KR20010113363A - 반도체 박막 형성 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼에 소정 데포 물질을 데포(depo)하여 반도체 박막을 형성함과 동시에 반도체 박막의 박막 균일성을 개선하기 위하여 반도체 박막 중 표면 굴곡 부분을 플라즈마 가스로 식각할 때, 데포 물질이 형성되도록 하는 반응가스와 플라즈마 가스를 형성하기 위한 가스를 함께 분사하는 분사 노즐에 의하여 웨이퍼상에 또다른 표면 굴곡이 형성되는 것을 방지한 반도체 박막 형성 설비에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 웨이퍼의 상면에 박막을 형성하면서 박막에 형성된 표면 굴곡 부분을 식각하여 박막의 균일성을 개선할 때 박막 형성용 가스와 식각용 가스가 웨이퍼의 일부분에 집중되지 않고 웨이퍼의 전면적에 균일하게 분포하도록 분사 노즐을 개선함으로써 분사노즐에 의하여 발생하던 박막 균일성 불량을 극복할 수 있다.

Description

반도체 박막 형성 설비{Equipment for forming semiconductor film}

본 발명은 반도체 박막 형성 설비에 관한 것으로, 특히, 실리콘 웨이퍼에 소정 데포 물질을 데포(depo)하여 반도체 박막을 형성함과 동시에 반도체 박막의 박막 균일성을 개선하기 위하여 반도체 박막 중 표면 굴곡 부분을 플라즈마 가스로 식각할 때, 데포 물질이 형성되도록 하는 반응가스와 플라즈마 가스를 형성하기 위한 가스를 함께 분사하는 분사 노즐에 의하여 웨이퍼상에 또다른 표면 굴곡이 형성되는 것을 방지한 반도체 박막 형성 설비에 관한 것이다.

최근, 급속한 성능 개선 및 집적도가 향상되어 다른 산업의 기술 발달에 큰 영향을 미치고 있는 반도체 제품은 순수 실리콘 웨이퍼를 제작하는 과정, 웨이퍼의 상면에 복수개의 반도체 박막을 형성하여 소정 기능을 수행하는 반도체 칩을 제작하는 과정, 반도체 칩이 열악한 외부 환경 및 외부 기기와 전기적 신호 입출입이가능토록 하는 패키지 과정, 패키지 과정이 종료된 반도체 제품을 테스트하는 테스트 과정으로 구성된다.

이들 공정 중 반도체 칩을 제작하는 과정은 다른 과정과 달리 매우 정밀한 공정을 반복적으로 수행하여 순수 실리콘 웨이퍼상에 특성이 각기 다른 복수개의 박막을 형성하게 된다.

이때, 특성이 각기 다른 박막을 복수층 적층하여 형성할 경우, 박막이 모두 평탄하지 않음으로써 박막 표면에 굴곡이 발생하게 되고, 박막 표면에 굴곡이 있는 상태로 박막의 상부에 다른 박막을 적층할 경우, 적층되는 박막의 수직 두께와 수평 두께가 다르게 되어 박막 크랙, 다음 공정에서 포토레지스트의 두께 차이 등은 물론 이외에도 많은 문제점이 발생하게 된다.

최근에는 이와 같은 반도체 박막 요철에 의하여 발생하는 문제점을 극복하기 위하여 챔버 내부를 반도체 박막 형성 분위기 및 플라즈마 분위기가 공존하도록 조성한 상태에서 하나의 분사 노즐에서 반도체 박막 형성 물질과 반도체 박막 중 일부를 식각하는 플라즈마 가스를 형성하기 위한 가스를 웨이퍼가 놓여진 챔버에 공급함으로써 반도체 박막에 발생하는 표면 굴곡을 극복하여 박막 균일성이 양호한 반도체 박막을 형성하는 방법 및 이를 구현하기 위한 설비가 개시된 바 있다.

그러나, 이와 같은 방법 및 설비는 1 개의 분사 노즐에 의하여 챔버에 위치한 웨이퍼의 중앙 부분에 플라즈마 가스가 형성될 가스와 반도체 박막 형성 물질을 분사하기 때문에 웨이퍼의 중앙 부분에 형성되는 박막에는 물결 무늬가 나타나는 등 웨이퍼 전체에 걸쳐 박막 균일성이 불균일해지는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 웨이퍼에 반도체 박막을 형성하면서 박막 균일성을 개선하기 위한 식각 가스를 함께 투입하는 반도체 설비에서 분사노즐을 개량하여 분사노즐에 의해 발생하는 또다른 박막 균일성 문제를 극복함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상세하게 후술될 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 반도체 박막 형성 설비의 개념도.

도 2는 본 발명에 의한 복합 분사노즐의 사시도.

도 3은 도 2의 A-A 단면도.

이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 본 발명에 의한 반도체 박막 형성 장치는 웨이퍼가 안착되는 챔버 몸체 및 챔버 몸체가 밀봉되도록 하는 챔버 커버로 구성된 프로세스 챔버와, 프로세스 챔버 내부로 플라즈마 형성용 반응가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급장치와, 프로세스 챔버 내부로 박막 형성용 반응가스를 공급하는 박막 가스 공급장치와, 플라즈마 형성용 반응가스가 프로세스 챔버 내부에서 플라즈마 가스가 되도록 하는 플라즈마 형성 수단과, 플라즈마 형성용 반응가스 및 박막 형성용 반응가스로 구성된 혼합 가스가 적어도 2 개 이상의 각기 다른 경로로 웨이퍼의 전면적에 걸쳐 균일하게 분사되도록 하는 혼합가스 분산 수단을 포함한다.

이하, 본 발명에 의한 반도체 박막 형성 장치의 보다 구체적인 구성 및 구성에 따른 본 발명의 독특한 작용 및 효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1에는 본 발명에 의한 반도체 박막 형성 장치(600)의 개념도가 도시되어 있는 바, 본 발명에서는 웨이퍼(1)에 형성된 반도체 칩(미도시)의 상면에 메탈 라인 및 본딩 패드까지 형성한 후 본딩 패드를 제외한 나머지 부분을 보호하기 위한 보호막(passivation film)을 형성하는 것을 일실시예로 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 반도체 박막 형성 장치(600)는 전체적으로 보아 프로세스 챔버(100), 데포 가스 공급장치(200), 플라즈마 가스 공급장치(300), 질량 유량 제어기(MFC, Mass Flow Controller;420,430), 복합 분사노즐(500), 플라즈마 형성용 전원공급장치(560) 및 플라즈마 형성용 전극판(590)을 포함한다.

구체적으로, 프로세스 챔버(100)는 다시 챔버 커버(110)와 챔버 몸체(120)로 구성된다.

챔버 커버(110)는 돔(dome) 형상을 갖으며, 초저압에서도 견딜 수 있을 정도의 고강도를 갖으면서 플라즈마 가스에 부식되지 않는 경질 세라믹 화합물로 제작하는 것이 바람직하다.

이와 같은 형상을 갖는 챔버 커버(110)의 중앙 부분에는 후술될 복합 분사노즐(500)이 삽입될 정도의 크기를 갖는 복합 분사노즐 삽입홀(130)이 형성된다.

한편, 프로세스 챔버(100)의 챔버 몸체(120)는 챔버 커버(110)와 밀봉되는 구조를 갖으며, 내부에 웨이퍼(1)가 수납되기에 충분한 공간이 형성된 형상으로, 챔버 몸체(120)의 내측벽은 플라즈마 가스에 부식되지 않는 내식 처리되며, 챔버 몸체(120)의 소정 위치에는 박막 형성 후 생성된 폐가스 및 미반응 가스가 배기되는 배기 유닛(140)가 형성된다. 배기 유닛(140)은 배기구(143)와 배기펌프(145)로구성된다.

이와 같은 구성을 갖는 프로세스 챔버(100)에서는 반도체 박막 공정, 구체적으로 실란 가스(SiH₄gas)의 열분해에 의하여 형성된 다결정 폴리실리콘을 웨이퍼(1)의 상면에 데포하여 후박한 보호막을 형성 및 보호막 형성 과정에서 표면 굴곡이 심한 부분을 식각하여 제거하기 위해서는 프로세스 챔버(100)의 내부에 고온 환경 및 플라즈마 분위기를 형성해야 한다. 이때, 고온 환경은 플라즈마 분위기에서 제공된다. 이를 구현하기 위해서 프로세스 챔버(100)에는 앞서 언급한 복합 분사노즐(500), 데포가스 공급장치(200), 플라즈마 가스 공급장치(300), 플라즈마 형성용 전원공급장치(560), 플라즈마 형성용 전극판(590)을 필요로 한다.

특히, 프로세스 챔버(100)의 내부에 플라즈마 분위기를 형성하기 위해서는 플라즈마 가스 공급장치(300), 플라즈마 형성용 전원공급장치(560), 플라즈마 형성용 전극판(590)이 마련되어야 한다.

보다 구체적으로, 플라즈마 가스 공급장치(300)는 최외각 전자가 쉽게 궤도 이탈하여 플라즈마화 되기 쉬우면서 다른 원자와 화학적으로 쉽게 결합되는 않는 반응 가스 예를 들면 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스 또는 헬륨 가스 등을 공급하는 장치로, 플라즈마 가스 공급장치(300)에서 공급된 반응 가스는 가스 배관(310)을 따라 상세하게 후술될 복합 분사노즐(500)로 공급된다.

이때, 가스 배관(310)의 중간 부분에는 정밀하게 반응 가스의 유량을 제어할 수 있는 질량 유량 제어기(MFC;430)를 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 플라즈마 가스 공급장치(300)로부터 공급된 반응 가스가 복합 분사 노즐(500)에 의하여 프로세스 챔버(100)의 내부로 유입된 후, 반응가스의 최외각 전자를 궤도 이탈시키기 위해서는 플라즈마 형성용 전극판(590) 및 플라즈마 형성용 전원공급장치(560)를 필요로 한다.

일실시예로, 플라즈마 형성용 전극판(590)은 다시 캐소드 전극판(570)과 애노드 전극판(580)으로 구성된다.

보다 구체적으로, 캐소드 전극판(570)은 프로세스 챔버(100)의 챔버 커버(110)의 밑면에 형성되며, 애노드 전극판(580)은 캐소드 전극판(570)과 대향하도록 프로세스 챔버(100)의 챔버 몸체(120)에 설치된다.

이와 같이 구성된 플라즈마 형성용 전극판(590)의 사이에 소정 전계가 형성되도록 하기 위하여 일실시예로 캐소드 전극판(570)에는 DC 전원 또는 RF 전원을 공급하는 플라즈마 형성용 전원공급장치(560)가 연결된다.

이와 같은 플라즈마 형성용 전극판(590)과 플라즈마 형성용 전원공급장치(560)는 도시된 방법 이외에 다양한 방법이 공정 특성상 사용될 수 있는 바, 프로세스 챔버(100)의 내부에 플라즈마를 형성하기 위한 장치들은 어떠한 종류의 것이 사용되어도 무방하다.

한편, 프로세스 챔버(100)에는 플라즈마 분위기 이외에 웨이퍼(1)의 상면에 보호막으로 사용될 실란 가스의 열분해에 따른 다결정 폴리실리콘을 데포하기 위한 분위기를 조정하기 위하여 실란 가스가 공급되는 데포가스 공급장치(200)가 가스 배관(210)을 매개로 연통된다.

이때, 실란 가스가 공급되는 가스 배관(210)의 중간에는 실란 가스의 유량이 정밀하게 제어되도록 질량 유량 제어기(420)를 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 프로세스 챔버(100)에 플라즈마 분위기를 조성하기 위한 플라즈마 형성용 반응가스와 반도체 박막을 데포하기 위한 반응 가스인 실란 가스를 분사하기 위해서 앞서 설명한 프로세스 챔버(100)의 챔버 커버(110)에는 복합 분사노즐(500)이 설치되고, 복합 분사노즐(500)에는 플라즈마 가스 공급장치(300)와 연결된 가스 배관(310) 및 데포가스 공급장치(200)에 연결된 가스배관(210)이 함께 연통된다.

구체적으로, 프로세스 챔버(100)의 챔버 커버(110)에 형성된 복합 분사노즐 삽입홀(130)에는 복합 분사노즐(500)이 삽입되고, 복합 분사노즐 삽입홀(130)과 복합 분사노즐(500)의 사이는 견고하게 씰링된다.

첨부된 도 2 또는 도 3에는 본 발명에 의한 핵심 부분인 복합 분사노즐(500)이 도시되어 있다.

복합 분사노즐(500)은 다시 분사노즐(510)과 분산노즐(530)로 구성된다.

분사노즐(510)은 일측 단부가 막히고, 타측 단부는 테이퍼지도록 개구된 원통 형상으로 막힌 일측 단부에는 앞서 설명한 2 개의 가스 배관(210,310)이 연통되어 플라즈마 형성용 반응 가스와 반도체 박막 형성용 반응 가스가 유입되어 혼합되도록 한다.

한편, 이와 같은 분사노즐(510)에 의하여 플라즈마 형성용 반응 가스와 박막 형성용 반응 가스가 곧바로 웨이퍼(1)의 중심 부분으로 분사될 경우 웨이퍼(1)의 중심 부분에서는 데포량이 많아지고, 웨이퍼(1)의 중심으로부터 외곽으로 갈수록데포량이 적어져 웨이퍼(1)의 중심이 통과되도록 웨이퍼(1)를 절단하였을 때, 반도체 박막에는 마치 물결 모양의 프로파일이 형성되므로 이를 방지하기 위하여 분사노즐(510)의 타측 단부에 형성된 개구에는 분산 노즐(530)이 설치된다.

분산 노즐(530)은 분사노즐(510)로 유입된 2 개의 반응가스가 웨이퍼(1)의 전면적에 걸쳐 균일하게 분사되도록 하는 역할을 하는 바, 이를 구현하기 위한 분산 노즐(530)은 통체 형상, 바람직하게 구 형상을 갖으며, 적어도 2 개 이상, 바람직하게 4 개의 분산 홀(535)이 형성되어, 마치 4 개의 분사노즐(535)이 형성된 것과 동일한 효과를 발생하도록 한다.

또한, 이와 같은 분산 홀(535)은 분산 홀(535)의 직경을 조절하여, 시간당 분사되는 혼합 반응가스의 분사량이 분사노즐(510)만 사용하였을 때의 분사량과 동일하도록 해야 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 반도체 박막 형성장치가 일실시예로 웨이퍼의 상면에 보호막을 형성하는 것을 예를 들어 설명하기로 한다.

먼저, 공정이 개시되어 공정이 진행될 웨이퍼(1)가 프로세스 챔버(100) 내부로 이송 및 프로세스 챔버(100) 내부가 초저진공 분위기를 만족시키면, 플라즈마 가스 공급장치(300) 및 데포가스 공급장치(200)로부터 플라즈마 형성용 반응가스 및 박막 형성용 반응 가스가 질량 유량 콘트롤러(420,430)에 의하여 지정된 유량 만큼이 복합 분사노즐(500)로 유입된다.

이때, 플라즈마 형성용 반응가스가 프로세스 챔버(100)에 유입되자마자 플라즈마 분위가 되도록 플라즈마 형성용 전원공급장치(560)는 캐소드 전극판(570)에플라즈마 형성용 반응가스가 플라즈마화되기에 충분한 전원을 인가하여 캐소드 전극판(570)과 애노드 전극판(580) 사이에 소정 전계가 플라즈마 형성용 반응가스 및 박막 형성용 반응 가스가 프로세스 챔버(100) 내부로 유입되기 이전에 미리 형성되도록 한다.

이와 같은 상태에서 플라즈마 형성용 반응가스 및 박막 형성용 반응 가스가 복합 분사노즐(500)의 분사노즐(510), 분산 노즐(530) 및 분산 홀(535)을 거쳐 프로세스 챔버(100) 내부로 유입되면, 플라즈마 형성용 반응가스는 플라즈마 가스가 되면서 고온의 열이 발생하여 프로세스 챔버(100) 내부가 고온 환경으로 바뀌면서 박막 형성용 반응 가스 또한 고온 환경에 의하여 열분해되면서 다결정 폴리실리콘으로 변환된 후, 웨이퍼(1)상에 데포된다.

이때, 다결정 폴리실리콘이 데포되면서 플라즈마 가스에 의하여 식각되고 또 데포되는 과정을 반복하면서 분사 노즐에 의해 막질의 두께가 일정한 매우 양호한 보호막이 제작된다.

물론, 앞서 설명한 부분은 본 발명의 일실시예의 작용을 간략하게 설명하기 위하여 기술된 것으로서, 실제 공정에 있어서는 데포 공정이 먼저 진행된 후 플라즈마 가스에 의한 식각이 진행되는 등 다양한 공정 진행 방법이 존재하는 바, 본 발명에서는 이와 같은 공정 특성 보다는 복합 분사 노즐을 분사 노즐(510)과 반응가스를 웨이퍼(1)의 전면적에 걸쳐 균일하게 분사하는 수단인 다수개의 분산 홀(535)이 형성된 분산 노즐(530)을 채용하여 웨이퍼(1)상에 데포되는 보호막의 표면 굴곡을 최소화한다는 것이 가장 중요하다.

이와 같은 본 발명의 핵심 부분인 복합 분사 노즐은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 다양한 실시예를 도출해낼 수 있는 바, 예를 들어, 분산 노즐의 형상 변경, 분산 홀의 개수 변경, 분사 노즐 없이 분산 노즐만 사용하는 등 다양한 변형이 가능한 바, 이와 같이 변형된 실시예들 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 보아야 함은 자명한 것이다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 웨이퍼의 상면에 박막을 형성하면서 박막에 형성된 표면 굴곡 부분을 식각하여 박막 균일성을 개선할 때 박막 형성용 가스와 식각용 가스가 웨이퍼의 일부분에 집중되지 않고 웨이퍼의 전면적에 균일하게 분포하도록 분사 노즐을 개선함으로써 분사노즐에 의하여 발생하던 박막 균일성 불량을 극복할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 웨이퍼가 안착되는 챔버 몸체 및 상기 챔버 몸체가 밀봉되도록 하는 챔버 커버로 구성된 프로세스 챔버와;

   상기 프로세스 챔버 내부로 플라즈마 형성용 반응가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급장치와;

   상기 프로세스 챔버 내부로 박막 형성용 반응가스를 공급하는 박막 가스 공급장치와;

   상기 플라즈마 형성용 반응가스가 상기 프로세스 챔버 내부에서 플라즈마 가스가 되도록 하는 플라즈마 형성 수단과;

   상기 플라즈마 형성용 반응가스 및 상기 박막 형성용 반응가스로 구성된 혼합 가스가 적어도 2 개 이상의 각기 다른 경로로 상기 웨이퍼의 전면적에 걸쳐 균일하게 분사되도록 하는 혼합가스 분산 수단을 포함하는 반도체 박막 형성 설비.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합가스 분산 수단은

   상기 챔버 커버에 형성되어 상기 플라즈마 형성용 반응가스 및 상기 박막 형성용 가스로 구성된 상기 혼합 가스를 소정 면적으로 분산시켜 상기 웨이퍼의 전면적에 상기 반응가스가 분사되도록 복수개의 분산 홀이 형성된 혼합 가스 분산 노즐을 포함하는 복합 분사 노즐인 반도체 박막 형성 설비.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합가스 분산 수단은

   상기 챔버 커버에 연통되어 상기 플라즈마 형성용 반응가스 및 상기 박막 형성용 반응가스가 1차적으로 공급되어 혼합 가스가 형성되도록 하는 반응가스 노즐, 상기 반응가스 노즐에 연통되어 상기 혼합 가스를 소정 면적으로 분산시켜 상기 웨이퍼의 전면적에 상기 반응가스가 2차적으로 분사되도록 복수개의 분산 홀이 형성된 혼합 가스 분산 노즐을 포함하는 복합 분사 노즐인 반도체 박막 형성 설비.