KR19980037650A - 반도체 소자의 박막 형성장치 - Google Patents

Abstract

반도체 제조장치에 대한 것으로 특히 빛에 대한 투과율이 뛰어나고 반응가스의 내력에 우수한 석영을 사용하여 제조된 반도체 소자의 박막 형성장치에 대한 것이다. 이와 같은 본 발명 반도체 소자의 박막 형성장치는 가스 공급장치를 거쳐 반응로로 빛을 방사하는 방사 가열장치와, 석영창을 이용하여 반응가스를 반응로에 공급하는 가스 공급장치와, 가스 공급장치로부터 반응가스를 받아 웨이퍼에 막을 형성하는 반응기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 박막 형성장치

본 발명은 반도체 제조장치에 대한 것으로 특히 빛에 대한 투과율이 뛰어나고 반응가스의 내력에 우수한 석영을 사용하여 제조된 반도체 소자의 박막 형성장치에 대한 것이다.

일반적으로 박막이나 산화막을 제조하는 장비로 종형 관상로(vertical type furnace)가 사용되고 있다. 그러나 종형 관상로는 양산성 및 8 인치 크기 이하의 웨이퍼 공정에서는 균일도 측면에서는 안정된 장점을 가지고 있는 반면 거대한 열용량이 가해지기 때문에 정밀한 업/다운 온도제어 및 초단위 시간제어 그리고 분위기 제어에 한계성이 있었다. 또한 웨이퍼의 크기가 12 인치로 확대되려는 시점에서 종형 관상로는 웨이퍼 내의 온도 균일도 및 정밀한 공정을 위한 조절이 어려웠다.

이러한 종형 관상로의 단점을 극복하기 위한 장치로써 최근 들어 급속 열 공정(RTP : rapid thermal process) 장치가 주목받고 있는데 이 RTP 장치는 웨이퍼의 대면적화를 쉽게 이룰 수 있고 웨이퍼 내의 온도를 정밀하게 조절할 수 있으며 공정을 클로스터(cluster) 내에서 진행할 수 있으므로 오염도 극소화할 수 있으며 낮은 열예산 및 공정 시간도 단축할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그리고 지금까지 RTP 장치는 주로 급속 열처리 공정(RTA : rapid thermal annealing)에 사용되어 오다가 이후에는 반응기 내에 소오스 가스를 주입함으로써 산화 및 화학기상증착(CVD) 공정등으로 응용되고 있다.

먼저 CVD 공정에 RTP 장치가 응용됨으로써 대구경화 및 복수 공정의 집적을 고려한 매엽식 클로스터(cluster) 공정 등에 여러가지 장점을 나타내었다.

그리고 산화공정에 RTP 장치를 응용하므로써 자연 산화의 저감 및 공정시간을 단축시킬 수 있었으며 특히 게이트 절연막 및 게이트 전극을 시간 지연 없이 연속으로 형성할 수 있게 되었다.

이와 같이 RTP 장치를 이용하여 형성된 박막이나 산화막은 양호한 막질과 안정된 전기적 특성을 나타내고 있었다.

그러나 이러한 장점을 나타내기 위한 RTP 장치를 이용한 공정은 주로 고온에서 초단위로 작업이 진행되므로 공정 온도와 압력과 반응 가스 흐름과 반응 시간의 정밀한 조절이 필요하였다. 여기서 공정 온도 및 시간의 조절은 하드웨어의 발전과 더불어 상당히 진척되고 있으나 반응 가스의 흐름에 관련된 조절 능력은 측정이 용이하지 못하기 때문에 다른 공정조건의 조절에 비하여 발전이 지연되고 있다. 이에 따라 반응가스의 흐름을 조절하기에 적당한 RTP 장치가 요구되고 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 종래 반도체 소자의 박막 형성장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 가스 흐름도이고, 도 2a 는 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치가 가스 흐름 다이나믹도이다. 그리고 도 2b와 2c는 종래 한예에 따라 형성되는 박막의 비교도이고, 도 3 은 종래 다른예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도이다.

대부분의 RTP 장치는 램프에 의한 방사 가열 방식을 사용하여 반응가스를 반응기(1)의 측면에서 공급하게 되는데 먼저 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 가스 흐름을 보면 도 1 에 도시한 바와 같이 가스 주입부(2)를 통하여 주입된 반응 가스가 가스 차폐장치(Baffie)(5)를 거쳐 쟁반 받침 모양의 트레이(Tray) 상부에 위치한 웨이퍼(3) 및 상기 반응기(1) 전면에 흐르고 반응기(1) 측면의 가스 배기부(6)로 반응가스가 배출된다.

상기와 같은 반응기(1)를 통한 반응가스의 흐름에 따른 다이나믹도는 도 2a 에 도시한 바와 같이 반응가스를 반응로의 측면에서 공급하므로 반응가스의 흐름 형태에 따라 웨이퍼에 성장되는 박막의 두께가 영향을 받게 되고 이에 따라 웨이퍼(3)상에서의 반응가스의 밀도 분포도 다르게 되어 균일한 박막이 형성되지 않는다. 그리고 예열되지 않은 반응가스 및 캐리어 가스가 공정중에 반응기(1)로 유입되므로 반응기(1)의 온도도 불균일하게 하는 단점이 있다.

다음으로 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치에 따라 형성된 산화막의 두께를 비교한 비교도는 도 2b와 2c에 도시한 바와 같이 반응가스를 반응기(1)의 측면에서 공급하며 반응가스의 흐름이 불균일하므로 웨이퍼(3)의 중심으로부터 외부로 갈수록 산화막의 두께가 점차 두꺼워지는 불균일한 두께의 산화막이 형성됨을 알 수 있다.

이어서 종래 다른예의 반도체 소자의 박막 형성장치는 도 3 에 도시한 바와 같이 웨이퍼의 상단부에서 반응가스를 공급하는 샤우어 헤드 방식을 사용하는 RTP 장치이다. 이 RTP 장치는 방사(radiation) 가열 방식을 사용하며 웨이퍼의 상단부에 램프를 위치시키고 가열하는 형태를 취한다. 이로 인해 빛의 투과를 막는 일반적인 형태의 샤우어 헤드의 적용이 불가능하다. 이러한 가스 공급장치(7)는 가스 공급장치(7)의 상부 중앙에 가스 주입부(9)가 위치하며 가스 주입장치(7)의 상단(10)과 하단은 스테인레스 스틸로 이루어졌으며 하단은 여러개의 작은 홀(8)로 이루어졌다.

상기와 같은 종래의 반도체 소자의 박막 형성장치는 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 측면에서 반응가스를 주입할 경우는 웨이퍼와 반응하는 반응가스가 불균일하고 이에 따라 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께가 불균일해진다. 또한 예열되지 않은 반응가스 및 캐리어 가스가 공정 중 반응기로 유입되므로 반응기의 온도조절이 불안정하다.

둘째, 웨이퍼의 상단부에 램프를 위치시키고 가열하는 형태를 취하기 때문에 빛의 투과를 막는 일반적인 형태의 샤우어 헤드의 적용이 불가능하다.

도 1 은 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 가스 흐름도

도 2a 는 종래 한예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 가스 흐름 다이나믹도

도 2b와 2c는 종래 한예에 따라 형성되는 박막의 비교도

도 3 은 종래 다른예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도

도 4 는 본 발명 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도

도 5 는 본 발명 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도

도 6 은 본 발명의 반도체 소자의 박막 형성장치의 가스 공급기의 상부 평면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

21 : 방사 가스열로22 : 할로겐 램프

23 : 가스 공급장치24 : 상부 석영 윈도우

25 : 하부 석영 윈도우26 : 가스 주입부

27 : 홀28 : 반응로

29 : 웨이퍼30 : 가스 배기부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 반도체 소자의 박막 형성장치는 가스 공급장치를 거쳐 반응로로 빛을 방사하는 방사 가열장치와, 석영창을 이용하여 반응가스를 반응로에 공급하는 가스 공급장치와, 상기 가스 공급장치로부터 반응가스를 받아 웨이퍼에 막을 형성하는 반응기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 참조하여 샤우어 헤드를 적용한 본 발명 반도체 소자의 박막 형성장치를 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 발명 제 1 실시예의 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도이고, 도 5 는 본 발명 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 박막 형성장치의 구성도이며, 도 6 은 본 발명에 따른 가스 공급기의 상부 평면도이다.

먼저 본 발명 제 1 실시예의 반도체 소자의 박막 형성장치는 샤우어 헤드를 적용한 RTP 장치에 관한 것으로 도 4 와 도 6 에 도시한 바와 같이 동일 모양을 하고 있는 방사 가열장치(21)와 석영 샤우어 헤드(shower head) 방식의 가스 공급장치(23)와 반응기(28)로 구성되었다. 도면에 도시한 바와 같이 반응기(28)와 방사 가열장치(21)의 사이에 가스 공급장치(23)가 위치된다.

여기서 가스 공급장치(23)로 연결되는 방사 가열장치(21)의 하단에는 방사 가열을 위한 복수개의 구멍으로 형성된 할로겐 램프(22)가 있다.

그리고 상기의 가스 공급장치(23)의 상단부는 상부 석영 윈도우(24)가 반응기와 외부의 압력을 지탱하기 위하여 형성되었는데 이 때 상부 석영 윈도우(24)는 빛의 투과 영향을 고려하여 비교적 두껍게 형성한다. 그리고 가스 공급장치(23)의 하단에는 반응기(28)로 가스를 균일하게 공급하기 위하여 복수개의 작은 홀(27)로 구성된 하부 석영 윈도우(25)가 있다. 그리고 가스를 공급하기 위한 가스 주입부(26)가 1개 또는 방사형으로 여러개 있다. 여기서 가스 주입부(26)의 크기는 공급되는 가스의 반응을 고려하여 제작하고 가스 공급장치(23)의 외벽은 스테인레스 등 기타 다른 어떤 재질로도 제조가 가능하다.

그리고 반응기(28)는 박막의 균일도를 증가시키기 위하여 웨이퍼(29)를 회전할 수 있도록 하고 가스의 배출은 반응기(28)의 하단이나 측면에 가스 배기부(30)를 설치하여 형성된다.

다음으로 본 발명 제 2 실시예의 반도체 소자의 박막 형성장치는 도 5 에 도시한 바와 같이 방사 가열장치(21)와 반응기(28) 상에 반응기(28)와 일체형으로 제작된 석영 샤우어 헤드(shower head) 방식의 가스 공급장치(23)를 포함하여 구성된다. 이하 구성은 상기 제 1 실시예의 반도체 소자의 박막 형성장치와 동일하다.

이어서 본 발명에 따른 반도체 소자의 박막 형성장치의 동작은 방사 가열장치(112)의 방사광이 투명한 가스 공급기를 지나 웨이퍼(29)의 표면에 도달하고 먼저 반응 가스가 가스 주입부(26)를 통하여 가스 공급장치(23)에 도달한다. 이렇게 공급된 가스는 가스 공급장치(23)의 하단에 형성된 하부 석영 윈도우(25)의 홀(27)을 통하여 반응기(28) 전면에 균일하게 투입된다. 이 때 반응 가스는 특별히 예열 장치를 부착하지 않아도 가스 공급장치(23)에서 예열되어 반응기(28)로 공급된다. 그리고 반응기(28)로 이동한 반응 가스는 웨이퍼 전면에 균일하게 공급되어 화학반응을 일으키게 되고 반응에 참가하지 못한 반응가스와 캐리어 가스들은 반응기(28) 하단의 가스 배기부(30)를 통하여 외부로 나간다.

이와 같이 구성된 본 발명 반도체 소자의 박막 형성장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래의 RTP 장치와 비교하여 반응기 내의 전면에 균일하게 반응가스를 공급할 수 있다. 따라서 웨이퍼의 전영역에서 동일한 양의 반응가스 유량을 나타내어 반응 가스의 흐름 동향을 크게 개선하여 성장시키고자 하는 박막이나 산화막의 균일도를 향상시킬 수 있다.

둘째, 반응가스가 반응기에 공급되기 이전에 먼저 가열되므로 반응가스의 활성화가 이루어지고 결과적으로 높은 반응속도를 얻을 수 있으며, 반응가스에 의한 반응기의 온도저하를 방지하고 온도의 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 가스 공급장치를 거쳐 반응로로 빛을 방사하는 방사 가열장치와,

   석영창을 이용하여 반응가스를 반응로에 공급하는 가스 공급장치와,

   상기 가스 공급장치로부터 반응가스를 받아 웨이퍼에 막을 형성하는 반응기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 가열장치의 하단은 방사 가열에 사용되는 복수개의 할로겐 램프로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 공급장치는 상단에 비교적 두껍게 제조된 상부 석영 윈도우와, 하단에 복수개의 작은 구멍을 가진 하부 석영 윈도우와, 반응가스를 주입하기 위한 한 개 이상의 가스 주입부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 반응로는 하단이나 측면에 가스 배기부가 형성되는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.
5. 상기 제 1 항에 있어서, 상기 가스 공급장치는 상기 반응기와 일체형으로 형성할 수 있는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 반응기 내에서 회전할 수 있도록 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 박막 형성장치.