이퍼의 면적이 더욱 더 넓게 형성됨에 따라(예컨대, 직경이 200mm로부터 300mm 또는 그 이상으로) 용적이 더 커진 반응 가스의 혼합 및 유동에 있어서 절대적인 균일성을 달성하기는 점점 힘들어진다. 따라서, 사실상, 200mm웨이퍼에 따라 설계된 가공 장치 를 300mm웨이퍼를 다루면서도 여전히 제로 혹은 거의 제로에 가까운 결함을 가진 집적 회로를 제작할 수 있도록 단지 크기만 크게 할 수는 없다. 상기 장치에 대한 실질적인 개조가 요구된다. 본 발명은 그 한 측면으로서 대직경 웨이퍼(예, 300mm)용 챔버 내에서의 균일한 가공을 달성하고자 하는 문제에 대한 유효하고 경제적인 해법을 제공한다.
이전에는, 웨이퍼 직경이 매우 작은 경우에, 2개의 웨이퍼 가공 챔버 캐비티를 단일 피스의 장비에 조합시키는 시도가 있었다. 따라서, 하우징, 플랫폼, 가스 공급원, 제어 회로 등과 같은 장비의 특정 구성요소가 공용으로 만들어졌다. 따라서, 이중-캐비티 챔버 장비 (dual-cavity chamber equipment)의 제공은 고정자본 비용의 실질적인 절감과 아울러 생산량의 증가를 가져온다. 그러나, 다른 여러가지 이유들 중에서 특히 상기한 바와 같은 균일 가공의 문제는 이중-캐비티 챔버 장비가 300mm 웨이퍼의 경우에도 적합하도록 하는 것을 방해한다. 본 발명의 다른 측면은 이러한 2개의 반도체 웨이퍼를 동시에 가공하는 것이 가능한 이중 캐비티 챔버 장치를 가능하게 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상호 반응하는 2개의 분리된 가스 스트림을 혼합하고, 그런 다음에 상기 반응 가스들이 챔버 내에서 대직경 반도체 웨이퍼 상에 산화 규소 절연층의 매우 균일한 증착을 일으키는 방식으로 웨이퍼 가공 챔버 내로 이들을 즉각 유동시키는 방법이 제공된다. 상기 웨이퍼는 챔버 내의 가열요소 위에 놓여지고 상승된 적절한 온도로 유지되며, 반면에 상기 쳄버의 벽체는 챔버의 벽체 내와 그 주위로 펌핑되는 냉각 유체에 의해 매우 낮은 온도에서 유지된다.
분리된 스트림의 가스를 즉시에 잘 혼합하기 위해, 작은 수직의 캐비티를 보유한 혼합 블록으로 하나의 스트림이 접선방향으로 주입되고, 나머지 스트림은 반대방향으로 상기 캐비티에 접선방향으로 주입된다. 이로써 상기 2개의 가스 스트림이 캐비티로 들어갈 때, 활발히 뒤섞여 혼합된다. 이렇게 혼합된 반응 가스는, 통공이 난 다수개의 가스 분산 플레이트를 통해 혼합 캐비티 밖으로 아랫쪽으로 유동하고, 상기 가스 분산 플레이트는 상기 가스들이 웨이퍼의 영역보다 조금 더 넓은 영역 위로 유동하도록 매우 균일한 혼합물로 고르게 퍼뜨린다. 상기 분산 플레이트들은 웨이퍼 위로 유동하는 가스가 요구되는 고도의 균일성을 가지도록, 서로에 대하여, 혼합 캐비티에 대하여, 그리고 웨이퍼에 대하여 특별하게 구성되고 설치된다. 상기 반응 가스는 웨이퍼의 노출된 상면 위와 그 윗쪽으로 유동하여 내려오고, 진공 펌프에 의해 챔버 바닥으로부터 배출된다. 요구되는 두께(또한 실질적으로 완벽한 균일성)의 절연층을 웨이퍼 상에 증착시킨 다음, 자동 메카니즘(이 기술분야에 이미 공지되어 있음)으로 상기 웨이퍼를 챔버로부터 제거하고, 챔버 내로 세정 가스를 펌핑한다. 세정 가스는 혼합 캐비티, 가스 분산 플레이트를 통과하여, 챔버를 하방으로 통해 밖으로 흐른다. 따라서, 앞서의 절연층을 형성하는 가공 단계 혹은 단계들을 통해 남겨진 화학적 잔여물은 챔버의 통로와 벽면으로부터 제거되고, 따라서 상기 장비는 또 다른 웨이퍼 가공 단계에 대한 준비가 이루어진다.
하나의 공정적 측면에서 보면, 본 발명은 반응 가스의 혼합물로부터의 화학 기상 증착에 의해 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법을 지향하는 것이다.
상기 방법은, 균일한 두께의 층이 증착될 반도체 웨이퍼에 매우 근접하여 제 1, 제 2 가스의 분리된 스트림으로부터 소용돌이 형태의 선회 가스 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 가스 혼합물로부터 반응 가스의 균일 혼합물을 형성하는 단계와; 반도체 웨이퍼의 표면 위에 균일 두께의 층을 형성하기 위해 웨이퍼의 표면 상과 그 윗쪽으로 혼합된 반응 가스를 유동시키는 단계를 포함한다.
하나의 장치적 측면에서 보면, 본 발명은 반응 가스로부터 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하기 위한 장치를 지향하고 있다. 상기 장치는 가공하는 동안 내부에 반도체 웨이퍼를 수용하도록 구성된 챔버를 형성하는 하우징과, 그리고 가스 혼합 캐비티를 형성하는 혼합 블록을 포함한다. 상기 혼합 캐비티의 제 1 입구는 상기 혼합 캐비티에 접선 방향인 일 방향으로 제 1 반응 가스를 수용한다. 상기 혼합 캐비티의 제 2 입구는 상기 혼합 캐비티로 접선 방향의 반대쪽 방향으로 제 2 반응 가스를 수용하며, 이로써 상기 제 1, 제 2 입구를 통해 유동하는 가스가 캐비티 주위를 선회하여 캐비티 내에서 혼합되도록 한다. 상기 혼합 챔버의 출구는 반도체 웨이퍼에 매우 근접해 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 장치는 제 1, 제 2 분산 플레이트를 구비한 샤워 헤드 및 블로커 플레이트(shower head and blocker plate)를 더 포함하는데, 각각의 분산 플레이트는 이를 관통하는 다수개의 통공을 형성하는데, 제 1 분산 플레이트는 그 중심 위치에는 통공을 갖지 않는다. 상기 제 1 분산 플레이트는 혼합 캐비티의 출구에 매우 근접하게 위치한 통공을 가지고, 상기 제 2 분산 플레이트에 매우 근접하여 위치한다. 상기 제 2 분산 플레이트는 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층이 형성되도록 반도체 웨이퍼의 표면에 매우 근접하게 출구를 가진다.
본 발명은 첨부된 도면과 특허청구범위를 참조하여 하기의 보다 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 것이다.
이제 도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 장치(10)가 도시되어 있다. 장치(10)는 반도체 웨이퍼를 가공하는데 유용하고, 2개의 캐비티 챔버(다른 경우는 도시되지 않음)를 가진 챔버 하우징(12)(일부 절단됨)과, 리드 조립체(14)와, 자동 메카니즘(도시 안됨)을 보유한 플랫폼(16)(일부 절단됨)을 포함한다. 이 자동 메카니즘은 상기 하우징(12) 후면의 수평 슬롯(도시 안됨)을 통해 각각의 챔버로 웨이퍼를 삽입하고, 가공 단계 후에 상기 웨이퍼를 제거한다. 이와 같은 메카니즘은 잘 알려져 있으므로, 여기서는 더 이상 설명하지 않는다.
상기 리드 조립체(14)는 프레임 플레이트(18), 가스 혼합 블록(20, 22), 세정 가스 공급 라인(24) 및 그와 유사한 세정 가스 공급 라인(26), 반응 가스 공급 도관(30) 및 그와 유사한 반응 가스 공급 도관(32)을 포함한다. 상기 리드 조립체(14)는, 그 폐쇄 위치는 실선으로, 개방 위치는 점선으로 도시하였고, 그 뒷면을 따라 라인(34)에서 하우징(12)에 힌지되어 있으며, 폐쇄시(아래 위치)에는 하우징(12) 내의 2개의 분리된 웨이퍼 가공 챔버 캐비티(도시 안됨)에 대하여 밀폐식 실링을 제공한다.
각각의 가스 혼합 블록(20, 22)은 하우징 내의 챔버 캐비티 각각의 중앙에 수직으로 위치한다. 상기 혼합 블록(20)은 그 꼭대기에서 그 혼합 블록(20)에 세정 가스(예컨대, 이온화된 NF3)의 유동을 (필요시에) 공급하는 가스 라인(24)에 연결되고, 그곳으로부터 상기 리드 조립체(14) 아래의 각각의 챔버 캐비티(도시 안됨)에 연결된다. 이와 유사한 세정 가스 라인(26)이 상기 혼합 블록(22)의 꼭대기에 연결된다. 가스 라인(24, 26)의 다른쪽 단부들은 이온화된 가스의 공급원(도시 안됨)에 연결된 공통의 공급 라인(36)에 함께 연결된다. 반응 가스 도관(30, 32)은 각각의 혼합 블록(20, 22)에 연결되고, 그 각각에 반응 가스의 분리된 2개의 스트림을 공급한다. 이하에서 간단히 설명될 바와 같이, 상기 각각의 도관(30, 32) 각각의 내부에는 상기 혼합블록(20, 22) 각각에 혼합되지 않은 상태의 가스를 공급하는 한쌍의 분리된 가스 라인(도시 안됨)이 있다. 상기 도관(30, 32)의 다른쪽 단부들(및 그들 각각의 내부 가스 라인)은 가스 공급원(도시 안됨)에 연결된다.
이제 도 2를 참조하면, 가스 혼합 블록(즉, 상기 블록(20))의 일 실시예의 분해도가 도시되어 있다. 나머지 블록(즉, 상기 블록(22))은 실질적으로 동일하고, 거울 상(mirror image)이라는 점을 이해해야 한다. 상기 블록(20)은 상부(37)와, 아랫쪽의 중공형 스터브(hollow stub)(40)를 가진 하부(38)와, "O"자형 링(42)과, 그리고 원통형 부재(44)를 포함한다. 이하에서 간단히 설명될 바와 같이, 상기 원통형 부재(44)는 상부(37)와, 하부(38)가 수직 축선(46)을 따라 조립될 때 블록 하부(38) 내에 자리잡게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 혼합 블록(20)의 상부(37)는 세정 가스 라인(24)(여기에는 도시 안되었으나, 도 1에 도시됨)의 단부에 맞추어지는 평평한 면(50)을 가진다. 상기 면(50)의 오리피스(52)는, 화살표(54)로 지시되어진 것처럼, 세정 가스가 혼합 블록에 들어간 다음, 축선(46)을 따라 상기 장치(10)의 웨이퍼 가공 챔버 각각에 향하고 이들을 통해 유동해 내려갈 수 있도록 상부(37) 내의 내부 통로(도시 안됨)로 통하는 입구를 제공한다. 혼합 블록(20)의 하부(38)는 가스 도관(30)(여기에는 도시 안되었으나, 도 1에 도시됨)의 단부에 맞추어지는 하나의 개구(55)를 가진다. 하부(38)의 상기 개구(55)의 제 1 오리피스(56)와 제 2 오리피스(58)는 상기 하부(38) 내의 분리된 내부 통로(도시 안됨)로의 입구를 제공한다. 상기 가스 도관(30) 내의 분리된 가스 라인들에 의해 제공되는 반응 가스는, 화살표(60, 62) 각각에 의해 지시되는 바와 같이, 이들 오리피스(56, 58)로 유동한다.
계속하여 도 2를 참고하면, 상기 부재(44)는 수직의 원통형 벽면(64)과, 축선(46)을 따라 중앙에 위치하는 중앙의 가스 혼합 캐비티(65)를 가진다. 상기 부재(44)의 하단 근방에, 제 1 벽면 컷아웃(66)과 제 2 벽면 컷아웃(68)이 있다. 이들 컷아웃(66, 68) 각각은 상기 벽면(64)을 통해 상기 가스 혼합 캐비티(65)로의 접선방향 개구를 제공한다. 반응 가스들 각각의 스트림(화살표 60과 62로 지시됨)은 이 컷아웃(66, 68)을 통해 접선 방향으로 유동하여 상기 캐비티(65)로 흐르고, 여기에서 상기 가스들이 서로 왕성하게 혼합된다. 그 다음, 상기 혼합 가스는 도 4의 화살표(69)로 지시되는 바와 같이, 상기 공동 스터브(40)를 통해 즉시 흘러 내린다.
이제 도 3을 참조하면, 조립된 혼합 블록(20)의 원통형 부재(44)의 단면이 도시되어 있다. 화살표(60)로 지시되는 하나의 반응 가스 스트림의 유동은 내부 통로(70)를 따라 흐르고, 이 내부 통로(70)는, 상기 스트림이 부재(44) 내의 컷아웃(66)(도 2 참조)을 접선방향으로 통과하여 캐비티(65)로 유동하기 직전에, 이 가스 스트림의 유동을 전환시킨다. 화살표(62)로 지시되는 나머지 반응 가스 스트림의 유동은 짧은 내부 통로(72)를 따라 흐르고, 상기 컷아웃(68)을 통해 캐비티(65)로 접선방향으로 상기 제 1 스트림의 유동과 반대 방향에서 유동한다. 이는 상기 2개의 가스 스트림의 소용돌이 형태의 혼합과 휘저어짐을 일으키고, 이들은 혼합과 동시에 도 2의 화살표 69로 지시된 바와 같이 공동 스터브(40)를 통해 즉각 흘러 내린다.
이제 도 4를 참조하면, 상기 장치(10)의 일부 단면이 도시되어 있다. 여기에는 리드 프레임(lid frame)(18)의 일부와, 혼합 블록(20)과 그 구성요소, 가스 라인(24)과, 앞서 설명된 가스 도관(30)(도 2 참조)이 도시되어 있다. 도 4에는 또한, 통공(81)들이 뚫린 제 1 가스 확산 (블로커(blocker)) 플레이트(80)와, 통공(83)과 중앙 통공(85)이 뚫린 제 2 가스 확산 (페이스(face)) 플레이트(샤워 헤드)(82)와, 가열기 조립체(84), 및 상기 가열기 조립체(84)의 상면(86) 위에 놓여진 대직경 반도체 웨이퍼(W)가 도시되어 있다. 이하에서 설명될 바와 같이, 상기 블로커 플레이트(80)와 페이스 플레이트(샤워 헤드)(82)는 함께 반응 가스의 높은 균일성의 혼합물을 웨이퍼(W) 위로 유동시키는 수단으로서 작용한다. 도 1에서 2개의 페이스 플레이트(82)가 외곽선을 점선(리드 개방)으로 하여 도시되어 있고, 여기서 2개의 챔버 캐비티 각각에 대한 페이스 플레이트(및 샤워 헤드)는 각각 상기 장치(10) 내에 있음을 주목해야 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 블로커 플레이트(80)와 페이스 플레이트(82)는 적절한 수단으로 상기 리드 프레임(18)의 밑면에 부착되고, 수직 축선(46)에 중심이 맞추어 진다. 상기 웨이퍼(W)는 웨이퍼(W)의 가장자리에 접하는 가열기 페이스(86)의 테두리 주위의 테이퍼진 어깨부(88)에 의해 자동적으로 상기 축선(46) 상에 중심이 맞추어진다. 상기 가열기 조립체(84)는, 상기 웨이퍼(W)가 가공 도중에 상기 페이스 플레이트(82) 밑면에 알맞게 근접하여 유지되도록 "위(up)" 위치에 있다. 주어진 가공 단계 후, 가열기 조립체(84)는 화살표(89)로 지시되는 바와 같이 상기 웨이퍼(W)가 챔버 캐비티에서 제거되고 다른 웨이퍼가 삽입될 수 있도록 "아래(down)" 위치로 이동한다. 가열기 조립체(84)는, 가열기 페이스(86) 위의 웨이퍼(W)를 들어 올리고 이를 상기한 방식으로 챔버 캐비티에서 쉽게 제거하기 위하여, (도시되지 않은 메카니즘에 의해) 도시된 "아래(down)" 위치로부터 들어올려진 웨이퍼(W) 밑면에 3개 또는 그 이상의 리프트 핑거(lift finger)(90)(2개만 도시됨)를 가진다.
반응 가스들은, 상기 캐비티(65) 내에서 서로 혼합된 후, 화살표(69)로 지시된 바와 같이 아래로 유동하고, 먼저 상기 블로커 플레이트(80)와 그 통공들(81)에 의해 웨이퍼(W)에 의해 형성되는 영역 윗쪽에 퍼뜨려진다. 그 다음, 상기 블로커 플레이트(80)보다 훨씬 많은 수의 통공(83)들을 보유하는 페이스 플레이트(82)가 상기 반응 가스들을 웨이퍼(W)의 노출된 윗쪽 면 위로 흘러 내리는 균일 혼합물로 더 퍼뜨린다. 상기 유동하는 반응 가스들은 펌프(도시 안됨)에 의해 챔버 각각의 아랫부분으로부터 배출된다. 각 챔버의 벽면과, 리드 조립체(14)와 리드 프레임(18)은, 도시되지 않은 파이프와 통로들을 통한 냉각 유체의 흐름에 의하여 가열기 조립체(84)와 웨이퍼(W)의 온도보다 훨씬 낮은 온도로 유지된다.
이제 도 5를 참조하면, 블로커 플레이트(80)와 그를 통해 난 통공(81)(도 4참고)의 평면도가 도시되어 있다. 통공(81)은 여기에 도식적으로 도시되어 있으나, 실제로는 본 발명의 일측면에 의해 제공되는 특정 패턴으로 동심원 상에 배열되어 있다. 상기 블로커 플레이트(80)는 위치(92)에서 영(zero) 지표를 가지고, 이 지표에 통공들(81)이 참조되어진다. 다음의 차트 1은, 300mm 웨이퍼(W)를 가공하기 위해 설계된 본 발명 장치의 특정한 일실시예의 블로커 플레이트(80) 내의 각 원 위의 통공(81) 수와 그리고 방사상의 각(angle) 위치를 표시한 것이다. 상기 통공(81)은 두께가 약 0.3 inch인 플레이트(80)를 관통하여 연장되고, 직경이 약 28 mils(1 mils는 1 1/1000 inch)이다. 통공(81)의 총수는 대략 1310개이나, 블로커 플레이트(80)의 중심에는 통공이 없다. 도시한 실시예에서, 통공은 28개의 동심원을 따라 고른 간격으로 배열되어 있고, 그 동심원들의 직경은 인치(inch)단위로 주어진다.
Figure 112000003432219-pat00001
이제 도 6을 참조하면, 페이스 플레이트(82)와, 이를 통한 통공(83), 및 중앙 통공(85)이 도시되어 있다(도 4 참조). 상기 여기에서 통공(83)(및 통공(85))은 도식적으로 도시되어 있으나, 실제로는 이들은 본 발명의 일측면에 따라 제공되는 특정 패턴으로 동심원 상에 배열된다. 상기 페이스 플레이트(82)는 위치(93)에서 영(zero) 지표를 가지고, 상기 통공(83)들은 이 지표에 참조되어진다. 블로커 플레이트(80)의 상기 지표(92)와 지표(93)는, 페이스 플레이트(82)와 블로커 플레이트(80)가 리드 프레임(18)의 아랫 면에 함께 부착될 때 서로 정렬된다(도 4 참조). 다음의 차트 2는 300mm 웨이퍼(W)를 가공하기 위해 설계된 본 발명 장치의 특정한 일실시예의 페이스 플레이트(82) 내의 각 원 위의 통공(83) 수와, 방사상의 각 위치를 표시한 것이다. 도시한 일 실시예에서, 상기 통공(83)은 두께가 약 0.6 inch인 플레이트(82)를 통해 연장되고, 직경이 약 28 mils이다. 통공(83)의 총수는 대략 7350개이다. (더 작은 직경의) 중앙 통공(85)은 상기 페이스 플레이트(82)의 중심을 관통하고, 수직 축선(46)에 정렬된다(도 4참고). 통공(83)과 중앙 통공(85)은 50개의 동심원(중심을 포함)을 따라 고른 간격으로 배열되어 있고, 그 직경은 인치(inch)단위로 주어진다. 상기 통공(83) 및 중앙 통공(85)은 이하에서 보다 상세히 설명된다.
Figure 112000003432219-pat00002
상기 차트 2에서, 49와 50으로 넘버링된 최종 2개의 원은 300mm 웨이퍼(W)의 가장자리 밖으로 어느정도 연장된다는 것에 주목하여야 한다. 이는 이러한 웨이퍼 의 가장자리 밖으로까지 반응 가스의 균일한 흐름을 보장해 주고, 또한 상기 반응 가스에 의해 높은 균일성의 절연층을 증착하는데 있어 중요한 것이다. 예를 들어, 웨이퍼(W)는 가공 도중 페이스 플레이트(82) 바닥의 약 50mils 아래에서 유지된다.
도 7을 참조하면, 페이스 플레이트(82)의 중심의 일부를 통해 상기 중앙 통공(85)의 세부를 확대 수직 단면으로 도시하였다. 상기 통공(85)의 상부는 95에서 상기 플레이트(82)의 전체는 아니지만 대부분을 관통하여 연장되는 제 1 직경 보어를 갖는다. 상기 통공(85)의 하부는 상기 플레이트의 나머지 두께를 통과하는 제 2 직경 보어(96)를 갖는다. 상기 제 1 보어의 직경은 제 2 보어의 직경보다 크다. 상기 통공(85)의 축선은 수직 축선(46)과 일치한다. 상기 통공(85)의 작은 보어(96)는 웨이퍼(W) 바로 위에서 페이스 플레이트(82) 하부에 위치한다(도 4 참조). 예로서, 상기 중앙 통공(85)중 작은 보어(96)는 약 23mils의 직경을 가지고, 큰 보어(95)는 이보다 약 2배의 직경을 갖는다. 작은 보어(96)는 플레이트(82)를 0.1 inch의 두께만큼 관통하여 연장되고, 플레이트(82)의 총 두께는 0.6 inch이다. 페이스 플레이트(82)의 통공(83)은 중앙 통공(85)과 모양이 매우 유사하나, 상기 통공(83)의 작은 보어의 직경은 중앙 통공(85)의 상기 보어(96)의 직경보다 약간 크다(예컨대, 약 28mils). 이러한 통공(83)과 중앙 통공(85)의 깔때기 모양(funnel shape)의 이중 직경은 통공의 형상의 고정밀도와 정확한 위치를 보장하고, 이러한 정밀도는 차례로, 웨이퍼(W) 상에 증착되는 절연층 내의 실질적으로 완벽한 균일성을 얻도록 하는데 기여한다. 중앙 통공(85)의 작은 보어(96)의 직경을 통공(83)의 작은 보어의 대응하는 직경보다 약간 작게 형성하는 것(예컨대, 23mils 대 28mils)은 더욱이 웨이퍼(W)의 직경을 따라 균일한 절연층을 얻는데 기여한다.
상기 상세한 설명은 본 발명을 설명하고자 의도된 것이지, 본 발명을 제한하고자 한 것은 아니다. 이 기술분야의 전문가에게는 상기 기술된 방법 및 장치에 대하여, 첨부된 특허청구범위에서 서술된 바와 같은 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않는 여러가지 작은 변화가 가능할 것이다. 예를 들면, 본 발명은 2개의 웨이퍼(W)를 동시에 가공하거나 300mm 직경의 웨이퍼를 가공하는데만 제한되는 것은 아니다. 또한, 가스 분산 플레이트를 관통하는 통공의 특정한 갯수, 치수 및 형상은 웨이퍼 가공의 조건에 따라 약간의 변화에 적응하도록 변경될 수 있다. 또한, 가스 혼합 블록의 특정한 치수와 형상은 이러한 가공 조건의 변경에 적응하기 위해 약간 변화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상호 반응하는 2개의 분리된 가스 스트림을 혼합한 다음, 상기 반응 가스들이 챔버 내에서 대직경 반도체 웨이퍼 상에 산화 규소 절연층의 매우 균일한 증착을 일으키는 방식으로 웨이퍼 가공 챔버 내로 이들을 즉각 유동시키는 방법이 제공된다.
공정적 측면에서, 본 발명은 반응 가스의 혼합물로부터의 화학 기상 증착에 의해 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법을 제공한다.
또한, 장치적 측면에서, 본 발명은 반응 가스로부터 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하기 위한 장치를 제공한다.

Claims (19)

  1. 반응 가스들의 혼합물로부터 화학 기상 증착에 의해 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법으로서,
    분리된 제 1 및 제 2 가스 스트림으로부터 하나의 층이 증착되어지는 반도체 웨이퍼에 근접되게 상기 제 1 및 제 2 가스의 혼합물 - 상기 제 1 및 제 2 가스의 혼합물은 상기 제 1 및 제 2 가스를 혼합 블록 안으로 마주하는 접선 방향으로 공급하여 소용돌이 형태로 형성됨 - 을 형성하는 단계;
    상기 가스들의 혼합물로부터 반응 가스들의 균일 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하기 위하여 상기 웨이퍼의 표면 윗쪽과 표면 상에 혼합된 반응 가스들의 균일 혼합물을 유동시키는 단계
    를 포함하는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 가스의 혼합 직후 하나의 가스 분산 플레이트를 통하여 상기 혼합 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 가스 분산 플레이트는 다수개의 관통하는 통공 패턴을 가지며, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 영역과 동일한 영역을 가지며, 그리고 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 근접하여 있는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    혼합 직후 제 1 가스 분산 플레이트를 통하여 상기 혼합 가스를 유동시키는 단계; 및
    상기 혼합 가스가 상기 제 1 가스 분산 플레이트를 통과한 후 제 2 가스 분산 플레이트를 통하여 상기 혼합 가스를 유동시키는 단계
    를 더 포함하며, 상기 제 1 가스 분산 플레이트는 소정 패턴의 다수개의 관통하는 통공을 가지며 상기 제 2 가스 분산 플레이트에 근접하고, 상기 제 2 가스 분산 플레이트는 소정 패턴의 다수개의 관통하는 통공을 가지며, 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 영역과 동일한 영역을 가지며, 상기 반도체 웨이퍼에 근접하여 있고, 또한 상기 제 1 및 제 2 가스 분산 플레이트는 반응 가스의 균일 혼합물이 상기 제 2 가스 분산 플레이트에서 배출되어 반도체 웨이퍼의 윗쪽과 표면 상으로 유동하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 균일한 층을 형성하도록 상호 정확하게 인덱싱되어 있는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 형성된 층은 이산화 규소이고, 대기압 이하 화학 기상 증착을 이용하여 형성되는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 스트림은 헬륨이나 질소 같은 가스 내의 유기 증기를 포함하고, 상기 제 2 가스 스트림은 오존을 포함하는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이산화 규소층의 형성은 챔버 내에서 이루어지고, 상기 형성에 후속하여 이온화된 NF3와 같은 세정 가스를 이용해서 상기 챔버가 세정되어 상기 반응 가스의 화학적 잔여물이 제거되는, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 방법.
  7. 가공 중의 반도체 웨이퍼를 포함하도록 구성된 챔버를 내부에 형성한 하우징;
    가스 혼합 캐비티가 형성되어 있는 혼합 블록;
    상기 혼합 캐비티의 접선 방향의 한 방향에서 제 1 반응 가스를 수용하기 위한 혼합 캐비티의 제 1 입구;
    상기 혼합 캐비티의 접선 방향의 반대 방향에서 상기 혼합 캐비티로 제 2 반응 가스를 수용하는 제 2 입구로서, 상기 제 1 및 제 2 입구를 통해 유동하는 가스들이 상기 혼합 캐비티 내에서 선회하여 서로 혼합되도록 하는 제 2 입구; 및
    상기 반도체 웨이퍼에 근접 위치되는 상기 혼합 캐비티의 출구
    를 포함하는, 반응 가스로부터 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 가스 분산 플레이트를 더 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 가스 분산 플레이트는 다수개의 관통하는 통공을 각각 형성하되 상기 제 1 가스 분산 플레이트는 그 중심에 위치하는 관통 통공을 보유하지 않고, 상기 제 1 가스 분산 플레이트는 상기 혼합 캐비티의 출구에 근접하여 위치하는 통공을 보유하고, 또한 상기 제 2 가스 분산 플레이트에 근접하여 위치하며, 그리고 상기 제 2 가스 분산 플레이트는 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층이 형성되도록 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 근접하여 출구를 갖는, 반응 가스로부터 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 층을 형성하는 장치.
  9. 가공 중의 반도체 웨이퍼를 포함하도록 구성된 챔버를 내부에 형성한 하우징;
    상기 챔버의 주위에 상기 하우징과 밀폐의 실링을 형성하기 위하여 상기 하우징의 상면에 위치한 리드 프레임;
    웨이퍼가 수직 축선을 따라 중앙에 위치하도록 유지하고 가공 중에 주변 온도보다 높은 온도로 유지하기 위하여 상기 하우징 챔버 내에 위치한 가열기 조립체;
    상기 리드 프레임에 부착되고 일반적으로 중심 축선과 정렬된 가스 혼합 캐비티를 가지는 혼합 블록;
    상기 혼합 캐비티로 접선 방향의 한 방향에서 상기 혼합 캐비티의 제 1 입구에 연결된 제 1 반응 가스 공급원;
    상기 혼합 캐비티 내에서 가스들이 상기 제 1 및 제 2 입구를 통해 흐르는 가스들이 상기 캐비티 주위에서 선회하면서 즉시 상호 혼합되도록, 상기 혼합 캐비티로 접선 방향의 반대 방향에서 상기 혼합 캐비티의 제 2 입구에 연결되는 제 2 반응 가스 공급원;
    웨이퍼의 영역과 일치하는 영역을 가진 통공된 하나의 분산 플레이트를 보유한 가스 살포 수단; 및
    상기 혼합 캐비티로부터 상기 가스 살포 수단을 통해 상기 챔버의 밖으로 가스를 배출시키는 펌프
    를 포함하는, 반응 가스를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 층을 증착하는 반도체 웨이퍼 가공 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가스 살포 수단은, 서로 근접하게 배치되고 서로 인덱싱된 블로커 플레이트와 페이스 플레이트를 포함하고, 상기 블로커 플레이트는 관통하는 통공들을 형성하나 중앙 통공을 보유하지 아니하고, 상기 페이스 플레이트는 수직 축선을 따라 상기 웨이퍼의 중심 및 상기 가스 혼합 캐비티와 정렬된 중앙 통공을 포함한 관통하는 통공들을 형성하여, 300 mm 직경의 반도체 웨이퍼가 그 표면 상에 균일한 두께의 층을 가지도록 하는, 반응 가스를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 층을 증착하는 반도체 웨이퍼 가공 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 블로커 플레이트 내의 통공들의 직경이 28 mils이고, 상기 페이스 플레이트 내의 중앙 통공의 직경이 23 mils이고 나머지 통공들의 직경이 28 mils이며, 상기 페이스 플레이트 내의 통공들은 깔대기 형상인, 반응 가스를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 층을 증착하는 반도체 웨이퍼 가공 장치.
  12. 삭제
  13. 반응 가스를 이용하여 대기압 이하 화학 기상 증착에 의해 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 두께의 이산화 규소층을 형성하기 위한 300mm 직경을 가지는 반도체 웨이퍼의 가공 장치로서,
    웨이퍼를 가공하기 위한 챔버를 둘러싸는 하우징;
    상기 하우징과 상기 챔버의 밀폐 실링을 형성하기 위한 리드 프레임;
    웨이퍼가 적절한 위치에서 수직 축선을 따라 중앙에 위치하도록 유지하고 가공 중에 상승된 온도로 유지하기 위하여 상기 하우징 챔버 내에 위치한 가열기 조립체;
    상기 리드 프레임에 부착되고 중심 축선과 정렬된 가스 혼합 캐비티와 상기 웨이퍼 챔버로의 개구를 가지는 가스 혼합 블록;
    상기 혼합 캐비티로 제 1 가스를 분사하기 위한 제 1 반응 가스 공급 라인;
    상기 혼합 캐비티로 제 2 가스를 분사하기 위한 제 2 반응 가스 공급 라인;
    상기 가스 혼합 캐비티의 바로 아래에서 상기 리드 조립체의 밑면에 부착된 통공된 블로커 플레이트로서, 반도체 웨이퍼의 표면과 동일한 영역 위로 퍼지는 블로커 플레이트; 및
    상기 블로커 플레이트의 바로 아래에서 상기 리드 조립체의 밑면에 부착된 통공된 페이스 플레이트
    를 포함하고, 상기 제 1 반응 가스 공급 라인은 상기 혼합 캐비티의 일측부 상에 법선 방향으로 결합하고 상기 제 2 반응 가스 공급 라인은 상기 캐비티의 마주하는 측부에서 법선 방향으로 그리고 상기 제 1 라인에 마주하는 방향으로 결합하여, 상기 반응 가스들이 주위에서 소용돌이 치고 함께 혼합되도록 상기 캐비티 안으로 주입되며, 상기 페이스 플레이트는 웨이퍼의 영역보다 큰 영역 위로 반응 가스를 균일 혼합물로 하여 분사하고, 상기 블로커 플레이트와 상기 페이스 플레이트는 서로 상대적으로, 또한 수직 축선에 대해 인덱싱되고, 상기 블로커 플레이트는 다수개의 통공을 형성하나 중앙 통공을 포함하지 않고, 상기 페이스 플레이트는 상기 수직 축선을 따라 관통하는 중앙 통공을 형성하고 다수개의 다른 통공을 형성하며, 상기 블로커 플레이트 및 상기 페이스 플레이트 내의 통공들은 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 이산화 규소층이 증착되도록 미리 정해진 패턴으로 배열되는, 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 반응 가스 공급 라인이 상기 혼합 캐비티의 일측상에 접선 방향으로 연결되고, 제 2 반응 가스 공급 라인이 상기 캐비티의 반대쪽 면 상에 상기 제 1 반응 가스 공급 라인에 대한 방향과 반대 방향으로 접선 방향으로 연결되어, 상기 반응 가스가 캐비티 내로 주입되어 선회하고 서로 완전히 혼합되도록 하는, 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 페이스 플레이트 내의 중앙 통공은 23 mils의 직경을 가지고, 페이스 플레이트 내의 나머지 통공들과 블로커 플레이트 내의 통공들은 28 mils의 직경을 가지는, 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    웨이퍼가 가공된 다음에 반응 가스의 화학적 잔여물을 제거하기 위해 상기 혼합 캐비티, 블로커 플레이트, 페이스 플레이트 및 웨이퍼 챔버를 통해 세정 가스를 유동시키는, 가스 혼합 블록의 윗쪽에 부착된 세정 가스 공급 라인을 더 포함하는, 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  17. 대기압 이하 화학 기상 증착에 의해 반응 가스의 혼합물을 이용하여 반도체 웨이퍼 각각의 표면 상에 균일한 두께의 산화 규소층을 부가하기 위한, 각각 300mm의 직경을 갖는 2개의 반도체 웨이퍼를 동시에 가공하는 장치로서,
    가공을 위한 챔버의 제 1 및 제 2 캐비티를 둘러싸고, 각각의 챔버 캐비티가 각각 수직 축선을 보유하는 하우징;
    상기 하우징과 각 챔버 캐비티의 밀폐 실링을 형성하는 리드 조립체;
    웨이퍼가 적절한 위치에서 각 수직 축선을 따라 중앙에 위치하도록 유지하고 가공 중 상승된 온도로 유지하기 위하여 상기 각각의 챔버 캐비티 내에 위치한 제 1 및 제 2 가열기 조립체;
    각 수직 축선과 정렬된 가스 혼합 캐비티와 각각의 웨이퍼 챔버 캐비티로의 개구를 보유한, 상기 리드 조립체에 부착된 제 1 및 제 2 가스 혼합 블록;
    상기 혼합 캐비티의 각각으로 제 1 가스를 분사하기 위한 제 1 반응 가스 공급 라인과, 상기 혼합 캐비티의 가각으로 제 2 가스를 분사하기 위한 제 2 반응 가스 공급 라인으로서, 상기 제 1 반응 가스 라인은 각 혼합 캐비티의 일면상에 접선 방향으로 위치하고, 상기 제 2 반응 가스 라인은 상기 제 1 반응 가스 라인과 반대 방향에서 각 캐비티의 반대쪽면 상에 접선 방향으로 위치하여, 상기 반응 가스들이 각 캐비티 내로 주입되어 선회되고 즉각 완전 혼합되도록 하는 제 1 가스 공급 라인 및 제 2 가스 공급 라인;
    각 가스 혼합 캐비티의 바로 아래에서 상기 리드 조립체의 밑면에 각각 부착되고, 각 혼합 캐비티로부터 흘러나온 혼합된 반응 가스를 웨이퍼의 영역과 동일한 영역 위로 분사하는 제 1 및 제 2 통공된 블로커 플레이트; 및
    각 블로커 플레이트의 밑면에 가깝게 리드 조립체의 밑면에 각각 부착되고, 웨이퍼의 영역보다 큰 영역 위로 반응 가스의 균일 혼합물을 분사하는 제 1 및 제 2 통공된 페이스 플레이트
    를 포함하고, 상기 각 블로커 플레이트 및 페이스 플레이트는 상호 인덱싱되고 수직 축선에도 인덱싱되며, 상기 각 블로커 플레이트는 다수개의 관통하는 통공을 형성하나 중앙 통공은 보유하지 않고, 상기 각 페이스 플레이트는 중앙 통공과 다수개의 관통하는 통공을 형성하고, 상기 블로커 플레이트 및 상기 페이스 플레이트 내의 통공들은 가공 중의 각 반도체 웨이퍼의 표면 상에 균일한 규소층이 증착되도록 미리 정해진 패턴으로 배열되어 있는, 2개의 반도체 웨이퍼를 동시에 가공하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 각 페이스 플레이트 내의 중앙 통공은 23 mils의 직경을 가지고, 상기 페이스 플레이트 내의 나머지 통공들과 상기 블로커 플레이트 내의 통공들은 28 mils의 직경을 가지는, 2개의 반도체 웨이퍼를 동시에 가공하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    웨이퍼가 가공된 다음에 반응 가스의 화학적 잔여물을 제거하기 위해 상기 각 혼합 캐비티, 블로커 플레이트, 페이스 플레이트 및 웨이퍼 챔버를 통해 세정 가스를 유동시키기 위하여, 상기 각 가스 혼합 블록의 윗쪽에 부착되는 세정 가스 공급 라인을 더 포함하는, 2개의 반도체 웨이퍼를 동시에 가공하는 장치.
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