KR20030001833A - 화학기상증착을 위한 반도체 제조장치 및 화학기상증착 방법 - Google Patents

화학기상증착을 위한 반도체 제조장치 및 화학기상증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 화학기상증착을 위한 제조장치 및 화학기상증착 방법에 관한 기술로서, 반도체 기판을 올려놓는 지지체를 갖는 반응챔버와, 반응챔버 내로 적어도 하나의 반응가스를 공급하기 위한 복수의 원료물질(precursor)저장부를 갖는 가스공급장치와, 가스공급장치로부터 반응챔버 내로 반응가스를 공급하는 가스공급관을 포함한다. 즉, 복수의 원료물질저장부로부터 발생되는 반응가스를 반응챔버 내로 공급함으로써, 충분한 양의 반응가스를 반응챔버 내로 분사할 수 있어 증착속도와 스텝커버리지(step coverage)를 향상시킬 수 있다.

Description

화학기상증착을 위한 반도체 제조장치 및 화학기상증착 방법{Semiconductor manufacturing equipment and method for chemical vapor deposition}
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 특히 절연막이나 금속막을 증착하는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)용 반도체 제조장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서, 화학기상증착 공정은 필수적으로 사용되는 공정으로서 스텝커버리지(step coverage)가 좋고 양산성이 뛰어난 장점이 있다. 이러한 화학기상증착 공정은 원료물질을 기체상태로 반응기에 유입시켜 반도체 기판 상에서 화학반응을 통하여 소정의 막질이 증착되도록 하는 공정이다. 이 때, 원료물질이 기체 상태일 경우에는 직접 반응기와 연결하여 공급하면 되지만, 원료물질이 상온에서 응축된 액체나 고체상태인 경우에는, 버블법(Bubbling)이나 증기류조절법(Vapor Flow Controller) 또는 액체공급법(Liquid Delivery)을 이용하여 원료물질을 기체화한 후 공급을 한다. 이러한 방법들은, 상온에서 실시하면 원료물질의 증기압이 낮아 충분한 공급이 불가능하여 고온으로 원료물질을 가열함으로써, 증기압을 증가시켜 기화 효율을 향상시키는 것이 일반적이다.
그런데, 원료물질들 중 상당수가 소정온도 이상에서는 자체 분해가 일어나 원료물질로서의 기능이 상실되기 때문에 소정온도 이상으로는 가열시키지 못한다. 그렇기 때문에 증기압을 증가시키는 데는 한계가 있다. 특히, 금속막 증착의 원료물질로 사용되는 금속유기물질(Metal Organic Compound)들은 가열시 자체 분해가 일어나는 특성 때문에, 가열을 하지 않거나 혹은 한정된 온도에서 가열해야 하므로 충분한 증기압을 확보하기가 어렵다.
따라서, 원료물질의 증기압이 충분하지 않은 상태에서 반응가스가 반응기 내로 유입이 되면 공급되는 기체의 양이 적기 때문에, 막질이 형성되는 증착속도가 낮고 스텝 커버리지(step coverage)도 불량할 뿐 아니라 막질의 균일성도 불량하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상온에서 액상이나 고상인 원료물질들이 반응기 내로 충분히 공급되어 증착속도도 높아 스텝커버리지가 양호하고 막질 균일성도 우수한 화학기상증착용 반도체 제조장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 제조장치를 나타낸 개략도 이다.
도 2는 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 제조장치의 다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 장치에 장착된 분사부의 평면도, 단면도 및 저면도이다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 장치에 장착된 분사부의 다른 형태를 나타낸 평면도, 단면도 및 저면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 화학기상증착 방법을 나타낸 단위 공정흐름도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 화학기상증착용 반도체 제조장치는, 반도체 기판을 올려놓을 수 있는 지지체를 갖는 반응챔버와, 반응챔버 내로 적어도 하나의 반응가스를 공급하기 위한 복수의 원료물질(precursor)저장부를 갖는 가스공급장치와, 상기 가스공급장치로부터 상기 반응가스를 상기 반응챔버 내로 공급하는 가스공급관을 포함한다.
원료물질저장부는 액상의 원료물질이나 고상의 원료물질이 내장되어 있고, 이러한 응축상의 원료물질을 기체화하기 위해서 원료물질저장부에는 기화장치가 포함되어 있어, 액상이나 고상의 원료물질을 기상의 반응가스로 변환시킨다. 이때, 기화장치는 기화를 촉진하기 위해서 소정의 온도로 원료물질을 가열할 수 있는 가열장치를 더 포함하고 있다.
여기서, 원료물질은 금속유기화합물(Metal Organic Compound)이거나 절연물유기화합물일 수도 있다.
가스공급장치에 마련된 복수개의 원료물질(precursor)저장부들은 반응챔버와 사이에 각각 독립된 가스공급관이 연결되어 있다. 이러한 가스공급관들은 기상의 반응가스가 유동 중에 응집되는 것을 방지하기 위해서 가열수단을 더 포함할 수 있고, 내부에 저항코일이 내장된 선형의 히터테이프를 사용하는 것이 설치작업이 용이하여 바람직하다.
반응챔버 내에는 반응가스가 유입될 수 있도록 복수의 분사공이 형성되어 있는 분사부를 포함하고, 분사부는 각각 분리된 분사영역을 형성하고 있으며, 이들 분사영역 각각은 독립된 가스공급관과 연결되어 있다. 그리고, 이러한 분사부는 반응가스를 다양한 방향으로 균일하게 분사할 수 있도록 분사방향이 서로 다른 분사공을 형성할 수 있다.
이렇게 본 발명은 복수의 원료물질저장부를 마련하여 복수의 경로를 통해 반응챔버 내로 공급함으로써, 반응가스를 반응챔버 내로 충분히 공급되기 때문에 막질의 증착속도가 향상되고 스텝커버리지가 우수하며, 형성된 막질 두께의 균일성도 우수해진다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 화학기상증착 방법은, 먼저 동일한 원료물질이 수용되어 있는 복수의 원료물질저장부들에 저장된 원료물질을 소정의 증기압까지 기화시켜 반응가스를 발생시킨다. 그런 다음, 공정이 진행될 반도체 기판을 마련하여 증착분위기로 준비한다. 반응가스를 가스공급관을 통해 반응챔버 내로 유입시키고, 분사부를 통해 반도체 기판 상으로 분사하여 소정의 막을 증착시킨다. 여기서, 반응가스를 발생시킬 때, 원료물질을 소정 온도로 가열하는 것이 원료물질의 증기압을 증가시킬 수 있어 바람직하다. 그리고, 공정에 사용되는 반응가스는 원료물질저장부들과 연결된 복수의 가스공급관을 통해 복수의 경로를 통해 반응챔버로 공급될 수 있다.
한편, 반응챔버 내에는 복수의 분사공이 형성된 분사부를 통해 반도체 기판상에 공급되며, 이러한 분사부는 복수의 분사영역으로 분리되어 영역별로 독립적으로 분사된다.
반응가스를 반도체 기판 상으로 유입시키기 전에, 반응챔버는 막이 증착될 수 있도록 증착분위기를 조성해야 하며, 이때 반응챔버의 온도를 막질 증착에 적절한 온도로 설정하고 압력조건도 필요에 따라서 1 기압보다 낮은 소정의 압력으로 설정할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 제조장치를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 내부에 적어도 하나의 반도체 기판(100)을 수용하여 공정을 진행하는 반응챔버(1)가 있고, 이 반응챔버(1) 내로 반응가스를 공급하기 위한 가스공급장치(5)가 반응챔버(1)의 외부에 설치되어 있으며, 반응가스를 반응챔버(1) 내로 전달하기 위해서 가스공급장치(5)와 반응챔버(1) 사이에 가스공급관(7)이 연결되어 있다.
가스공급장치(5)는, 반응가스의 원료물질을 내장하고 있는 원료물질저장부(51)를 복수개 갖고 있다. 여기서 원료물질은 상온에서 기상이 아닌 액상이나 고상으로 존재하는 유기화합물이다. 따라서, 원료물질저장부(51)에는 이러한 유기화합물을 유동하기 용이하게 기화시켜 반응챔버(1) 내로 유입시킬 수 있도록 기화장치(52)를 포함하고 있다. 이러한 기화장치(52)는 가열장치(53)를 더 포함하고 있어 원료물질의 특성에 따라 허용되는 온도범위 안에서 원료물질을 가열함으로써, 증기압을 높여 공급양을 증가시킬 수도 있다. 여기서 기화장치(52)는 원료물질저장부(51)와는 별도로 격리되어 독립적으로 설치될 수도 있다.
이러한 원료물질은, 반도체 기판(100)상에서 금속이 증착되는 금속유기화합물(Metal Organic Compound)일 수도 있고, 절연막이 증착되는 절연막유기화합물일 수도 있다. 여기서, 금속유기화합물로는 알루미늄(Al) 원소를 포함하고 있는 유기화합물이나, Ti 나 TiN 등의 반도체 공정에서 사용되는 금속원소를 포함하는 금속유기화합물 등이 있다.
가스공급관(7)은 가스공급장치(5)의 원료물질저장부(51)의 유입구에 형성된 포트와 연결되어 반응가스를 반응챔버(1)까지 유도하도록 연장되어 있다. 이러한 가스공급관(7)은 각 원료저장부(51)의 포트들로부터 각각 분기되어 유출되지만, 중간의 어느 지점의 합류점에서 하나로 통합되어 반응챔버(1)로 공급되도록 형성되어 있다.
한편, 기화되어 공급되는 반응가스의 특성상, 가스공급관(7)을 통해 유동되는 도중에 반응가스가 가스공급관(7)의 내벽에 응축되어 흡착될 수 있는데, 이러한 응축현상을 방지하기 위해서 가스공급관(7)의 길이를 최소한 짧게 하는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 가스공급관(7)을 따라 가열장치(71)를 더 설치하여 응축현상을 확실히 방지할 수 있다. 이러한 가열장치(71)는 선형의 기스공급관(7)을 따라 설치하기 용이하도록, 중앙에 저항코일이 내장된 히터테이프(Heater Tape)를 사용하는 것이 바람직하다.
반응챔버(1)는, 공급된 반응가스를 반도체 기판(100)상에서 화학반응을 일으켜 막을 형성하는 공간으로서, 밀폐된 통형상으로 내부에는 반도체 기판(100)을 공정위치에 올려놓을 수 있는 지지체(3)가 있고, 반응챔버(1)의 일측에는 가스공급장치(5)로부터 전달된 반응가스를 유입시켜 반도체 기판(100) 상에 분사하는 가진 분사부(11)가 형성되어 있다.
도 2은 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 제조장치의 다른 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 다른 구성요소들은 도 1과 동일하고, 가스공급장치(7)의 각 원료물질저장부(51)로부터 반응챔버(1)까지 가스공급관(7a,7b,7c)이 각각 독립적으로 연결되어 있다. 이러한 각 가스공급관(7a,7b,7c)은 계속 연장되어 반응챔버(1)의 내부에 있는 분사부(11)와 연결되어 있다. 그러면, 각 원료물질저장부(51)로부터 발생되는 반응가스가 중간에서 합류되지 않고 직접 반응챔버(1)까지 직접 연결되므로, 반응가스가 중간의 합류점에서 일어나는 난류나 유동저항 없이 소정의 증기압을 균일하게 유지하면서 반응챔버(1)까지 공급될 수 있는 장점이 있다.
도 3a내지 도 3c는 본 발명의 화학기상증착용 반도체 제조장치에 장착된 샤워헤드(showerhead) 형식의 분사부(11)를 설명하기 위해서 도시한 편면도, 단면도 및 저면도이다. 그리고, 도 4a 내지 도 4c는, 본 발명의 화학기상증착용 반도체 제조장치에 장착된 샤워헤드(showerhead) 형식의 분사부(11)의 다른 형태를 설명하기 위해서 도시한 편면도, 단면도 및 저면도이다. 여기서, 도 3a 및 도4a는 평면도이고, 도 3b 및 도 4b는 도 3c의 III-III 선 및 도 4c의 IV-IV 선에 따라 절개하여 분사부의 단면을 나타낸 단면도이고, 도 3c 및 도 4c는 분사부의 저면도이다. 도시된 바와 같이, 분사부(11)는 그 단부가 반도체 기판(도2의 100)과 마주보고 평행하게 배치되어 원형 판상으로 형성되어 있고, 판면에는 유입된 반응가스를 반도체 기판(100) 상에 균일하게 분사하기 위해서, 복수의 분사공(11a)이 형성되어 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c의 평면도, 그의 단면도 및 저면도를 참조하면, 분사부(11)는 격벽(11b)에 의하여 복수의 소정 영역으로 분리되어 독립된 분사영역이 형성되어 있고, 각 분사영역에 대응하여 독립된 가스공급관(7a,7b,7c)이 연결되어 있다. 이러한 분사영역은 통상 증착되는 막의 두께분포에 의존하여 동심원적으로 중앙부분과 외곽부분을 나누어 형성한다. 그리고, 외곽부분은 면적이 넓으므로 이를 적정하게 이등분하여 모두 3분하여 각각 별도로 가스공급관(7a,7b,7c)을 연결한다. 이와는 달리, 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 전체를 기준으로 단순하게 적정한 크기로 분류하여 분사영역을 분리하여 형성할 수 있다. 이와 같이, 분사영역을 적절히 나누어 독립된 가스공급관(7a,7b,7c)을 연결하여 반응가스를 공급하면, 이들 분사영역의 각각의 유속을 별도로 조절하여 균일한 두께의 막질을 용이하게 얻을 수 있으며 공정관리 측면에서 편리하다. 이러한 분사부(11)는, 공급되는 반응가스를 반도체 기판(100)에 균일하게 분사하도록, 그 분사방향을 각각 다양한 각도로 형성할 수 있다.
그런데, 전술한 분사부(11)는 반응챔버(1)의 상부에 부착되어 있어 샤워헤드 형식으로 구성되어 있지만, 막질의 종류나 특성에 따라서 분사부(11)는 측방에서 구성되어 반도체 기판(도1 또는 도2의 100)에 대해서 수평으로 반응가스를 공급할 수 있도록 측부에 반응가스 유입용 배플을 장착하는 배플형으로 구성할 수도 있다. 그리고, 분사부는 반응챔버(1) 내에 복수개가 마련되어 다양한 각도에서 입체적으로 분사할 수 있도록 구성될 수도 있다.
한편, 화학기상증착 반응은 일반적으로 저압에서 진행되므로, 반응챔버(1)의 일측에 저압공정을 진행하기 위해서 진공펌프를 포함하는 진공장치(도1 및 도2의 9)를 포함하고 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 화학기상증착용 반도체 제조장치는, 복수의 원료물질저장부(51)로부터 반응가스를 공급함으로써, 기화된 반응가스의 증기압이 낮은 금속유기합물에서도 높은 증착속도와 양호한 스텝 커버리지(step coverage)를 얻을 수 있고, 또한 우수한 막질 균일성도 달성할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 화학기상증착 방법을 나타낸 단위공정 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 먼저 공정을 진행할 수 있도록 반도체 기판(100)을 준비한다. 그런 다음, 복수의 원료물질저장부(51)의 원료물질을 소정의 증기압까지 기화하여반응가스를 발생시킨다(s1). 이렇게 발생된 복수의 원료물질저장부로(51)부터 발생된 반응가스를 동시에 가스공급관(7)을 통해서 반응챔버(1) 내로 유입시킨다(s2). 그런 다음, 유입된 반응가스를 복수의 경로를 통해 반도체 기판(100)상에 분사하여 막을 형성한다(s3).
원료물질은 알루미늄(Al)을 증착하기 위한 응축상(액상)의 금속유기화합물로서, DMEAA(Dimethylamine alane, (CH3)2C2H5N:(AlH3))나 MPA(Methyl pyrorridine alane) 등이다.
반응가스를 발생시키기 위해서 반응물질을 기화시킬 때, 효율을 높이기 위해서 원료물질을 허용되는 소정 온도로 가열할 수도 있다. 이러한 반응가스는 반응챔버(도 1의 1) 내로 유입될 때 복수의 가스공급관(도 1의 7)을 통해서 복수의 경로로 소정의 분사속도를 유지하면서 공급되며, 반응챔버(도 1의 1) 내에서도 반응챔버(1) 내벽에 복수로 형성되어 있는 유입구(11)를 통해 반도체 기판(100) 상에 다양한 방향으로 균일하게 분사된다.
한편, 반도체 기판(100)을 준비하는 단계에서는, 반응챔버(1) 내부를 가열하여 소정의 증착온도까지 상승시켜 분위기를 형성하고, 필요에 따라서 반응챔버(1) 내의 압력을 저압으로 유지하여 증착분위기를 조성하여야 한다.
상기와 같은 본 발명에 의한 화학기상증착 방법은, 원료기화장치(52) 및 가열장치(53)를 포함하는 복수의 공급경로를 통해 반응가스가 공급되므로, 증착속도도 높고 스텝커버리지도 우수한 금속막을 반도체 기판 상에 형성할 수 있다. 또한,격벽(11b)에 의해 분사부(11)를 소정영역으로 분리하여 각 영역에 따라 충분한 양의 반응가스를 반도체 기판(100)상에 균일하게 공급하므로 두께 균일도가 우수한 금속막을 형성할 수 있다.
한편, 전술한 원료물질로는 금속유기화합물뿐만 아니라 절연막을 증착하기 위해서 사용되는 절연막유기화합물(예를 들어, 액상의 TEOS)을 적용할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 화학기상증착용 반도체 제조장치와 화학기상증착 방법은, 복수의 원료물질저장부를 마련하고 반응챔버 내에서 복수의 유입구를 형성함으로써, 반응가스의 공급양을 증가시킬 수 있어 증착속도와 스텝커버리지를 향상시킨다.
그리고, 반응챔버 내에 다양한 방향으로 형성된 유입구들에 의해서 반응가스가 반도체 기판 상에 균일하게 분사되어 두께 균일도가 우수한 막질을 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 반도체 기판을 올려놓는 지지체를 갖는 반응챔버와;
    상기 반응챔버 내로 적어도 하나의 반응가스를 공급하기 위한 복수의 원료물질(precursor)저장부를 갖는 가스공급장치와;
    상기 가스공급장치로부터 상기 반응가스를 상기 반응챔버 내로 공급하는 가스공급관을 포함하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원료물질저장부는 액상의 원료물질 및 고상의 원료물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 원료물질저장부는 기화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기화장치는 상기 원료물질저장부를 가열할 수 있는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 원료물질은 금속유기화합물(Metal Organic Compound)과 절연물유기화합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 원료물질(precursor)저장부들과 상기 반응챔버 사이에 상기 원료물질저장부와 1:1로 연결되는 가스공급관을 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스공급관들은 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열수단은 저항코일이 내장된 선형의 히터테이프인 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반응챔버에는 상기 반응가스가 유입될 수 있도록 복수의 분사공이 형성된 분사부를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 분사부는 상기 반응가스를 복수의 방향으로 분사할 수 있도록 분사영역이 복수로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 화학기상증착용 반도체 제조장치.
  11. 반도체 기판을 올려놓을 수 있는 지지체를 갖는 반응챔버와 복수의 원료물질저장부를 갖는 가스공급장치를 포함하는 화학기상증착용 반응기에서의 화학기상증착 방법에 있어서,
    상기 복수의 원료물질저장부의 원료물질을 소정의 증기압까지 기화시켜 반응가스를 발생시키는 단계;
    상기 반응가스를 상기 반응챔버 내로 유입시키는 단계;
    상기 반응가스를 상기 반도체 기판 상에 분사하여 소정의 막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반응가스를 발생시키는 단계는 상기 원료물질을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반응가스는 상기 원료물질저장부들과 연결된 복수의 경로를 통해 반응챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반응챔버 내에는 복수의 분사공이 형성된 분사부를 통해 기판 상에 분사되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 분사부는 분사되는 영역을 복수로 나누어 분사하는 것을 특징으로 하는 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법
  16. 제11항에 있어서, 상기 반응가스를 반도체 기판 상으로 유입시키기 전에 상기 반응챔버를 증착분위기로 조성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 증착분위기를 조성하는 단계는 상기 반도체 기판을 증착온도까지 가열시키는 단계와, 상기 반응챔버 내를 1기압보다 낮은 저압의 공정압력조건으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100454292B1 (ko) * 2002-01-07 2004-10-26 주성엔지니어링(주) 액체운송장치의 가열을 위한 일체형 블록 히터
KR101139691B1 (ko) * 2009-12-30 2012-05-11 엘아이지에이디피 주식회사 금속 유기물 화학기상 증착장치

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