KR100872775B1 - 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 웨이퍼 제작용 횡형 확산로는 히팅 코일이 구비된 반응실; 개폐 가능한 덮개를 가지며 적어도 하나의 웨이퍼를 적재할 수 있는 보트; 상기 보트를 지지하는 지지대; 상기 지지대의 일측부와 결합되어 상기 지지대에 지지된 상기 보트를 상기 반응실로 이동시키는 운반대; 상기 지지대의 일측부에 형성되어 상기 웨이퍼가 적재된 보트에 가스를 주입하는 가스 주입구; 및 상기 가스 주입구를 통해 주입된 가스가 상기 보트에 제공되도록 상기 지지대의 길이 방향을 따라 형성된 가스 주입관을 포함한다.

본 발명에 따르면, 보트에 실리콘 웨이퍼 기판의 적재를 용이하게 할 수 있고, 웨이퍼 상에 형성되는 게이트 절연막의 두께를 균일하게 할 수 있다. 또한, 웨이퍼 상에 자연 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

열산화, 웨이퍼, 횡형 확산로, 캔틸레버, 가스 주입관, 가스 유출공

Description

반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로{Horizontal diffusion furnace for manufacturing semiconductor wafer}

본 발명은 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로(diffusion furnace)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 표면에 가스 출입공이 존재하며 개폐가 가능한 덮개를 구비한 보트를 이용하고, 캔틸레버 내에 가스 주입관을 설치한 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정에서 열산화, 열확산, 각종 어닐과 같은 웨이퍼 프로세스는 확산로에서 진행한다. 확산로는 크게 공정조건을 유지하기 위해 히팅 코일이 구비된 반응실과 웨이퍼를 적재한 보트가 위치하며 반응가스가 주입되는 석영관으로 구성되는데, 그 구조와 형태에 따라 횡형과 종형으로 구분된다.

금속 산화물 반도체의 게이트 절연막으로 사용되는 SiO₂ 산화막은 대개 열산화 공정에 의해 형성된다. 열산화 공정은 약 800℃의 온도로 제어되는 확산로의 석영관(Quartz tube) 내에서 이루어지며, 보통 30분 이내의 시간이 소요된다. 석영관 내에는 산소, 질소 또는 수소와 같은 반응가스가 주입되고, 반응가스가 주입되면 반응가스에 의해 실리콘이 산화되면서 단결정체인 웨이퍼 상에 수십 또는 수백 Å 두께의 SiO₂ 산화막이 형성된다.

도 1a는 종래의 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로의 구조를 도시한 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 이중 석영관의 종단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로는 공정 조건을 유지하기 위해 히팅 코일(2)이 구비된 반응실(1), 실리콘 웨이퍼(6)를 적재하는 보트(5), 상기 보트(5)를 수용하며 실리콘 웨이퍼(6)에 질소가스를 주입하는 이중 석영관(3)을 포함한다.

반응실(1)은 전방 및 후방 중 적어도 일단부가 개방된 원통 형태로, 반응실(1)의 내부에는 석영관(미도시)이 마련되어 있다. 상기 히팅 코일(6)은 반응실(1)의 내부 또는 외부를 둘러싸도록 형성되어, 전원 공급에 따라 반응실(1) 내부를 가열한다.

웨이퍼(6)를 적재하는 보트(5)는 보트(5)를 지지하는 캔틸레버(4)에 의해 상기 이중 석영관(3)으로 수평 이동한다.

이중 석영관(3)에는 캔틸레버(4)의 길이만큼 개방되어 캔틸레버(4)를 수용하는 캔틸레버 수용부(A)가 형성되어 있으며, 이중 석영관(3)의 일단에는 이중 석영관(3)을 반응실(1)로 수평 이동시킬 수 있는 운반대(9)가 마련되어 있다. 운반대(9)와 이중 석영관(3)의 연결 영역에는 보트(5)가 이중 석영관(3) 내부에 수용되었을 때, 이중 석영관(3) 내부로 질소가스를 주입할 수 있는 가스 주입구(7)가 형 성되어 있다. 또한, 운반대(9)와 이중 석영관(3)의 연결 영역에는 고리관(collar,8)이 설치되어 이들의 결합을 견고히 한다.

상기 횡형 확산로를 이용하여 열산화 공정을 진행하기 위해서는 먼저, 상기 이중 석영관(3)의 내부에 위치하는 보트(5)를 이중 석영관(3)의 외부로 이동시켜 보트(5) 위에 웨이퍼(6)를 적재한다. 보트(5)에 웨이퍼(6)가 적재된 다음에는, 보트(5)를 이중 석영관(3) 내부로 이동시키고 상기 운반대(9)를 이용하여 보트가 수용된 이중 석영관(3)을 반응실(1) 내부로 이동시킨다. 이때 웨이퍼(6) 상에 자연 산화막이 성장되는 것을 억제하기 위해 질소가스 주입구(7)를 통해 이중 석영관(3) 내부로 질소가스를 계속 흘려보낸다. 이후, 이중 석영관(3)은 운반대(9)에 의해 반응실(1) 내로 들어가고 보트(5)를 반응실(1) 내에 남겨둔 후에 반응실(1) 밖으로 빠져나온다. 반응실(1) 내의 반응가스 주입구(미도시)를 통해 산소, 수소 등의 반응가스가 주입되면 웨이퍼(6) 상에 게이트 절연막이 형성된다.

그런데 종래의 횡형 확산로에는 도 1b에서 도시한 바와 같이, 이중 석영관(3)의 밑부분에 보트(5)의 이동을 위해 캔틸레버(4)의 길이만큼 개방된 캔틸레버 수용부(A)가 형성되어 있다. 따라서, 이중 석영관(3)을 반응실(1)로 이동시킬 때 캔틸레버 수용부(A)를 통해 외부로부터 대기가스가 유입되어 웨이퍼(6) 상에 자연 산화막이 성장될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 보트(5)에 웨이퍼(6)를 적재하기 위해서는 이중 석영관(3)으로부터 보트(5)를 꺼내고 다시 넣어야 하는 불편함이 있다.

반도체 소자 제조 기술이 발전함에 따라 금속산화물반도체(MOS) 소자의 채널 길이가 점점 짧아지고, 게이트 절연막으로 사용되는 SiO₂ 산화막의 두께도 점점 얇아진다. 따라서 두께가 얇고 막질이 우수한 게이트 절연막을 얻기 위해서는 초기 열산화 공정시 자연 산화막 형성을 억제하는 것이 매우 중요한데, 종래의 횡형 확산로를 이용하면 상기와 같은 문제점으로 인해 막질이 우수한 게이트 절연막을 얻기 어려우며 공정의 진행이 용이하지 않다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 보트에 웨이퍼를 용이하게 적재할 수 있고, 초기 열산화 공정시 발생될 수 있는 자연 산화막의 성장을 최대한 억제하며, 보트 내의 가스 흐름이 균일하게 이루어지도록 하여 균일한 두께의 절연막이 형성되도록 하는 반도체 웨이퍼 제작용 횡형 확산로를 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 반도체 웨이퍼 제작용 횡형 확산로는 히팅 코일이 구비된 반응실; 개폐 가능한 덮개를 가지며 적어도 하나의 웨이퍼를 적재할 수 있는 보트; 상기 보트를 지지하는 지지대; 상기 지지대의 일측부와 결합되어 상기 지지대에 지지된 상기 보트를 상기 반응실로 이동시키는 운반대; 상기 지지대의 일측부에 형성되어 상기 웨이퍼가 적재된 보트에 가스를 주입하는 가스 주입구; 및 상기 가스 주입구를 통해 주입된 가스가 상기 보트에 제공되도록 상기 지지대의 길이 방향을 따라 형성된 가스 주입관을 포함한다.

바람직하게, 본 발명의 반도체 웨이퍼 제작용 횡형 확산로는 상기 보트가 상기 반응실에 출입할 때 상기 반응실의 출입구를 열고 닫는 셔터를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 보트는 웨이퍼가 적재되는 보트 본체, 상기 보트 본체와 분리 가능한 보트 덮개를 포함하며, 상기 보트 본체는 웨이퍼 적재용 개구가 형성된 웨이퍼 적재부를 포함한다.

바람직하게, 상기 보트 덮개에는 다수의 가스 출입공이 형성되며, 상기 가스 출입공의 직경은 3 내지 5 mm이다.

바람직하게, 상기 지지대는 막대형상의 캔틸레버이고, 상기 가스 주입관은 상기 지지대 내에 형성된다.

바람직하게, 상기 지지대 상에는 상기 가스 주입관을 통해 주입된 가스를 상기 가스 출입공으로 제공하기 위한 적어도 하나의 가스 공급공이 형성된다.

바람직하게, 상기 가스 주입구에 주입되는 가스는 질소 가스이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼의 열산화 공정시 덮개를 가진 보트를 이용하여 덮개를 개폐함으로써 보트에 실리콘 웨이퍼의 적재를 용이하게 할 수 있다. 또한, 보트의 표면에 형성된 가스 출입공을 통하여 가스가 균일하게 보트 내부로 유입되어 웨이퍼와 반응하도록 함으로써 웨이퍼 상에 형성되는 게이트 절연막의 두께를 균일하게 할 수 있다. 또한, 캔틸레버 내부에 질소가스 주입관을 설치하여 보트가 반응실 내부로 들어갈 때까지 질소가스를 보트 내로 계속 주입시킴으로써 웨이퍼 상에 자연 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

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

도 2a는 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 제작용 횡형 확산로의 구조를 도시한 단면도, 도 2b는 도 2a에 도시된 보트의 개폐 상태를 도시한 사시도, 도 2c는 웨이 퍼가 적재되는 보트 본체를 나타낸 부분 절취 사시도이다.

본 발명에 의한 횡형 확산로는 도 2a에 도시된 바와 같이, 전방 및 후방 중 적어도 일단부가 개방된 원통형으로서 내부에 석영관(미도시)을 가진 반응실(11), 웨이퍼(16)를 적재하기 위한 통 형상의 보트(15), 일측이 운반대(19)와 결합되며 상기 보트(15)를 지지하는 막대 형상의 캔틸레버(14), 상기 캔틸레버(14)의 일측부에 형성되며 정화가스인 질소가스의 주입을 위한 질소가스 주입구(17), 상기 캔틸레버(14)의 일측에 결합되어 상기 보트(15)를 상기 반응실(11) 내부로 수평 이동시키기 위한 운반대(19)로 이루어진다.

상기 캔틸레버(14)의 내부에는 상기 질소가스 주입구(17)와 상기 보트(15)를 연결하는 관통로인 질소가스 주입관(13)이 형성되고, 상기 캔틸레버(14) 상에는 상기 질소가스 주입관(13)을 통과한 질소가스가 보트(15)에 전달되도록 하기 위해 질소가스 공급공(30)이 형성된다.

상기 반응실(11)은 반응실의 내부 또는 외부를 둘러싸도록 형성되어 전원의 공급에 따라 반응실(11) 내부를 가열하는 히팅 코일(12), 반응실(11)의 출입구에 설치되어 보트(15)가 반응실(11)에 출입할 때 반응실(11)의 입구를 개폐하여 대기 가스가 반응실(11) 내부에 들어오는 것을 방지하는 셔터(20)를 구비한다.

상기 캔틸레버(14) 상에는 웨이퍼(16)가 적재되는 통 형상의 보트(15)가 위치되는데, 상기 보트(15)는 도 2b를 참조하면, 웨이퍼(16)가 적재되는 보트 본체(151), 상기 보트 본체(151)와 분리 및 결합할 수 있도록 형성된 보트 덮개(152)를 포함한다. 또한, 보트 본체(151) 및 보트 덮개(152)의 표면에는 전체적으로 3 내지 5 mm의 직경을 가지는 다수의 가스 출입공(21)이 형성된다. 상기 보트 본체(151)는 도 2c를 참조하면, 다수의 웨이퍼 적재용 개구(153)가 형성된 웨이퍼 적재부(154)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 횡형 확산로에서 열산화 공정을 진행하기 위해, 먼저, 보트(15)가 캔틸레버(14) 상에 위치된 상태에서 보트 덮개(152)를 위로 들어올린 후 보트 본체(151)에 웨이퍼(16)를 적재하고 보트 덮개(152)를 다시 덮는다. 다음 단계에서는, 운반대(19)를 이용하여 상기 보트(15)를 반응실(11) 내부로 이동시킨다. 이때 웨이퍼(16) 상에 자연 산화막이 형성되는 것을 방지하기 위해 보트(15)가 반응실(11) 내로 완전히 들어갈 때까지 질소가스 주입구(17)에 질소 가스를 계속 주입한다. 주입된 질소 가스는 질소가스 주입관(13), 질소가스 공급공(30) 및 보트(15)에 형성된 가스 출입공(21)을 통해 웨이퍼(16)에 확산된다.

보트(15)를 반응실(11) 내부로 이동시킬 때 반응실(11)의 출입구에 설치된 셔터(20)가 열리고, 캔틸레버(14)가 상기 보트(15)를 반응실(11) 내에 내려놓은 후 반응실(11) 밖으로 빠져나오면 셔터(20)가 닫힌다. 이후 반응실(11)의 일측부에 형성된 반응가스 주입구(미도시)를 통해 산소 및 질소 또는 수소와 같은 반응가스가 반응실(11) 내부로 주입되어 열산화 공정이 시작된다. 이때 상기 주입된 반응가스는 가스 출입공(21)을 통해 보트(15)에 적재된 웨이퍼(16)에 균일하게 확산된다. 이에 의해, 웨이퍼(16) 상에 두께의 균일도가 향상된 게이트 절연막을 얻을 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 기술적 보호 범위는 이에 한정되지 않고, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 이로부터 변형가능한 균등한 실시 예까지 포함되어야 한다.

도 1a은 종래 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로의 단면도.

도 1b는 도 1a에 도시된 이중 석영관의 종단면도.

도 2a는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로의 단면도.

도 2b는 도 2a에 도시된 보트 덮개의 개폐 상태를 도시한 사시도.

도 2c는 웨이퍼가 적재되는 보트 본체를 도시한 부분 절취 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1, 11: 반응실 2, 12: 히팅 코일

3: 이중 석영관 4, 14: 캔틸레버

5, 15: 보트 151:보트 본체

152: 보트 덮개 153: 웨이퍼 적재용 개구

154: 웨이퍼 적재부 6, 16: 실리콘 웨이퍼

7, 17: 질소가스 주입구 8: 고리관

9, 19: 운반대 13: 질소가스 주입관

20: 셔터 21: 가스 출입공

Claims (10)

1. 히팅 코일이 구비된 반응실;

   개폐 가능한 덮개를 가지며 적어도 하나의 웨이퍼를 적재할 수 있는 보트;

   상기 보트를 지지하는 지지대;

   상기 지지대의 일측부와 결합되어 상기 지지대에 지지된 상기 보트를 상기 반응실로 이동시키는 운반대;

   상기 지지대의 일측부에 형성되어 상기 웨이퍼가 적재된 보트에 가스를 주입하는 가스 주입구; 및

   상기 가스 주입구를 통해 주입된 가스가 상기 보트에 제공되도록 상기 지지대의 길이 방향을 따라 형성된 가스 주입관

   을 포함하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보트는 웨이퍼가 적재되는 보트 본체,

   상기 보트 본체와 분리 가능한 보트 덮개

   를 포함하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 보트 덮개에는 다수의 가스 출입공이 형성된 것을 특징으로 하는 반도 체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 가스 출입공의 직경은 3 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 보트 본체는 웨이퍼 적재용 개구가 형성된 웨이퍼 적재부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 보트가 상기 반응실에 출입할 때 상기 반응실의 출입구를 열고 닫는 셔터를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 지지대는 막대형상의 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 가스 주입관은 상기 지지대 내에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 웨 이퍼 제조용 횡형 확산로.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 지지대 상에는 상기 가스 주입관을 통해 주입된 가스를 상기 가스 출입공으로 제공하기 위한 적어도 하나의 가스 공급공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 가스 주입구에 주입되는 가스는 질소 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조용 횡형 확산로.

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