KR20000051890A

KR20000051890A - 종형확산로의 가스분사관

Info

Publication number: KR20000051890A
Application number: KR1019990002593A
Authority: KR
Inventors: 이성현
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-16

Abstract

종형확산로 내부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 종형확산로의 가스분사관에 관하여 개시된다. 개시된 가스분사관은, 종형확산로의 내부에 상향 설치되어 화학소스 가스가 윗방향으로 흐르도록 하는 상향관과, 상단부가 상향관의 상단부와 "∩" 형상으로 연결되도록 하향 설치되어 화학소스가스가 아래 방향으로 흐르도록 하는 하향관과, 하향관의 측면에 높이 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 마련되어 화학소스 가스를 종형확산로의 내부로 배출시키는 가스분사구를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 가스분사관을 통해 종형확산로 내부로 주입되는 화학소스 가스는 상향관 내부에서 충분히 예열되므로 그 분해가 보다 완전하게 되어 공정의 효율이 향상된다.

Description

종형확산로의 가스분사관{Gas injection tube for a vertical diffusion furnace}

본 발명은 반도체 소자의 제조장치 중 종형확산로에 관한 것으로, 상세하게는 상기 종형확산로 내부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 종형확산로의 가스분사관에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조에는 다양한 제조공정을 거치게 되며, 그 중에서 반도체 웨이퍼 상에 폴리실리콘 박막을 형성하거나 상기 폴리실리콘 박막에 P 이온을 주입하여 전도성을 주기위해서는 주로 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법이 이용된다. 상기 화학기상증착법은 화학소스(Chemical source)를 가스 상태로 장치 내에 공급하여 웨이퍼 표면상에서 확산을 일으킴으로써 유전체막, 도전막 및 반도전막 등을 웨이퍼 표면에 증착시키는 기술이다.

이러한 CVD법은 통상 장치내의 압력에 따라 저압 CVD(LPCVD: Lower Pressure CVD), 상압 CVD(Atmospheric Pressure CVD)로 구분하고, 그 외에도 플라즈마 CVD(PECVD: Plasma Enhanced CVD) 및 광여기 CVD 등이 일반적으로 사용되고 있다. 이중에서 LPCVD는 상압보다 낮은 압력에서 웨이퍼의 표면상에 필요한 물질을 침적시키는 방법으로서 확산공정에서 주로 사용되며, 그 장치로는 통상 종형확산로(Vertical diffusion furnace)가 사용된다.

도 1은 LPCVD 공정을 수행하는 종래의 종형확산로의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 가스분사관을 상세하게 도시한 사시도이다.

도 1과 도 2를 함께 참조하면, 종래의 종형확산로는 일반적으로 내측튜브(Inner tube, 30), 외측튜브(Outer tube, 40), 히터(Heater, 50) 및 플랜지(Flange, 60) 등을 구비하고 있다.

상기 내측튜브(30)는 석영으로 된 관으로, 그 내부에 웨이퍼(10)가 적재된 석영보트(Quartz boat, 20)가 삽입되어 웨이퍼(10) 상에 화학기상증착이 진행되는 곳이다. 상기 외측튜브(40)는 내측 튜브(30)의 외측에 설치되어 그 내부를 밀폐시키는 역할을 하며, 상기 히터(50)는 외측튜브(40)의 외측에 설치되어 웨이퍼(10)를 소정 온도로 가열하게 된다. 그리고, 상기 내측튜브(30)와 외측튜브(40)는 그 하부에 마련된 플랜지(60)에 장착되어 있고, 상기 석영 보트(20)는 받침대(70)에 의해 지지되어 있다. 상기 플랜지(60)의 일측에는 분사관삽입구(61)가 마련되어 이를 통해 가스분사관(100)이 삽입되며, 다른 일측에는 펌프(80)와 연결되어 외측튜브(40) 내부를 감압시키기 위해 공기를 흡입하는 공기배출구(62)가 마련되어 있다.

상기 가스분사관(100)은 화학소스 가스를 상기 내측튜브(30) 내부로 주입하기 위한 것으로, 상기 내측튜브(30)와 석영보트(20) 사이에 위치하도록 설치된다. 상기 가스분사관(100)은 주로 반도체 웨이퍼(10) 상에 전도성을 갖는 폴리실리콘 박막을 형성하기 위해 실란(SiH₄)가스와 포스핀(PH₃)가스를 주입하기 위한 용도로 사용되거나, 형성된 폴리실리콘 박막에 전도성을 주기위해 포스핀(PH₃)가스만을 주입하기 위한 용도로 사용된다.

이러한 가스분사관(100)은 주입되는 화학소스 가스가 상기 내측튜브(30) 내부에 골고루 분산되도록 각각 다른 높이를 갖는 세 개의 분사관(110, 120, 130)으로 이루어져 있다. 세 개의 분사관(110, 120, 130)은 엘보우 형상으로 되어 있으며, 그 각각의 하단부에는 화학소스 가스가 유입되는 가스유입구(111, 121, 131)가 마련되고, 그 각각의 상단부에는 화학소스 가스를 웨이퍼(10)측으로 분사하기 위한 가스배출구(112, 122, 132)가 마련되어 있다. 세 개의 분사관(110, 120, 130) 중에 제1 분사관(110)은 그 가스배출구(121)가 상기 내측튜브(30) 내부의 하부에 위치하도록 설치되며, 제2 분사관(120)은 그 가스배출구(122)가 상기 내측튜브(30) 내부의 중간부위에 위치하도록 설치되고, 제3 분사관(130)은 그 가스배출구(132)가 상기 내측튜브(30) 내부의 상부에 위치하도록 설치된다.

그런데, 종래의 가스분사관(100)은 엘보우 형상으로 되어 있으며, 그 하단부에 마련된 가스유입구(111, 121, 131)를 통해 화학소스 가스를 도입하여 그 상단부에 마련된 가스배출구(112, 122, 132)를 통해 바로 배출하게 되므로, 화학소스 가스가 충분한 열에너지를 공급받지 못하여 완전히 분해되지 못하게 되는 경우가 발생하게 된다. 이러한 경우에는 미반응 가스가 잔존하게 되어 공정의 효율이 저하되되는 문제점이 있다. 또한, 필요한 공정 효율을 얻기 위해서는 보다 많은 양의 화학소스 가스를 주입하여야 하는 원가상의 손실이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상세하게는 가스분사관의 형상을 "∩" 형상으로 개선함으로써, 화학소스 가스의 흐름 경로를 길게하여 충분한 열에너지를 공급받을 수 있도록 된 종형확산로의 가스분사관을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 종형확산로의 개략적 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 가스분사관을 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제1 실시예를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제2 실시예를 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제3 실시예를 도시한 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...웨이퍼 20...석영보트

30...내측튜브 40...외측튜브

50...히터 60...플랜지

61...분사관삽입구 62...가스배출구

70...받침대 80...펌프

110,310...제1 분사관 120,320...제2 분사관

130,330...제3 분사관

111,121,131,311,321,331,401,501...가스유입구

112,122,132...가스배출구 312,322,332,402,502...상향관

313,323,333,403,503...하향관 314,324,334,404,504...가스분사구

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관은: 종형확산로 내부에 설치되어 외부로부터 상기 종형확산로 내부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 종형확산로의 가스분사관에 있어서, 상기 종형확산로의 내부에 상향 설치되어 상기 화학소스 가스가 윗방향으로 흐르도록 하는 상향관과, 상단부가 상기 상향관의 상단부와 "∩" 형상으로 연결되도록 하향 설치되어 상기 화학소스가스가 아래 방향으로 흐르도록 하는 하향관과, 상기 하향관의 측면에 높이 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 마련되어 상기 화학소스 가스를 상기 종형확산로의 내부로 배출시키는 가스분사구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 가스분사구의 직경은 상기 하향관의 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 커지도록 된 것이 바람직하며, 또는 상기 하향관의 직경이 그 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 작아지도록 된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 가스분사관은, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 하부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제1 분사관과, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 중간부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제2 분사관과, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 상부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제3 분사관을 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제1 실시예를 도시한 사시도이다.

본 발명에 따른 가스분사관은 LPCVD 공정을 수행하는 종형확산로의 내부에 설치되는 것으로, 실란(SiH₄)가스와 포스핀(PH₃)가스 등 화학소스 가스를 종형확산로 내부로 주입하는 장치이다. 또한, 본 발명에 따른 가스분사관은 고온산화(HTO; High Temperature Oxidation)공정에서 실란(SiH₄)가스와 아산화질소(N₂O)가스를 주입하기 위한 용도로 사용될 수 있으며, 이때 상기 아산화질소(N₂O)가스는 액화가스이므로 보다 효과적일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가스분사관(300)은 주입되는 화학소스 가스가 상기 종형확산로 내부에 골고루 분산되도록 하기 위해 각각 다른 높이에 가스분사구(314, 324, 334)가 마련된 세 개의 분사관(310, 320, 330)을 구비한다. 상기 세 개의 분사관(310, 320, 330) 중에 제1 분사관(310)은 종형확산로내의 하부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 것이고, 제2 분사관(320)은 종형확산로내의 중간부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 것이며, 제3 분사관(330)은 종형확산로내의 상부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 것이다.

상기 세 개의 분사관(310, 320, 330) 각각은 "∩" 형상으로 상단부가 서로 연결된 상향관(312, 322, 332)과 하향관(313, 323, 333)을 구비한다. 그리고, 상기 하향관(313, 323, 333)에는 가스분사구(314, 324, 334)가 각각 마련된다.

상기 상향관(312, 322, 332)은 상기 종형확산로의 내부에 상향 설치되어, 그 하단부에 마련된 가스유입구(311, 321, 331)를 통해 유입된 화학소스 가스가 윗방향으로 흐르도록 한다. 상기 하향관(313, 323, 333)은 그 상단부가 상기 상향관(312, 322, 332)의 상단부와 "∩" 형상으로 연결되도록 상기 종형확산로의 내부에 하향 설치되어, 상기 상향관(312, 322, 332)을 통해 흘러온 화학소스 가스를 다시 아랫방향으로 흐르도록 한다.

따라서, 상기 가스분사관(300)을 통해 흐르는 화학소스 가스의 경로가 길어지게 되므로, 상기 화학소스 가스는 종형확산로의 히터(도 1의 50 참조)로부터 보다 많은 열에너지를 공급받을 수 있게 된다. 즉, 화학소스 가스가 상기 가스분사관(300)의 상향관(312, 322, 332)의 내부를 흐르는 동안 상기 히터에 의해 충분히 예열되므로, 종형확산로 내부로 주입시에 그 분해가 보다 완전하게 되어 미반응 가스의 잔존량이 감소하고 공정의 효율이 향상된다.

상기 가스분사구(314, 324, 334)는 상기 화학소스 가스를 상기 종형확산로의 내부로 배출시키기 위한 것으로, 상기 하향관(313, 323, 333) 각각의 측면에 적어도 하나가 마련되며, 바람직하게는 상기 하향관(313, 323, 333) 각각의 높이 방향으로 소정 간격을 두고 세 개가 마련된다. 이때, 상기 제1 분사관(310)의 가스분사구(314)는 종형확산로내의 하부에 위치하도록 마련되며, 제2 분사관(320)의 가스분사구(324)는 종형확산로내의 중간부위에 위치하도록 마련되고, 제3 분사관(330)의 가스분사구(334)는 종형확산로내의 상부에 위치하도록 마련된다. 따라서, 상기 세 개의 가스분사관(300) 각각에 마련된 가스분사구(314, 324, 334)에 의해 화학소스 가스가 종형확산로 내부에 골고루 분산되어 주입될 수 있다.

그리고, 상기 가스분사구(314, 324, 334)는 상기 종형확산로의 중심방향을 향하도록 형성됨으로써 상기 화학소스 가스를 상기 종형확산로의 중심으로 주입되도록 한다. 그러나, 상기 가스분사구(314, 324, 334)의 방향은 불순물 및 기타 환경적인 영향에 따라 변경될 수 있다. 이때에는 불순물 또는 와류의 영향이 웨이퍼에 직접 미치는 것을 방지하기 위하여, 상기 화학소스 가스가 종형확산로 내측 벽면과 평행하게 흐르도록, 즉 웨이퍼 외경의 접선 방향으로 주입되도록 가스분사구(314, 324, 334)의 방향을 변경할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제2 실시예를 도시한 사시도이다.

전술한 제1 실시예에서는 세 개의 가스분사관이 사용되었으나, 본 실시예에서는 도시된 바와 같이 하나의 가스분사관(400)을 사용한다. 상기 가스분사관(400)은 "∩" 형상으로 상단부가 서로 연결된 상향관(402)과 하향관(403)을 구비하며, 상기 상향관(402)의 하단부에는 가스유입구(401)가 마련된다. 그리고, 상기 하향관(303)의 측면에는 높이 방향으로 소정 간격을 두고 다수의 가스분사구(404)가 마련된다.

상기 상향관(402)과 하향관(403)의 작용은 전술한 제1 실시예서와 같다. 다만, 상기 가스분사구(404)는 화학소스 가스를 상기 종형확산로내의 상부, 중간부 및 하부로 모두 공급할 수 있도록 상기 하향관(403)의 측면에 다수개가 마련된다. 즉, 상기 가스분사구(404)는 종형확산로내의 상부, 중간부 및 하부에 위치하도록 마련되어, 화학소스 가스를 종형확산로 내부에 골고루 분산시키게 된다. 따라서, 전술한 제1 실시예에서와 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 상기 하향관(403)의 직경이 그 상단부와 하단부가 동일한 경우에는, 상기 가스분사구(404)의 직경은 상기 하향관(403)의 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 커지도록 된 것이 바람직하다. 이것은 다수의 가스분사구(404)를 통해 배출되는 화학소스 가스의 양이 균일하도록 하기 위한 것이다. 즉, 상단부와 하단부가 동일한 직경으로 된 하향관(403) 내에서는, 하단부로 갈수록 화학소스 가스의 압력이 저하되어, 하향관(403)의 하부에 위치하는 가스분사구(404)를 통해 배출되는 화학소스 가스의 양은 하향관(403)의 상부에 위치하는 가스분사구(404)를 통해 배출되는 화학소스 가스의 양보다 적게 되므로, 하향관(403)의 하부에 위치하는 가스분사구(404)의 직경을 보다 크게 함으로써 다수의 가스분사구(404) 각각을 통해 배출되는 화학소스 가스의 양을 균일하게 할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관의 제3 실시예를 도시한 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 전술한 제2 실시예와 같이 하나의 가스분사관(500)을 사용한다. 상기 가스분사관(500)도 "∩" 형상으로 상단부가 서로 연결된 상향관(502)과 하향관(503)을 구비하며, 상기 상향관(502)의 하단부에는 가스유입구(501)가 마련된다. 그리고, 상기 하향관(503)의 측면에는 높이 방향으로 소정 간격을 두고 다수의 가스분사구(504)가 마련된다.

그런데, 본 실시예에서는 상기 다수의 가스분사구(504)의 직경은 모두 동일하게 하고, 반면에 상기 하향관(503)은 테이퍼 형상, 즉 그 직경이 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 작아지도록 한다. 즉, 상단부에서 하단부로 가면서 하향관(503)의 직경을 점차 작아지도록 함으로써, 화학소스 가스의 압력을 점차 증가시키게 된다. 이것은 상부에 위치한 가스분사구를 통한 화학소스 가스의 배출로 인한 하향관(503) 내의 가스 압력 저하를 보상하게 된다. 이에 따라, 다수의 가스분사구(504)가 모두 동일한 직경을 가지더라도, 이를 통해 배출되는 화학소스 가스의 양은 균일하게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 종형확산로의 가스분사관은 그 형상이 "∩" 형상으로 개선됨으로써, 화학소스 가스의 흐름 경로가 길게 되어 충분한 열에너지를 공급받을 수 있게 된다. 따라서, 상기 가스분사관을 통해 종형확산로 내부로 주입되는 화학소스 가스는 가스분사관의 상향관 내부에서 충분히 예열되므로 그 분해가 보다 완전하게 되어 공정의 효율이 향상된다. 또한, 필요한 공정 효율을 얻기 위해 주입되는 화학소스 가스의 양을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

종형확산로 내부에 설치되어 외부로부터 상기 종형확산로 내부에 화학소스 가스를 주입하기 위한 종형확산로의 가스분사관에 있어서,

상기 종형확산로의 내부에 상향 설치되어 상기 화학소스 가스가 윗방향으로 흐르도록 하는 상향관과, 상단부가 상기 상향관의 상단부와 "∩" 형상으로 연결되도록 하향 설치되어 상기 화학소스가스가 아래 방향으로 흐르도록 하는 하향관과, 상기 하향관의 측면에 높이 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 마련되어 상기 화학소스 가스를 상기 종형확산로의 내부로 배출시키는 가스분사구를 구비하는 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 가스분사구의 직경은 상기 하향관의 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 커지도록 된 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 하향관의 직경은 그 상단부로부터 하단부로 내려가면서 점차 작아지도록 된 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 가스분사관은, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 하부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제1 분사관과, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 중간부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제2 분사관과, 상기 화학소스 가스가 상기 종형확산로내의 상부에 주입되도록 상기 가스분사구가 마련되는 제3 분사관을 구비하는 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 4항에 있어서,

상기 가스분사구는 상기 제1, 제2 및 제3 분사관 각각에 세 개씩 마련되는 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 가스분사구는 상기 종형확산로의 중심방향을 향하거나 상기 종형확산로 내부에 로딩된 웨이퍼 외경의 접선방향을 향하도록 된 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 화학소스 가스는 포스핀(PH₃)가스와 실란(SiH₄)가스인 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.
제 1항에 있어서,

상기 화학소스 가스는 고온산화(HTO)공정에서 사용되는 실란(SiH₄)가스와 아산화질소(N₂O)가스인 것을 특징으로 하는 종형확산로의 가스분사관.