KR20020091662A - 저압 습식 산화 장치 - Google Patents

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Abstract

얇은 산화막을 형성하는 저압 습식 산화 장치에 관해 개시한다. 질소 기체 공급관에 히팅 코일을 설치하여 질소 기체를 100℃ 이상의 온도로 유지함으로써, 확산로 내부에서 웨이퍼가 적재된 위치에 관계없이, 균일한 두께의 산화막을 웨이퍼 상에 형성할 수 있다.

Description

저압 습식 산화 장치{Apparatus of wet oxidation in low pressure}
본 발명은 반도체 기판 또는 웨이퍼에 산화막을 형성하는 장치에 관한 것으로서, 특히 얇은 산화막을 형성하는 저압 습식 산화(wet oxidation) 장치에 관한 것이다.
반도체 공정에서 산화막(silicon dioxide: SiO2)은 다양한 용도로 이용되고 있다. 예를 들면, 각 소자들을 전기적으로 분리 또는 절연하는 역할을 하는 필드산화막(field oxide), MOS구조에서 게이트 산화막, 금속 배선의 절연, 외부환경으로부터 반도체 장치를 보호하는 보호층(passivation)으로서 이용되고 있다.
산화막 형성 방법으로는 건식 산화법(dry oxidation)과 습식산화법(wet oxidation)이 있다. 건식 산화법은 산화제로 산소를 이용고, 습식 산화법은 산화제로 수증기를 이용한다. 습식 산화법은 산화막의 성장속도가 빠르기 때문에 두꺼운 산화막이 필요한 소자를 제조하는 공정에서 주로 사용되고 있다. 그러나, 최근에는 산화막의 두께가 약 300Å 이하인 소자에서도 산화막의 품질을 향상 시키기 위하여 습식 산화법이 사용되고 있다. 이는 습식 산화법이 건식 산화법에 비해 산화막 성장속도가 빠르고 고품질의 산화막을 얻을 수 있기 때문이다.
도 1을 참고로, 종래의 저압 습식 산화 장치에 관해 설명한다. 웨이퍼(110)가 적재되어 있는 웨이퍼(110) 적재부(100)가 확산로(120) 안에 설치되어 있다. 기체 공급장치(미도시)로부터 질소, 산소, 수소 기체가 각 기체 공급관(170,160,150)을 통하여 공급된다. 공급되는 기체 중 산소와 수소는 산화막 형성에 관여하는 것들이고, 질소 기체는 산소와 수소의 반응을 억제하여 산화막 형성을 방해하는 기체이다.
수증기 생성 장치(140)에서 산소 기체와 수소 기체가 합쳐진 다음, 질소 기체와 함께 공급 배관(180)을 통하여 확산로(120) 내부로 들어간다. 질소 기체는 확산로(120) 내부에서 수증기의 농도를 조절하는 역할을 함으로써, 산화막의 형성 두께를 조절한다. 공급 배관(180)은 히팅 코일(190)이 감겨져서, 140℃를 유지한다. 상기 히팅 코일(190)에 의해, 수증기 생성 장치(140)에서 생성된 수증기는 확산로(120) 내부로 들어갈 때까지 액화되지 않고 수증기 상태를 유지한다.
산화 공정이 진행되는 동안, 확산로(120)의 내부는 진공 펌프(130)에 의해 저압력 상태를 유지한다. 기체들이 유입되는 확산로(120)의 반대 쪽 출구에 진공 펌프(130)를 설치하여, 확산로(120) 내부의 기체들의 흐름을 가속시킴으로써, 증착 두께가 얇은 산화막을 형성하기 위함이다.
그런데, 상기와 같은 종래의 저압 습식 산화 장치에서, 질소 기체의 공급관(170)은 상온을 유지한다. 이 때, 수증기와 질소 기체를 같이 공급 배관(180)으로 공급할 경우, 수증기가 상온의 즉, 차가운 질소 기체를 만나게 되므로, 확산로(120) 상부에서는 일부의 수증기가 액화될 수 있다. 따라서, 확산로(120)의 상부에 적재된 웨이퍼(110)에는 산화막이 얇게 증착되고, 확산로(120)의 하부로 갈수록 웨이퍼(110)에 증착되는 산화막의 두께가 두꺼워진다. 즉, 확산로(120) 내부에서 웨이퍼(110)가 적재된 위치에 따라, 산화막의 두께가 다르게 형성되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 확산로 내부에서 적재된 위치와 상관없이, 모든 웨이퍼에 균일한 두께의 산화막을 형성할 수 있는 저압 습식 산화 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 저압 습식 산화 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 저압 습식 산화 장치의 개략도이다.
도 3은 종래의 저압 습식 산화 장치 및 본 발명의 저압 습식 산화 장치에 의해 형성된 산화막의 두께를 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명 *
100,200 - 웨이퍼(110) 적재부 110,210 - 웨이퍼(110)
120,220 - 확산로 130,230 - 진공 펌프
140,240 - 수증기 생성 장치 150,250 - 산소 공급관
160,260 - 수소 공급관 170,270 - 질소 공급관
180,290 - 공급 배관 190,280,300 - 히팅 코일
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 저압 습식 산화 장치는 다수 개의 웨이퍼가 적재된 확산로, 수증기 생성 장치, 질소 기체 공급관, 수증기 생성 장치 및 질소 기체 공급관을 확산로와 연결하는 공급 배관, 질소 기체 공급관 및 공급 배관에 설치된 히터 및 확산로 내부를 저압력 상태로 유지하는 진공 펌프를 포함한다. 상기 히터의 온도를 제어할 수 있는 온도 조절기를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 히터는 질소 기체 공급관 및 공급 배관을 감싸는 히팅 코일을 이용한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 본 발명의 개시가 완전해지도록 하며, 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 구성 요소를 의미한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참고로 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 저압 습식 산화 장치의 개략도이다.
도 2에서, 웨이퍼(210)가 적재되어 있는 웨이퍼 적재부(200)가 확산로(220) 안에 설치되어 있다. 기체 공급장치(미도시)로부터 질소, 산소, 수소 기체가 각 기체 공급관(270,260,250)을 통하여 공급된다. 공급되는 기체 중 산소와 수소는 산화막 형성에 관여하는 것들이고, 질소 기체는 산소와 수소의 반응을 억제하여 산화막 형성을 방해하는 기체이다.
수증기 생성 장치(240)에서 산소 기체와 수소 기체가 반응하여 수증기가 생성된 후, 질소 기체와 함께 공급 배관(290)을 통하여 확산로(220) 내부로 들어간다. 공급 배관(280) 및 질소 기체 공급관(270)에는 각각 히팅 코일(300,280)이 감겨져 있다. 각각의 히팅 코일(300, 280)에는 온도 조절기(미도시)를 설치하여 공급 배관(280) 및 질소 기체 공급관(270)의 온도를 140℃로 유지한다. 질소 기체 공급관(270)의 온도는 반드시 140℃이어야 하는 것은 아니라, 수증기를 액화시키지 않을 정도의 온도로, 100℃이상이면 가능하다. 한편, 상기 공급 배관(280)에 감겨진 히팅 코일(300)에 의해, 수증기 생성 장치(240)에서 생성된 수증기는 확산로(220) 내부로 들어갈 때까지 액화되지 않고 수증기 상태를 유지한다.
산화막 형성 공정을 더 상세히 살펴보면, 산화막 형성 전의 대기 상태에서는, 웨이퍼(210)가 적재된 확산로(220) 내부에 질소 기체만 공급된다. 확산로(220) 내부의 온도는 확산로(220)에 설치된 히터(미도시)에 의해 약 600~650℃ 정도를 유지하고 있다. 초기 열 안정화 공정을 약 5분간 진행하면서, 질소 기체가 확산로(220) 내부로 계속 흐르도록 한다. 질소는 비활성 기체로서, 웨이퍼(210)에 산화막이 형성되지 않도록 하는 역할을 한다.
계속해서, 질소 기체를 차단하고, 산소 기체를 확산로(220) 내부로 주입하면서 확산로(220)의 온도를 약 850~1000℃ 정도로 상승시킨다. 그러면, 확산로(220) 내부에 있는 웨이퍼(210)의 실리콘 표면과 산소가 반응하여 초기 산화막이 형성된다. 확산로(220) 내부의 온도가, 설정된 온도 범위에 도달하면 온도를 안정화시키는 공정을 실시한다. 설정온도는 공정조건에 따라 다르나 대략 850~1000℃ 범위에서 조정된다.
이와 같이 확산로(220) 내부의 온도가 안정이 되면, 확산로(220) 내부로 수증기와 질소 기체를 동시에 주입하여 산화막을 성장시키는 산화공정을 진행하게 된다. 이때, 산소와 수소기체는 수증기 생성 장치(140)에서, 화학반응을 하여 수증기(H2O) 상태로 공급 배관(290)에 공급된다. 히팅 코일(280)에 의해 질소 기체도 140℃를 유지한다. 질소 기체와 수증기가 확산로(220)에 공급되어, 산화막을 형성하는 동안, 수증기는 안정된 기체 상태를 유지한다. 따라서, 확산로(220) 내부의 적재된 위치에 관계없이, 모든 웨이퍼(210)에 균일한 두께의 산화막이 형성된다.
산화 공정이 진행되는 동안, 확산로(220)의 내부는 저압력 상태를 유지한다. 기체들이 유입되는 확산로(220)의 반대 쪽 출구에 진공 펌프(230)를 설치하여, 확산로(220) 내부의 기체들의 흐름을 가속시킴으로써, 증착 두께가 얇은 산화막을 형성한다.
습식 산화 공정이 완료되면, 다시 확산로(220) 내부로 질소 기체를 흘리면서 후기 온도 안정화 공정을 진행하게 된다. 이때 산소와 수소 기체의 공급을 차단한 상태에서 질소 기체만을 확산로(220) 내부로 흘리면서, 산화막의 열안정화 공정을 실시한다. 곧이어, 확산로(220)의 온도를 하강시키는 공정을 진행한 다음, 웨이퍼(210)를 확산로(220)에서 꺼낸다.
도 3은 종래의 저압 습식 산화 장치 및 본 발명의 저압 습식 산화 장치에 의해 형성된 산화막의 두께를 비교한 그래프이다.
도 3에서, 가로축은 테스트 웨이퍼의 확산로(220) 내부에서의 위치를 나타낸다. S/D, P1, P2, P3, P4는 각각 확산로(220) 내부에서 웨이퍼(210)가 적재되는 영역을 나타낸다. P1, P2, P3, P4는 각각 공정이 수행되는 프로세스 웨이퍼가 적재되는 영역을 나타내고, S/D는 프로세스 웨이퍼 상, 하에 정렬을 위해 이용되는 더미 웨이퍼가 적재되는 영역을 나타낸다. 상기 프로세스 웨이퍼가 적재되는 영역들 사이 사이의 영역은 각각 위에서부터 U-ZONE(upper zone), CU-ZONE(center upper zone), C-ZONE(center zone), CL-ZONE(center lower zone), L-ZONE(lower zone)으로 나타내고, 테스트 웨이퍼가 놓인다.
그래프의 가로축은 'cool' 과 'hot'으로 이분되어 나타내고 있다. 'cool'로 표시된 좌측은 종래 기술에 의한 습식 산화 장치의 확산로 내부의 영역을 나타낸다. 'hot'으로 표시된 우측은 본 발명에 의한 습식 산화 장치의 확산로 내부의 영역을 나타낸다. 세로축은 테스트 웨이퍼에 형성된 산화막의 두께를 나타내고, 단위는 Å이다.
그래프 우측 상단의 원모양은 그래프에 표시된 점들을 정의하기 위해 나타낸 웨이퍼 상의 위치를 표시한 것이다. 즉, 그래프에서 ◆로 표시된 점은 웨이퍼에서 T로 표시된 위치, ■로 표시된 점은 L 위치, ▲로 표시된 점은 C 위치, ×로 표시된 점은 R 위치,로 표시된 점은 F 위치에서의 산화막의 두께를 각각 나타낸다.
도시된 바와 같이, 그래프에서 'cool'로 표시된 좌측의 점들은 U에서 L로 옮겨감에 따라 두께 값이 커짐을 알 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 확산로 내부에서 하부로 갈수록, 웨이퍼에 형성되는 산화막의 두께가 두꺼워진다.
반면에, 'hot'으로 표시된 우측의 점들은 모든 영역에 대해서 비교적 일정한두께 값을 나타내고 있다. 즉, 확산로 내부의 모든 영역에서 균일한 두께의 산화막이 형성된 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 저압 습식 산화 장치는 질소 기체 공급관에 히팅 코일을 설치하여 질소 기체를 100℃ 이상의 온도로 유지함으로써, 확산로 내부에서 웨이퍼가 적재된 위치에 관계없이, 균일한 두께의 산화막을 웨이퍼 상에 형성할 수 있다.

Claims (3)

  1. 다수 개의 웨이퍼가 적재된 확산로;
    수증기 생성 장치;
    질소 기체 공급관;
    상기 수증기 생성 장치 및 상기 질소 기체 공급관을 상기 확산로와 연결하는 공급 배관;
    상기 질소 기체 공급관 및 상기 공급 배관에 설치된 히터; 및
    상기 확산로 내부를 저압력 상태로 유지하는 진공 펌프를 포함하는 저압 습식 산화 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 질소 기체 공급관 및 상기 공급 배관에 설치된 히터의 온도를 제어할 수 있는 온도 조절기를 더 구비하는 저압 습식 산화 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 질소 기체 공급관 및 상기 공급 배관에 설치된 히터는, 상기 질소 기체 공급관 및 상기 공급 배관을 감싸는 히팅 코일을 이용하는 저압 습식 산화 장치.
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