KR19980022560A - 반도체 웨이퍼 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼의 대구경화에 따른 공정의 균일성 및 품질을 개선시키도록 한 반도체 웨이퍼 열처리 장치에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 열처리장치에 있어서, 밀폐된 공간을 형성하는 공정챔버(21)와, 상기 공정챔버내에 고정설치되어 공정을 위한 웨이퍼(23)가 놓여지는 서셉터(22)와, 상기 서셉터에 설치되어 서셉터를 가열하는 열저항히터(29)와, 상기 웨이퍼의 상부에 설치되어 공정챔버 내부의 온도를 공정에 필요한 온도로 상승시키는 램프(28)와, 상기 공정챔버의 일측에 구비되어 가스를 내부로 공급하는 가스인젝터(33)와, 상기 가스인젝터에 설치되어 공정챔버의 내부로 공급되는 가스를 예열하는 가스히터(34)로 구성된다.
따라서 공정챔버내의 공정온도범위가 넓어져 다양한 공정수행이 가능하고, 고온에 의한 열변형 및 온도의 급변화에 의한 스트레스가 감소되어 안정된 공정이 이루어지며, 특히 대구경의 웨이퍼 열처리시 공정의 균일성 및 품질을 개선시킬 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼 열처리 장치
본 발명은 반도체장치 제조를 위한 웨이퍼의 열처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 웨이퍼의 대구경화에 따른 공정의 균일성 및 품질을 개선시키도록 한 반도체 웨이퍼 열처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘을 이용하여 집적회로를 만드는 공정에서는 여러 가지 열처리 기술이 쓰이고 있다. 예를 들면 실리콘 기판을 산화시켜 SiO2로 만들어 절연층을 구성하는 데 쓰이기도 하고, 에칭 마스크(Etching Mask) 및 트랜지스터용 게이트 옥사이드막을 만드는 데 쓰이기도 한다.
또한 열처리 기술은 실리콘 기판에 3가 또는 5가의 이온을 주입후 주입된 이온이 실리콘 결정속으로 침입형에서 치환형으로 재배열되어 전기의 전도에 기여할 수 있는 여분의 홀 또는 전자를 생기게 하기 위한 수단으로써 사용되어지기도 한다.
또한 이외에도 열처리 기술은 여러 가지 방법으로 형성된 박막의 열처리 및 BPSG막의 리플로우(Reflow)에 사용되며, 기타 여러 가지 목적으로 열처리 공정이 반도체 장치의 제조공정에 사용되고 있다. 이러한 열처리 공정에 통상적으로 쓰이고 있는 장치는 전기로(Furnace)이다.
그러나 최근에는 반도체 장치가 점점 고집적화됨에 따라 소자크기의 감소로 제조공정의 전체 열이력(Thermal Budget)을 줄이기 위하여 RTP(Rapid Thermal Processor)장치를 이용하여 열처리를 하려는 경향이 두드러지고 있다.
상기 RTP장치는 가열방식에 따라 두가지로 나뉘어 지는데 할로겐 램프 또는 아아크 램프를 열원으로 이용하는 램프 가열식 열처리 장치와, 저항 가열식 히터를 이용하는 핫 웰(Hot Wall)형 열처리 장치이다.
도1은 상용화된 AMAT사의 램프 가열식 열처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면구조도로서, 공정챔버(1)내의 서셉터(Susceptor)(2)상에 놓여진 웨이퍼(3)의 상부에 다수개의 램프(4)가 균일하게 배열되어 있고, 서셉터(2)에 설치된 서포트링(5)이 웨이퍼(3)를 지지하도록 되어 있으며, 공정챔버(1)내에 주입되는 가스는 공정챔버(1)의 측방에서 수평방향으로 주입되어 반대쪽으로 배출되도록 구성되어 있다.
또한, 도2는 전술한 AMAT사의 램프 가열식 타입을 보다 개량한 상용화된 AST사의 램프 가열식 타입을 나타낸 것으로, 열효율을 높이기 위해 웨이퍼의 상,하부에 다수개의 램프(4)를 각각 설치한 구성이다.
이러한 램프 가열식 열처리장치는 온도영역을 설정하여 각각의 램프(4)마다 파워를 달리하여 인가함으로써 균일한 온도유지가 가능한 장점이 있다.
그러나 램프 가열식 열처리장치는 웨이퍼(3)의 지지를 서포트링(5)이나 핑거를 이용하였던 것으로, 현재 웨이퍼가 대구경화 됨에 따라 웨이퍼의 지지를 서포트링 또는 핑거를 사용하는 경우, 고온의 열처리에 의한 휨변형등 스트레스 변화가 높아지는 단점이 있다.
도3은 상용화된 MATTSON사의 저항 가열식 열처리장치를 나타낸 것으로, 공정챔버(11)내의 서셉터(12)상에 웨이퍼(13)가 놓여지도록 되어 있고, 서셉터(12)에는 열저항식 히터(14)가 설치되어 서셉터(12)를 일정온도로 가열하게 되며, 가스는 웨이퍼(13)의 상부에서 공급되는 구성이다.
이러한 저항 가열식 열처리장치는 공정챔버(11)의 크기가 크고 서셉터(12)에 웨이퍼 안착홈(12a)을 형성하여 이 안착홈(12a)에 의해 웨이퍼(13)가 지지되도록 한 것이므로 대구경 웨이퍼의 열처리시 고열에 의한 열변형이 없으며, 가스흐름이 웨이퍼(13)의 상부에서 흐르게 되므로 균일한 공정이 이루어지는 장점을 있다.
그러나 저항 가열식 열처리장치는 공정온도가 900℃이하로 한정되어 공정온도의 범위가 좁아 다양한 공정수행이 곤란하고, 저항 가열식이므로 공정챔버 내부의 온도를 공정온도까지 상승시켜 유지하기 위해 소요되는 시간이 길어지는 단점이 있다.
또한 종래의 램프 가열식 및 저항 가열식 열처리장치는 가스가 상온 또는 저온상태에서 공정챔버 내부로 공급되는 것이므로 공정챔버내에서 급작스러운 온도변화에 따른 스트레스를 유발하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 웨이퍼의 대구경화에 적합하게 사용되어지고, 이에 따른 균일한 공정을 수행할 수 있는 반도체 웨이퍼 열처리장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 챔버내의 공정온도 범위를 확대시켜 다양한 공정을 수행할 수 있는 반도체 웨이퍼 열처리장치를 제공하는 것이다.
도1은 종래의 램프가열식 열처리장치를 개략적으로 나타낸 단면구조도이다.
도2는 종래의 램프가열식 열처리장치의 다른 타입을 개략적으로 나타낸 단면구조도이다.
도3은 종래의 열저항가열식 열처리장치를 개략적으로 나타낸 단면구조도이다.
도4는 본 발명에 따른 열처리장치를 나타낸 단면구조도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 11, 21 : 공정챔버2, 12, 22 : 서셉터
3, 13, 23 : 웨이퍼4, 28 : 램프
5 : 서포트링14, 29 : 열저항히터
24 : 진공흡착홈25 : 진공통로
26 : 냉각홈27 : 냉각구멍
30 : 온도센서31 : 가스유입구
32 : 가스배출구33 : 가스인젝터
34 : 가스히터35 : 리프터
36 : 냉각가스통로
상기의 목적은 반도체 웨이퍼 열처리장치에 있어서, 밀폐된 공간을 형성하는 공정챔버와, 상기 공정챔버내에 고정설치되어 공정을 위한 웨이퍼가 놓여지는 서셉터와, 상기 서셉터에 설치되어 서셉터를 가열하는 열저항히터와, 상기 웨이퍼의 상부에 설치되어 공정챔버 내부의 온도를 공정에 필요한 온도로 상승시키는 램프와, 상기 공정챔버의 일측에 구비되어 가스를 내부로 공급하는 가스인젝터와, 상기 가스인젝터에 설치되어 공정챔버의 내부로 공급되는 가스를 예열하는 가스히터를 포함하여 됨을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 열처리장치에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명한다. 도4는 본 발명의 반도체 웨이퍼 열처리장치를 나타낸 단면구조도로서, 밀폐된 공간을 갖는 공정챔버(21) 내부에 서셉터(22)가 고정되고, 이 서셉터(22)상에 웨이퍼(23)가 놓여지도록 되어 있다.
웨이퍼(23)의 고정은 서셉터(22) 상면에 형성된 원형의 진공흡착홈(24)에 의해 이루어지는 것으로, 이 진공흡착홈(24)은 서셉터(22)를 하부로 관통한 진공통로(25)로 연결되어 이 진공통로(25)를 통해 진공흡착되도록 되어 있다.
또한 서셉터(22)를 수직방향으로 관통하여 설치된 핀형태의 리프터(35)에 의해 웨이퍼(23)가 서셉터(22)상에 로딩 및 언로딩 가능하도록 되어 있다.
서셉터(22) 및 웨이퍼(23)의 냉각은 서셉터(22) 상면과 서셉터(22)의 내부에 형성된 냉각홈(26) 및 냉각구멍(27)으로 N2, He 또는 Ar 등의 냉각가스를 공급함으로써 이루어지고, 상기 냉각홈(26)은 서셉터(22)의 하부로 관통하는 냉각가스통로(36)와 연결되어 이 냉각가스통로(36)를 통해 냉각가스가 공급되도록 되어 있다.
공정챔버(21)내의 공정온도 유지는 웨이퍼(23)의 상부에 설치된 할로겐램프(28)와, 서셉터(22)에 설치된 열저항히터(29)와, 서셉터(22)에 설치된 온도센서(30)로 이루어지고, 할로겐램프(28)와 열저항히터(29)의 가열온도범위를 특성에 맞도록 설정하여 온도제어 및 공정온도범위를 다양하게 조절할 수 있도록 되어 있다.
예를 들면 급속가열 및 급냉이 가능한 할로겐램프(28)는 500∼1200℃ 의 고온을 유지할 수 있도록 설정하고, 온도상승율이 비교적 낮은 열저항히터(29)는 상온에서부터 500℃ 이하를 유지할 수 있도록 설정함으로써 두 개의 할로겐램프(28)와 열저항히터(29)를 모두 이용하거나 어느 하나만을 이용하는 것에 이해 다양한 공정온도가 설정되고, 이로써 웨이퍼(23)를 열처리할 수 있는 공정온도범위의 폭이 증대되어진다.
이때 상기 할로겐램프(28)의 설치 구조는 서클램프(Circle Lamp) 타입으로 하는 것이 바람직하고, 리니어램프(Linear Lamp) 타입 또는 라이트 파이프(Light Pipes) 타입도 설치 가능하며, 할로겐램프(28)의 설치 형태에 따라 공정챔버(21)의 형태도 그에 맞도록 설계되어질 것이다.
공정에 필요한 가스공급은 공정챔버(21)의 하부 양쪽에 구비된 가스 유입구(Gas Inlet)(31)와 가스 배출구(Gas Outlet)(32)를 통해 이루어지고, 공정챔버(21)의 일측벽에 가스인젝터(Gas Injector)(33)를 설치하여 공급할 수도 있게 하며, 상기 가스인젝터(33)의 가스공급라인상에 가스히터(34)를 설치하여 공정챔버(21)내로 가스를 공급하기 전에 공정온도에 따라 50∼800℃ 범위내에서 예열시키도록 되어 있다.
이때 상기 가스인젝터(33)는 공급되는 가스, 예를 들면 질소계 가스, 산소계 가스 및 불활성기체를 보다 활성화시키도록 스테인레스스틸이나 석영으로 제조하는 것이 바람직하다.
이러한 구성의 반도체 웨이퍼 열처리장치에 의하면, 공정챔버(21)내의 공정온도를 웨이퍼(23)의 상부에 설치된 할로겐램프(28)와 서셉터(22)에 설치된 열저항히터(29)의 제어로 유지함으로써 공정온도범위의 폭이 넓어지게 되고, 이로써 다양한 공정온도범위에서의 열처리공정이 가능하게 된다.
즉 할로겐램프(28)는 특성상 고온유지(1200℃ 이하)에 적합하고, 열저항히터(29)는 저온유지(500℃ 이하)에 적합하므로 이들을 개별적으로 사용하여 고온공정시는 할로겐램프(28)를 사용하고, 저온공정시에는 열저항히터(29)를 선택적으로 사용할 수 있다.
할로겐램프(28)와 열저항히터(29)를 동시에 사용하여 고온공정을 수행하는 경우에는 열저항히터(29)를 항상 500℃ 이하로 유지시켜 공정챔버(21)내의 온도를 일정수준으로 상승시킨 상태에서 할로겐램프(28)를 이용하여 고온으로 유지하게 되면 온도변화가 크지 않으면서도 신속하게 고온의 공정온도로 상승되므로 보다 균일한 공정온도를 유지할 수 있다.
그리고 공정챔버(21) 내부가 열저항히터(29)에 의해 예열된 상태에서 웨이퍼(23)가 로딩되고, 이 후에 할로겐램프(28)가 고온으로 가열하는 것이므로 온도의 급변화로 인한 웨이퍼(23)의 스트레스가 감소된다.
또한 본 발명은 서셉터(22)에 설치된 리프터(35)에 의해 웨이퍼(23)가 서셉터(22)상에 로딩 및 언로딩되고, 웨이퍼(23)는 진공통로(25)를 통한 진공흡착홈(24)에 의해 진공흡착됨과 동시에 냉각가스통로(36)를 통해 냉각홈(26)으로 공급되는 냉각가스에 의해 냉각된다.
따라서 고열에 의한 웨이퍼(23)의 열변형이 감소되는 것이고, 특히 웨이퍼의 대구경화에 대처하여 열변형을 최소화하게 되며, 서셉터(22) 내부에 형성된 냉각구멍(27)으로는 공정시 냉각가스를 공급하여 웨이퍼(23)를 냉각시
키게 되고, 공정후에는 서셉터(22)를 냉각시키는 기능을 한다.
또한 본 발명은 가스의 주입시 가스인젝터(33)에 설치된 가스히터(34)가 가스를 예열하여 일차적으로 활성화시킨 후 주입되게 함으로써 가스반응의 안정화로 균일한 공정이 수행되는 것이고, 가스가 미리 예열되어 주입됨으로써 공정챔버 내에서의 온도변화가 감소되어 온도변화에 따른 스트레스가 해소되어진다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 열처리장치에 의하면, 공정챔버내의 공정온도범위가 넓어져 다양한 공정수행이 가능하고, 고온에 의한 열변형 및 온도의 급변화에 의한 스트레스가 감소되어 안정된 공정이 이루어지며, 특히 대구경의 웨이퍼 열처리시 공정의 균일성 및 품질을 향상시키는데 적합하다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 반도체 웨이퍼 열처리장치에 있어서,
    밀폐된 공간을 형성하는 공정챔버;
    상기 공정챔버내에 고정설치되어 공정을 위한 웨이퍼가 놓여지는 서셉터;
    상기 서셉터에 설치되어 서셉터를 가열하는 열저항히터;
    상기 웨이퍼의 상부에 설치되어 공정챔버 내부의 온도를 공정에 필요한 온도로 상승시키는 램프;
    상기 공정챔버의 일측에 구비되어 가스를 내부로 공급하는 가스인젝터; 및
    상기 가스인젝터에 설치되어 공정챔버의 내부로 공급되는 가스를 예열하는 가스히터;
    를 포함하여 됨을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 램프는 500∼1200℃ 로 제어되고, 열저항히터는 500℃ 이하로 제어됨을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터의 상면에 웨이퍼를 진공흡착하기 위한 진공흡착홈이 형성됨을
    특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터 상면에 웨이퍼 냉각을 위한 냉각가스가 공급되어지도록 냉각홈이 형성됨을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터 내부에 서셉터 냉각을 위한 냉각가스가 공급되어지도록 냉각구멍이 형성됨을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각가스는 N2, He 또는 Ar 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터에 웨이퍼를 로딩 및 언로딩시키는 리프터가 설치됨을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스인젝터는 스테인레스스틸인 것을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스인젝터는 석영인 것을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스히터는 50∼800℃ 로 조절됨을 특징으로 하는 상기 반도체 웨이퍼 열처리장치.
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