KR20030012480A - 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치에 관한 것으로서, 즉 본 발명은 챔버 바디와 돔을 순환하는 제1 냉각 라인과 정전척을 순환하는 제2 냉각 라인을 각각 구비하여 증착 공정시에는 동일한 온도의 냉각수가 순환되도록 하고, 증착 공정을 수행하고 난 직후에는 상기 제1 냉각 라인으로 상기 제2 냉각 라인보다는 낮은 온도의 냉각수가 순환되도록 하는 구성인바 클리닝 공정 수행시 반응 챔버내의 상하부 온도를 차별화하여 증착 공정시 발생되던 파티클들이 보다 완벽하게 제거되면서 웨이퍼 제조 수율이 향상되도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치{High Density Plasma Chemical Vapor Deposition apparatus for manufacturing semiconductor}

본 발명은 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 챔버내에서의 공정 수행이 완료된 직후 클리닝시 반응 챔버의 상하부 내부 온도를 차별화하므로서 상부에 잔류하는 파티클들이 배기시 원활하게 배출될 수 있도록 하는 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 고집적화에 따라서 트랜치 소자 분리 공정 및 층간절연막(ILD: Inter layer Dielectric) 구조에서 점점 더 정교한 임계치수(Critical Domension) 및 높은 종횡비(Aspect ratio)가 요구되고 있다.

이때 반도체 소자의 제조공정에서 발생한 단차를 평탄화하기 위해 사용되는 물질은 BPSG막, O3-TEOS막, 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition,이하 'CVD'라 칭함) 방식으로 형성된 USG, O3-TEOS 및 고밀도 플라즈마(High Density Plasma, 이하 HDP라 약칭함) CVD막 등이 있다.

현재 디자인 룰(Design Rule)이 0.25㎛ 이하의 반도체 소자를 제조하는 과정에서 발생한 단차를 채우는(Gap Fill) 물질로 사용되는 박막은 BPSG막, O3-TEOS막 및 HDP CVD막 등이 있으나, 이중에서 써멀 버젯(ThermalBudget)이나 자기정렬(SAC: Self Align Contact) 관점에서 가장 선호되고 있는 막질은 단연 HDP CVD막이다.

도 1은 이러한 HDP CVD막을 형성하기 위한 종래의 HDP CVD 장치를 도시한 것으로서, 반응 챔버(10)는 크게 하부의 챔버 바디(11)와 상부의 돔(12)으로서 이루어진다.

반응 챔버(10)의 챔버 바디(11)측 하부에는 웨이퍼가 안착되는 정전척(13)이구비되고, 돔(12)의 외주면으로는 코일(14)이 권선되며, 특히 정전척(13)의 상측 공간에는 내주면을 따라 다수의 노즐이 일정 간격으로 형성된 가스 링(15)이 구비된다.

또한 돔(12)의 중앙에도 별도의 노즐이 형성되므로서 가스 링(15)측 노즐과 함께 반응 챔버(10)의 내부로 다양한 소스 가스를 공급하게 된다.

이때 정전척(13)과 돔(12)의 코일(14)에는 각각 RF 파워가 인가된다.

즉 반응 챔버(10)의 내부로 각 노즐로부터 소스 가스가 분사되도록 하면서 정전척(13)과 돔(12)의 외주면으로 구비된 코일(14)을 통해 각각 RF 파워를 인가하게 되면 정전척(13)과 돔(12)간 공간에는 소스 가스의 화학적인 반응에 의해 플라즈마가 형성된다.

이러한 공정 수행시 내부에서 발생되는 플라즈마에 의하여 반응 챔버(10)는 약 170℃로 되고, 이때의 웨이퍼 온도는 650 ~ 700℃까지 상승하게 된다.

따라서 웨이퍼의 지나친 온도 상승을 방지시키기 위하여 현재는 반응 챔버(10) 및 웨이퍼를 직접적으로 냉각시키는 열교환 구성이 동시에 구비되도록 하고 있다.

열교환 구성은 단순히 소정의 온도를 갖는 냉각수가 냉각이 필요한 부위를 순환하도록 하는 것으로서, 현재는 약 75℃의 냉각수가 챔버 바디(11)를 통해 돔(12)을 거쳐 정전척(13)으로 순환하도록 하고 있다.

이렇게 해서 냉각수의 순환에 의해 공정 수행 중 반응 챔버(10)에서의 지나친 온도 상승이 방지되면서 일정한 온도에서 안정적으로 공정을 수행할 수가 있게된다.

그러나 종전의 구조에서 정전척(13)과 돔(12)측의 온도를 동일하게 약 75℃로 유지시키다 보면 증착 공정이 완료된 직후의 반응 챔버(10)를 클리닝시 배기 라인이 구비되는 정전척(13)측의 파티클들은 원활하게 배출되는데 반해 상부의 돔(12)측에 잔류하는 파티클들은 제대로 배출되지 않게 되는 폐단이 있다.

이와같이 돔(12)측의 파티클들이 제대로 배출되지 않게 되면 반응 챔버(10)에서의 클리닝 공정이 수행된 직후 공정이 이미 완료된 가공상태의 웨이퍼와 새로운 미가공 웨이퍼를 교체시키게 될 때 반응 챔버(10)내 돔(12)측에 남아있던 잔류 파티클들이 이들 웨이퍼에 안착되면서 웨이퍼 제조 수율을 악화시키는 심각한 공정 불량 문제를 야기시키게 된다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 반응 챔버의 내부 온도를 상부와 하부가 별도로 제어되도록 하므로서 온도차에 따른 파티클의 유동을 촉진시켜 클리닝 공정 수행시 반응 챔버내 파티클들이 보다 완벽하게 제거되면서 웨이퍼 제조 수율이 향상되도록 하는데 있다.

도 1은 일반적인 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 도시한 개략적인 단면도,

도 2는 종래 냉각수 흐름 경로를 도시한 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 냉각수 흐름 경로를 도시한 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 열교환장치를 통한 냉각수 라인을 도시한 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 반응 챔버 11 : 챔버 바디

12 : 돔(dome) 13 : 정전척

20 : 제1 냉각 라인 30 : 제2 냉각 라인

40 : 열교환장치

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 챔버 바디와 돔을 순환하는제1 냉각 라인과 정전척을 순환하는 제2 냉각 라인을 각각 구비하여 증착 공정시에는 동일한 온도의 냉각수가 순환되도록 하고, 증착 공정을 수행하고 난 직후에는 상기 제1 냉각 라인으로 상기 제2 냉각 라인보다 낮은 온도의 냉각수가 순환되도록 하는 구성이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서의 반응 챔버는 전술한 종래의 구성과 동일하다.

즉 본 발명의 반응 챔버는 하부의 챔버 바디와 상부의 돔으로 이루어지고, 내부에는 챔버 바디측의 하부에 웨이퍼를 안착하는 정전척이 구비된다.

그리고 정전척과 돔의 사이에는 내부에 소스 가스가 분사되는 가스 링이 구비되며, 특히 상부의 돔 외주면으로는 코일이 권선되게 하므로서 정전척과 함께 RF 파워가 각각 인가되는 구성이다.

따라서 증착 공정시 돔측의 노즐과 가스 링에 형성되는 노즐로부터 소스 가스가 주입되는 동시에 정전척과 돔의 코일에 RF 파워가 인가되면 정전척과 돔 사이에서 가스의 화학적인 반응에 의해 플라즈마가 형성되면서 이 플라즈마에 의해 웨이퍼에는 필요로 하는 가스 막질을 증착시키게 되는 것이다.

한편 정전척과 돔에는 반응 챔버의 온도가 지나치게 상승되지 않도록 하는 냉각수 순환 구조가 구비되는 바 본 발명은 이같은 냉각수 순환 구조를 도 3에서와 같이 제1 냉각 라인(20)과 제2 냉각 라인(30)으로 각각 독립적으로 구비되도록 하는데 특징이 있다.

즉 제1 냉각 라인(20)은 챔버 바디와 돔을 순환하는 구성이고, 제2 냉각 라인(30)은 단순히 정전척만을 순환하는 구성이다.

이러한 제1 냉각 라인(20)과 제2 냉각 라인(30)은 도 4에서와 같이 열교환장치(40)에서 핫루프(41)와 콜드루프(42)를 선택적으로 제어함에 의해서 이루어지도록 한다.

통상의 열교환장치(40)에서 핫루프(41)를 통해 공급되는 냉각수는 75℃이고, 콜드루프(42)를 통해 공급되는 냉각수는 25℃로서 세팅되도록 하여 증착 공정시에는 핫루프(41)를 통해 돔(12)과 정전척(13)에 동일하게 75℃의 냉각수가 순환되도록 하고, 클리닝시에는 돔(12)측으로는 콜드루프(42)를 통해 25℃의 냉각수를, 그리고 정전척(13)으로는 핫루프(41)를 통해 75℃의 냉각수가 각각 공급되도록 한다.

다시말해 반응 챔버(10)의 상부에 구비되는 돔(12)의 냉각과 하부에 구비되는 정전척(13)의 냉각이 반응 챔버(10)의 클리닝시에는 각각 별도로 냉각수가 공급되면서 특정한 공정에서 각 냉각 라인으로 공급되는 냉각수의 온도가 차별화되도록 하는 것이다.

이를 보다 상세하게 설명하면 반응 챔버에서 증착 공정을 수행하는 중에는 제1 냉각 라인(20)과 제2 냉각 라인(30)으로 공히 열교환장치(40)의 핫루프(41)를 통해 동일한 온도의 냉각수가 순환되도록 한다.

즉 이들 냉각 라인(20)(30)에는 종전과 마찬가지로 약 75℃의 냉각수가 지속적으로 순환되도록 하므로서 플라즈마에 의한 반응 챔버내 온도가 지나치게 상승되지 않도록 하면서 균일한 온도로서 유지되도록 한다.

이렇게 해서 증착 공정이 일단 완료되고 나면 정전척(13)과 돔(12)의 코일에인가되던 RF 파워는 오프(off)상태가 되면서 반응 챔버(10)에는 클리닝 가스가 도입되고, 이 클리닝 가스의 도입시 배기 라인이 개방되면서 터보 펌프(미도시)에 의해 반응 챔버(10)내 반응 가스를 배기시키게 된다.

이러한 반응 챔버(10)의 클리닝시 제1 냉각 라인(20)과 제2 냉각 라인(30)에 공급되는 냉각수의 온도가 차별화되도록 하는데 본 발명의 가장 두드러진 특징이 있다.

따라서 증착 공정의 수행시 돔(12)과 정전척(13)에는 약 75℃의 동일한 온도의 냉각수가 각각 공급 및 순환되게 하므로서 공정 수행 중 반응 챔버(10) 내부의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 하며, 증착 공정이 완료되고 나서 클리닝시에는 돔(12)측의 내부 온도를 정전척(13)측보다는 낮게 유지되게 하므로서 파티클 제거가 보다 효과적으로 수행될 수 있도록 한다.

이렇게 공정 가스의 클리닝시 제1 냉각 라인(20)을 제2 냉각 라인(30)보다 낮은 온도의 냉각수로서 순환되도록 하면 반응 챔버(10)에서 증착 공정시 상승 기류를 타고 돔(12)측으로 유도된 파티클들간 결합력이 증강되면서 입자가 커지게 되어 자체 하중에 의해 정전척(13)측으로 하향 낙하하게 된다.

돔(12)측의 파티클들을 하향 낙하시키게 되면 공정 가스와 더불어 배기 라인을 통해서 파티클을 최대한 제거할 수가 있게 된다.

이렇게 해서 반응 챔버(10)내의 파티클들을 더욱 효율적으로 제거시키게 되면 가공이 완료된 웨이퍼나 새로 공급되는 미가공 웨이퍼에서의 파티클 안착이 방지되면서 웨이퍼 가공 불량의 문제를 해소시킬 수가 있게 된다.

따라서 본 발명에서와 같이 반응 챔버(10)에서의 돔(12)과 정전척(13)으로의 냉각수 공급 라인을 독립적으로 형성함과 동시에 공정 가스의 배기시 이들 냉각수 공급 라인을 통해 순환시키게 되는 냉각수 온도를 차별화하는 온도 제어에 의해서 돔(12)측으로 주로 집중되는 파티클들이 배기 라인을 통해 효과적으로 제거되도록 하고, 이로서 가공이 완료된 웨이퍼의 제품 신뢰성과 이후 반응 챔버에 유입되는 미가공 웨이퍼의 가공성을 더욱 향상시킬 수가 있게 되므로 반도체 제조 수율이 대폭 향상되면서 보다 안정된 공정의 수행을 가능토록 한다.

한편 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다는 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 반응 챔버의 내부 온도를 냉각시키는 냉각 라인을 돔을 순환하는 제1 냉각 라인(20)과 정전척을 순환하는 제2 냉각 라인(30)으로서 각각 분리 구성되도록 하는 간단한 개선에 의해 특히 증착 공정 직후의 공정 가스 배기시 동시에 반응 챔버내 파티클을 최대한 제거될 수 있도록 하므로서 반도체 제조 수율이 대폭 향상되도록 하는 것이다.

특히 이러한 본 발명의 구성과 작용에 따라 더욱 안정된 공정의 수행과 생산성 증대 및 제품에 대한 신뢰성을 증대시키는 매유 유용한 효과를 제공한다.

Claims (4)

1. 챔버 바디와 돔을 순환하는 제1 냉각 라인과 정전척을 순환하는 제2 냉각 라인을 각각 구비하여 증착 공정시에는 동일한 온도의 냉각수가 순환되도록 하고, 증착 공정을 수행하고 난 직후에는 상기 제1 냉각 라인으로 상기 제2 냉각 라인보다는 낮은 온도의 냉각수가 순환되도록 하는 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 냉각 라인과 제2 냉각 라인으로는 열교환장치로부터 냉각수가 공급되는 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 냉각 라인은 상기 열교환장치의 핫루프와 콜드루프에 동시에 연결되어 증착 공정시에는 핫루프를 통해 냉각수가 공급되고, 클리닝시에는 콜드루프를 통해 냉각수가 공급되는 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 핫루프를 통해 공급되는 냉각수는 75℃이고, 상기콜드루프를 통해 공급되는 냉각수는 25℃인 반도체 제조용 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치.