KR100808870B1 - 반도체소자 제조용 클러스터 장비 및 이를 이용하는 박막형성방법 - Google Patents

반도체소자 제조용 클러스터 장비 및 이를 이용하는 박막형성방법 Download PDF

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Abstract

배치형 고압열처리 챔버가 부착된 클러스터 장비 및 이를 이용하는 박막형성방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 클러스터 장비는, 이송챔버; 상기 이송챔버의 측면에 부착되는 로드락 챔버, 프로세스 챔버 및 기판이 배치형으로 장입되어 고압열처리 공정을 수행되는 고압열처리 챔버; 및 상기 이송챔버의 내부에서 상기 기판을 이송하는 기판 이송수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 모든 공정이 클러스터 장비 내에서 이루어지기 때문에 파티클의 발생이나 공정시간을 단축시켜 생산수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 재현성 높게 반도체소자를 제조할 수 있다. 이러한 효과는 고압열처리 챔버가 배치형 챔버라는 점에서 더욱 크게 나타난다.
클러스터 장비, 고압열처리, 게이트 절연막, 박막

Description

반도체소자 제조용 클러스터 장비 및 이를 이용하는 박막형성방법 {Cluster tool for fabricating a semiconductor device and thin film forming method using the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조용 클러스터 장비를 설명하기 위한 개략도; 및
도 2는 도 1의 클러스터 장비를 이용하여 게이트 절연막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
100: 이송 챔버 105: 웨이퍼 이송수단
110: 제1로드락 챔버 115: 제2로드락 챔버
120: 제1프로세스 챔버 125: 제2프로세스 챔버
130: 고압열처리 챔버 140: 카세트 로딩부
본 발명은 반도체소자 제조용 클러스터 장비에 관한 것으로서, 특히 배치형 고압열처리 챔버가 부착된 클러스터 장비에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기의 클러스터 장비를 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관한 것이기도 한다.
반도체 산업은 기술적 및 경제적인 요구에 부응하기 위하여 필연적으로 공정의 통합화(process integration) 방향으로 향하고 있다. 공정의 통합화란 각기 다른 프로세스 챔버(process chamber)에서 실행되던 복합 공정을 한 대의 클러스터 장비(cluster tool) 안에서 실행하는 것을 말한다. 클러스터 장비란 진공 중에서 별도의 공정을 연속적으로 수행할 수 있도록 복수개의 챔버들을 하나의 플랫폼(platform)에 부착한 장비를 말한다.
한편, 반도체소자를 제조하는 과정에서는 박막을 증착한 후에 박막의 질을 개선시키거나 원하는 상(phase)을 얻기 위하여 적절한 분위기에서 열처리하는 공정을 통상적으로 행한다. 이러한 열처리 공정 중에서 1 ~ 10 atm 의 압력범위에서 행해지는 것이 있는데 이를 일반적으로 고압열처리 공정(High Pressure Process, HPP)이라고 한다. 고압열처리 공정의 적용 예로서는 필드 산화막(field oxidation) 형성공정이나 BPSG막과 같은 층간 절연막을 평탄화시키기 위한 리플로우(reflow)공정 등을 들 수 있다. 필드 산화막은 게이트 산화막 처럼 아주 치밀할 필요는 없고 적당한 치밀도를 가지면서 두껍게 형성되어져야 하기 때문에 빠른 속도로 성장시키는 것이 바람직하다. 따라서, 산소공급에 의한 제한을 받지 않도록 산소성분이 충분한 고압 하에서 산화 열처리 공정을 행하는 것이다. 그리고, 리플로우 공정을 고 압 하에서 진행하는 이유는 고압 하에서 리플로우에 의한 평탄화가 더 잘 일어나기 때문이다.
클러스터 장비 내에서 로버트 아암의 이송에 의해 웨이퍼가 대기중에 노출됨이 없이 반도체소자 제조공정이 진행되는 오늘날의 일반적인 추세와는 달리, 이러한 고압열처리 공정은 현재 별도의 매엽식 석영로(single wafer type quartz furnace) 안에서 행해지고 있다.
고압열처리 공정을 행하기 위해서는 소정의 공정을 거친 웨이퍼를 이와 같이 매엽식 석영로로 이송하는 절차가 필요하므로, 웨이퍼를 매엽식 석영로로 이송하는 중에 웨이퍼가 대기중에 노출되어 웨이퍼에 파티클이 발생할 수 있는 확률이 높아진다. 또한, 웨이퍼를 장입한 다음에 석영로의 온도와 압력을 조절하여 열처리 조건을 조성하는 절차가 웨이퍼 한 장이 매엽식 석영로에 장입될 때마다 행해져야 하기 때문에 공정시간이 길어지고 공정 재현성에도 문제가 있게 된다. 특히, 열처리 전의 공정이 배치형으로 마무리 된 경우에도 하나의 웨이퍼 만이 석영로 안에 장입되기 때문에 위와 같은 문제가 더욱 심화되게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 종래의 문제를 해결 할 수 있도록 배치형 고압 열처리 챔버를 구비하는 반도체소자 제조용 클러스터 장비를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제의 달성에 의하여 제공되는 반도체소자 제조용 클러스터 장비를 이용함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 박막형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 제조용 클러스터 장비는: 이송챔버; 상기 이송챔버의 측면에 부착되는 로드락 챔버, 프로세스 챔버 및 기판이 배치형으로 장입되어 고압열처리 공정을 수행되는 고압열처리 챔버; 및 상기 이송챔버의 내부에서 상기 기판을 이송하는 기판 이송수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 프로세스 챔버는 매엽식이며, 상기 고압열처리 챔버에는 6~12개의 기판이 장입되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형성방법은: 상기 로드락 챔버에 기판을 장입하는 제1단계; 상기 로드락 챔버에 장입된 상기 기판을 상기 프로세스 챔버로 이송하는 제2단계; 상기 프로세스 챔버에서 상기 기판 상에 박막을 증착하는 제3단계; 상기 프로세스 챔버의 상기 기판을 상기 고압열처리 챔버로 이송하는 제4단계; 상기 고압열처리 챔버에 상기 기판이 2 개 이상 장입될 때까지 상기 제4단계를 반복하는 제5단계; 및 상기 고압열처리 챔버에서 1 ~ 10atm으로 상기 2개 이상의 기판을 열처리하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조용 클러스터 장비를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 다면체 이송 챔버(100)의 측면에는 제1로드락 챔버(110), 제2로드락 챔버(115), 제1프로세스 챔버(120), 제2프로세스 챔버(125), 및 본 발명의 특징부인 고압열처리 챔버(130)가 부착된다. 여기서, 제1프로세스 챔버(120) 및 제2프로세스 챔버(125)는 매엽식 챔버이며, 고압열처리 챔버(130)는 6~12개의 웨이퍼를 장입시킬 수 있는 배치형 챔버이다. 프로세스 챔버(120, 125)는 경우에 따라서는 배치형 챔버일 수도 있다. 챔버들(110, 115, 120, 125, 130) 간의 웨이퍼 이송은 이송 챔버(100) 내부에 설치되는 웨이퍼 이송수단(105)에 의하여 행해진다. 이송 챔버(100)로부터 소정간격 이격된 위치에는 웨이퍼 카세트가 보관되는 카세트 로딩부(140)가 설치된다.
도 2는 도 1의 클러스터 장비를 이용하여 게이트 절연막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 먼저, 카세트 로딩부(140)에 있던 실리콘 웨이퍼를 제1로드락 챔버(110)에 장입한다(S1 단계). 이 때, 웨이퍼들은 매엽식으로 제1로드락 챔버(110)에 장입될 수도 있고, 배치형으로 장입될 수도 있다. 다음에, 웨이퍼 이송수단(105)을 사용하여 제1 로드락 챔버(110)에 장입된 웨 이퍼를 제1프로세스 챔버(120) 이송시킨다(S2 단계). 그리고, 제1프로세스 챔버(120)를 산소분위기로 만들어 열처리함으로써 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘산화물(SiO2)로 이루어지는 게이트 절연막을 형성한다(S3 단계). 또는 질소 및 산소 함유 분위기에서 열처리함으로써 질화실리콘산화물(SiOxNy)로 이루어지는 게이트 절연막을 형성할 수도 있다. 물론, 실리콘산화막을 먼저 형성한 후에 질소분위기에서 더 열처리 함으로써 질화실리콘막을 형성할 수도 있다.
이와 같이 게이트 절연막을 형성한 후에, 웨이퍼 이송수단(105)을 이용하여 웨이퍼를 제2프로세스 챔버(125)로 이송시킨다(S4 단계). 이어서, 제2프로세스 챔버(125)에 실리콘 소스기체 및 질소 소스기체를 주입하여 화학기상증착법으로 상기 게이트 절연막 상에 실리콘 질화물(Si3N4)로 이루어지는 캡핑층을 형성한다(S5 단계). 다음에, 캡핑층이 형성된 웨이퍼를 웨이퍼 이송수단(105)으로 고압열처리 챔버(130)에 이송한다(S6 단계).
상술한 과정을 반복함으로써 고압열처리 챔버(130) 내에 상기 캡핑층이 형성된 웨이퍼를 6~12개까지 장입시킨다(S7 단계). 이렇게 웨이퍼가 배치형으로 고압열처리 챔버(130)에 장입되면, 고압열처리 챔버(130)를 불활성가스 분위기로 만들어 1 ~ 10 atm 의 압력범위 및 400~800℃의 온도범위에서 고압열처리 챔버(130)에 장입된 웨이퍼를 열처리한다(S8 단계). S8 단계가 수행된 웨이퍼는 웨이퍼 이송수단(105)에 의해 제2로드락 챔버(115)로 이송되어 외부로 반출되게 된다(S9 단계, S10 단계). 제2로드락 챔버(115)는 반드시 있어야 되는 것은 아니며, 제2로 드락 챔버(115)가 없는 경우에는 S8 단계가 수행된 웨이퍼는 제1로드락 챔버(110)를 통해서 외부로 반출된다.
고압상태에서 열처리를 하게 되면 열전달 매체 즉, 기체원자가 많아지기 때문에 챔버를 보다 고온으로 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 그 승온시간도 짧아지게 된다. 따라서, 공정지연 시간이 줄어들게 된다. 또한, 박막에 열과 압력이 동시에 가해지므로 박막 내의 원자들이 재배열되어 박막이 더욱 치밀해지게 된다. 이러한 치밀성은 게이트 절연막의 경우에 매우 중요하다. 그리고, 고압상태로 만들려면 기체를 흘려보내는 시간이 소요되는데, 배치형으로 고압열처리 챔버(130)를 만들어 고압열처리 공정을 일괄처리함으로써 이러한 시간지연을 줄일 수 있다.
위에서는 게이트 절연막을 형성하는 경우만을 설명하였지만 이외에도 박막의 치밀성이 매우 크게 요구되는 커패시터용 유전막, 예컨대 HfO2막, ZrO2막, PZT막, Ta2O5막, TaO2막, 또는 BST막을 형성하는 경우에도 본 발명에 따른 고압열처리를 수행하는 것이 바람직하다.
게이트 절연막의 경우는 열산화법으로 게이트 절연막을 형성하고 화학기상증착법으로 캡핑층을 형성한 후에, 고압열처리를 행하기 때문에 두 개의 프로세스 챔버가 필요하지만, 고압열처리를 수행하기 전에 행해지는 공정에 따라서 프로세스 챔버는 세 개 이상이 될 수도 있다.
또한, 복수개의 프로세스 챔버가 설치되어 있다 할지라도 프로세스 챔버에서 모두 동일한 박막증착공정이 수행될 수도 있다. Ta2O5박막을 형성시킬 경우를 예로 들면, 제1프로세스 챔버(120) 및 제2프로세스 챔버(125)에 웨이퍼를 장입한 다음에 탄탈륨 소스기체와 산소 소스기체를 각각의 프로세스 챔버(120, 125)에 흘려보내서 제1프로세스 챔버(120) 및 제2프로세스 챔버(125)에서 모두 Ta2O5박막을 형성시키는 공정을 행하고, 이들 웨이퍼 2개를 고압열처리 챔버(130)에 장입하는 단계를 고압열처리 챔버(130)에 웨이퍼가 6~12개 장입될 때까지 반복하여 수행한 다음에 고압열처리를 행한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체소자 제조용 클러스터 장비 및 이를 이용하는 박막형성방법에 의하면, 모든 공정이 클러스터 장비 내에서 이루어지기 때문에 파티클의 발생이나 공정시간을 단축시켜 생산수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 재현성 높게 반도체소자를 제조할 수 있다. 이러한 효과는 고압열처리 챔버가 배치형 챔버라는 점에서 더욱 크게 나타난다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 이송챔버와, 상기 이송챔버의 측면에 설치되는 로드락 챔버와, 상기 이송챔버의 측면에 설치되는 프로세스 챔버와, 상기 이송챔버의 측면에 설치되는 배치형 고압열처리 챔버를 구비하는 반도체소자 제조용 클러스터 장비를 이용하는 박막형성방법에 있어서,
    상기 로드락 챔버에 기판을 장입하는 제1단계;
    상기 로드락 챔버에 장입된 상기 기판을 상기 프로세스 챔버로 이송하는 제2단계;
    상기 프로세스 챔버에서 상기 기판 상에 박막을 증착하는 제3단계;
    상기 프로세스 챔버의 상기 기판을 상기 고압열처리 챔버로 이송하는 제4단계;
    상기 고압열처리 챔버에 상기 기판이 2 개 이상 장입될 때까지 상기 제4단계를 반복하는 제5단계; 및
    상기 고압열처리 챔버에서 1 ~ 10atm으로 상기 2개 이상의 기판을 열처리하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제3단계에서 증착되는 박막이 HfO2, ZrO2, PZT, 또는 TaO2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제3단계에서 실리콘산화물 또는 질화실리콘산화물로 이루어지는 게이트 절연막을 형성하고, 상기 제6단계에서의 열처리가 200 ~ 1000℃의 온도범위에서 N2, Ar 또는 O2 분위기에서 행해지는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3단계 이후에, 상기 게이트 절연막 상에 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함한 후에, 상기 제4단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 캡핑층이 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 게이트절연막은 열산화법으로 형성되고, 상기 캡핑층은 화학기상증착법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
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