KR20010066153A - 급속 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

로드 락 챔버에서 웨이퍼를 적재하고, 프로세스 챔버로 옮겨 온도를 램프 업 시킨 후, 램프 업된 웨이퍼의 온도를 유지한다. 다음, 웨이퍼의 온도를 램프 다운하고, 웨이퍼를 쿨 다운 챔버로 옮겨 냉각 대에 접촉시키지 않은 상태로 수 내지 수십 초간 유지하여 저속 냉각 한 후, 다시 냉각 대에 접촉시킴으로써 급속 냉각한다. 이렇게 하면, 웨이퍼가 받는 열적 쇼크와 스트레스를 감소시켜 웨이퍼 파손과 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다.

Description

급속 열처리 방법{a method of rapid thermal process}
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중에서 급속 열처리 공정(rapid thermal process : RTP)에 관한 것이다.
급속 열처리 공정은 텅스텐-할로겐(tungsten-halogen) 램프(ramp)의 광 복사를 이용하여 웨이퍼를 직접 가열함으로써 빠른 속도로 웨이퍼의 온도를 올리는 열처리 방법이다. 이러한 급속 열처리 공정은 반도체 제조 공정에서 결함어닐링(annealing)을 비롯하여 에피택시(epitaxy) 성장, 이온 도핑(doping) 프로파일 형성, 금속 실리사이드 형성 등 매우 다양한 용도로 사용되고 있다.
그러면 도면을 참고로 하여 종래의 급속 열처리 공정에 대하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 열처리 방법의 흐름도이다.
먼저, 로드 락(load lock) 챔버(chamber)에서 웨이퍼를 외부로부터 받아들여 적재하고 대기한다.
다음, 웨이퍼를 프로세스(process) 챔버로 옮기고 가열하여 웨이퍼의 온도를 상온으로부터 공정 온도까지 신속하게 램프 업(ramp up)시킨다.
다음, 500~1,200℃ 사이의 적합한 공정 온도를 수 초 내지 수십 초 동안 유지시킴으로써 열처리를 진행한다.
이어서, 텅스텐-할로겐 램프의 공급 전력을 조절하여 웨이퍼의 온도를 일정한 속도로 램프 다운(ramp down)시킨다. 램프 다운에 의하여 웨이퍼의 온도는 공정 온도에 비하여 100~300℃ 정도 낮은 온도까지 내려간다.
다음, 웨이퍼를 쿨 다운(cool down) 챔버로 옮겨 상온보다 낮은 온도로 유지되어 있는 냉각 대에 웨이퍼를 접촉시킴으로써 급속 냉각한다.
냉각된 웨이퍼는 다시 로드 락 챔버로 옮겨져 카세트에 실려서 다음 공정 진행을 위하여 이동된다.
도 2는 종래의 기술에 따른 열처리에서 웨이퍼의 온도 변화 그래프이다.
1번 구간이 램프 업 단계이고, 2번 구간이 공정 온도를 유지하는 구간이며, 3번 구간이 램프 다운 단계이다. 마지막 4번 구간이 급속 냉각 단계이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 프로세스 챔버에서 램프 다운되어 나오는 웨이퍼의 온도는 400~1,100℃이다. 이러한 뜨거운 웨이퍼를 상온보다 낮은 온도를 가지는 냉각 대에 접촉시킴으로써 급속 냉각시키는 과정에서 웨이퍼가 열적 쇼크(shock)를 받아 파손되는 경우가 종종 발생한다. 웨이퍼가 파손되는 경우에는 웨이퍼 자체의 손실뿐만 아니라 장비의 가동률이 저하되어 생산성 감소가 뒤따르게 된다. 또한 이러한 급속 냉각 과정에서 받는 열적 스트레스(stress)로 인해 소자의 특성이 저하되고 수율도 감소한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 급속 열처리 과정에서 웨이퍼가 파손되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 급속 열처리 과정에서 웨이퍼가 받는 열적 스트레스를 감소시켜 소자 특성 저하를 방지하고 수율을 향상시키는 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 열처리 방법의 흐름도이고,
도 2는 종래의 기술에 따른 열처리에서 웨이퍼의 온도 변화 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용하는 급속 열처리 장비의 모식도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법의 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장비의 쿨 다운 챔버 내의 웨이퍼 리프트의 사시도이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열처리에서 웨이퍼의 온도 변화 그래프이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 쿨 다운 챔버 내에서의 냉각을 비접촉에 의한 저속 냉각과 냉각 대와의 접촉에 의한 급속 냉각의 2단계로 나우어 진행한다.
구체적으로는, 로드 락 챔버에서 웨이퍼를 적재하고, 프로세스 챔버로 옮겨 온도를 램프 업시킨 후, 램프 업된 웨이퍼의 온도를 유지한다. 다음, 웨이퍼의 온도를 램프 다운하고, 웨이퍼를 쿨 다운 챔버로 옮겨 냉각 대와 접촉시키지 않은 상태로 유지하여 저속으로 냉각한 후, 다시 웨이퍼를 냉각 대와 접촉시킨 상태로 유지하여 급속 냉각한다.
이 때, 저속 냉각과 급속 냉각 단계는 각각 1초 내지 99초 동안 진행하는 것이 바람직하다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 공정에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용하는 급속 냉각 장치의 모식도이다.
트랜스퍼(transfer) 챔버(chamber)를 중심으로 하여 하부에 로드 락(load lock) 챔버가 2개 설치되어 있고, 상부에는 프로세스 챔버가 2개 설치되어 있으며, 측면에 쿨 다운 챔버가 설치되어 있다. 이들 챔버의 수는 필요에 따라 변경될 수 있다. 로드 락 챔버에는 로봇 팔이 설치되어 있어서 카세트(cassette)에 실려 있는 웨이퍼를 집어 로드 락 챔버 내로 가져온 후 대기시킨다. 프로세스 챔버에는 가열 장치인 텅스텐 할로겐 램프가 설치되어 있어서 램프에 공급하는 전력을 조절함으로써 웨이퍼 가열 속도나 가열 온도 등을 조절한다. 쿨 다운(cool down) 챔버에는 웨이퍼와 접촉하여 웨이퍼를 급속히 식힐 수 있는 냉각 대와 웨이퍼의 높낮이를 조절할 수 있는 리프트(lift)가 설치되어 있다. 트랜스퍼 챔버는 급속 열처리 공정의 진행 과정에서 웨이퍼가 각 챔버로 이동하는 중간 통로이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법의 흐름도이다.
먼저, 로드 락(load lock) 챔버(chamber)에서 로봇 팔이 웨이퍼를 외부에 위치한 카세트(cassette)로부터 받아들여 적재하고 대기한다.
다음, 웨이퍼를 프로세스(process) 챔버로 옮기고 가열하여 웨이퍼의 온도를 상온으로부터 공정 온도까지 신속하게 램프 업(ramp up)시킨다. 이 단계에서는 수 내지 수십 초 이내에 온도를 상온으로부터 500~1,200℃까지 끌어올린다.
다음, 500~1,200℃ 사이의 적합한 공정 온도를 수 초 내지 수십 초 동안 유지시킴으로써 열처리를 진행한다.
이어서, 텅스텐-할로겐 램프의 공급 전력을 조절하여 웨이퍼의 온도를 일정한 속도로 램프 다운(ramp down)시킨다. 램프 다운에 의하여 웨이퍼의 온도는 공정 온도에 비하여 100~300℃ 정도 낮은 온도까지 내려간다.
다음, 웨이퍼를 쿨 다운(cool down) 챔버로 옮겨 냉각 대에 접촉시키지 않은 상태로 수 내지 수십 초간 유지함으로써 저속 냉각한다.
다음, 웨이퍼를 움직여 상온보다 낮은 온도로 유지되어 있는 냉각 대에 웨이퍼를 접촉시킴으로써 급속 냉각한다.
쿨 다운 챔버 내에서 웨이퍼를 이동시키는 수단을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장비의 쿨 다운 챔버 내의 웨이퍼 리프트의 사시도이다.
리프트 대(13)의 상부에 3개의 리프트 핀(11)이 형성되어 있다. 리프트 핀(11)은 냉각 대(12)에 뚫려 있는 구멍을 통하여 상하로 이동할 수 있다. 리프트 대(13)에는 리프트 핀(11)의 높이를 감지할 수 있는 위치 센서(sensor)(21, 22, 23)가 설치되어 있다. 최상단의 센서(21)는 리프트 핀(11) 위에 웨이퍼(30)를 올려놓을 때의 위치를 감지하고, 중간의 센서(22)는 웨이퍼(30)를 냉각 대와 접촉시키지 않은 상태에서 저속 냉각할 때의 위치를 감지하며, 최하단의 센서(23)는 웨이퍼(30)를 냉각 대에 접촉시킨 상태에서 급속 냉각할 때의 위치를 감지한다.
먼저, 프로세스 챔버에서 온도가 램프 다운된 웨이퍼가 트랜스퍼 챔버를 통하여 쿨 다운 챔버로 옮겨져 리프트 핀(11) 위에 놓인다. 웨이퍼(30)에 표시되어 있는 점선 원(31)은 리프트 핀(11)과 접촉하는 부분을 나타낸다. 리프트 핀(11) 위에 웨이퍼(30)가 놓이면 리프트 핀(11)은 서서히 하강하여 웨이퍼(30)가 냉각 대(12)에 닿기 직전의 위치까지 내려온다. 이 때, 리프트 핀(11)의 위치는 중간의 센서(22)가 감지하여 리프트 핀(11)이 정지할 것을 통제 장치(도시하지 않음)에 알려준다. 리프트 핀(11)의 하강 속도를 조절하여 중간 센서(22)에 감지될 때까지 약 3 내지 5초 정도가 소요되도록 하는 것이 바람직하다. 이 위치에서 일정 시간을 보내면서 웨이퍼(30)를 저속 냉각한 후에 다시 리프트 핀(11)은 웨이퍼(30)가 냉각 대(12)와 닿을 때까지 하강한다. 이 때의 위치는 최하단의 센서(23)가 감지하여 통제 장치에 알려준다. 웨이퍼(30)를 냉각 대(12)와 접촉시켜 일정 시간동안 급속 냉각을 진행한 후에 리프트 핀(11)은 다시 상승하여 처음의 위치까지 이동하고, 웨이퍼(30)는 쿨 다운 챔버를 이탈하게 된다.
냉각된 웨이퍼는 다시 로드 락 챔버로 옮겨져 카세트에 실려서 다음 공정 진행을 위하여 이동된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열처리에서 웨이퍼의 온도 변화 그래프이다.
1번 구간이 램프 업 단계이고, 2번 구간이 공정 온도를 유지하는 구간이며,3번 구간이 램프 다운 단계이다. 3'번 구간이 웨이퍼가 냉각 대와 접촉하지 않은 상태에서 이루어지는 저속 냉각 단계이다. 이 단계의 냉각 속도는 램프 다운 단계보다는 급하고 4번 구간의 급속 냉각 단계보다는 훨씬 완만한 기울기로 웨이퍼의 온도가 하강한다.
이렇게 웨이퍼를 급속 냉각하기 이전에 저속 냉각시키면 급속 냉각시의 온도 변화 폭이 감소하고, 램프 다운과 급속 냉각의 중간 빠르기의 온도 변화를 거치게 되므로 웨이퍼가 받는 쇼크와 스트레스를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 웨이퍼를 급속 냉각하기 이전에 좀더 느린 속도로 온도를 내리는 단계를 둠으로써 웨이퍼가 받는 열적 쇼크와 스트레스를 감소시켜 웨이퍼 파손과 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 로드 락 챔버에서 웨이퍼를 적재하는 단계,
    상기 웨이퍼를 프로세스 챔버로 옮겨 온도를 램프 업시키는 단계,
    램프 업된 상기 웨이퍼의 온도를 유지하는 단계,
    상기 웨이퍼의 온도를 램프 다운하는 단계,
    상기 웨이퍼를 쿨 다운 챔버로 옮겨 냉각 대와 접촉시키지 않은 상태로 유지하는 저속 냉각 단계,
    상기 웨이퍼를 냉각 대와 접촉시킨 상태로 유지하는 급속 냉각 단계
    를 포함하는 급속 열처리 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 저속 냉각 단계는 1초 내지 99초 동안 진행하는 급속 열처리 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 급속 냉각 단계는 1초 내지 99초 동안 진행하는 급속 열처리 방법.
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