KR20040024062A - 개선된 샤워헤드 구조를 가지는 박막 제조용 화학기상증착장치 - Google Patents

개선된 샤워헤드 구조를 가지는 박막 제조용 화학기상증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼상에 균일한 두께의 박막을 증착시키기 위한 화학기상증착(CVD) 장치의 샤워헤드 구조에 관한 것이다. 본 발명에서는 박막증착을 위해 챔버내로 주입되는 두 종류의 반응가스가 각기 다른 경로를 통해 주입되도록 두개의 가스 인 포트부를 구비한다. 상기 두개의 가스 인 포트부를 통해 주입되는 두 종류의 반응가스가 저온영역이 아닌 고온의 히터상부에서 혼합됨에 따라 파우더 형태의 입자 생성이 억제되어 웨이퍼상에 균일한 두께의 박막이 증착된다. 그리고, 상기 파우더 형태의 입자 생성이 억제됨으로 인하여 웨이퍼 오염 및 챔버 오염 문제 또한 해소될 수 있다.

Description

개선된 샤워헤드 구조를 가지는 박막 제조용 화학기상증착 장치{chemical vapor deposition apparatus for use in a thin film having improved showerhead structure}
본 발명은 웨이퍼상에 균일한 두께의 박막을 증착시키기 위한 화학기상증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 증착을 위해 챔버내로 유입되는 제1차 반응가스 및 제2차 반응가스가 각기 서로 다른 경로를 통해 이동시키도록 하는 개선된 샤워헤드 구조를 가지는 화학기상증착 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 구현하기 위한 대부분의 물질막은 통상적으로 샤워헤드부가 부착되어 있는 가스 분사식 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 장치를 통해 증착되는데, 이러한 화학기상증착 장치가 적용되는 분야를 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 폴리실리콘(Poly Silicon layer)막, 구리(Cu), 티타늄/티타늄나이트라이드(Ti/TiN)막, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), W-Six 등과 같은 전기적 전도 특성을 가지는 배선장치 제조에 적용된다.
두 번째, 여러가지 케미칼을 이용한 SiO2막과 같이, 전도성을 띠는 물질막 사이를 절연시키는 산화막 증착에 적용된다.
세 번째, 디램(Dynamic Random Access Memory) 또는 플래쉬 메모리(Flash memory)등과 같은 메모리 소자에서 유전물질(Dielectric meterial)로 이용되는 Si3N4, Ta2O5, BST, PZT, Al2O3등의 고유전 박막 증착에 적용된다.
네 번째, 반도체 소자를 제조하기 위한 과정에서 후속 패터닝(patterning) 공정을 진행함에 있어서, 반도체 기판 표면의 단차를 완화시키기 위하여, 인(Phosphorus) 또는 보론(Boron)과 같은 불순물이 도우프된 산화막을 형성하기 위한 산화막 형성공정에 적용된다.
도 1에는 종래 방법에 따라 제작된 화학기상증착 장치의 단면도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 화학기상증착 장치는 챔버부(Chamber:1), 챔버 리드부(Chamber Lid:2), 블록 플레이트부(Block Plate:3), 반응가스가 분사되는 샤워 헤드부(Shower Head:4), 웨이퍼가 로딩되는 히터부(Heater:5) 및 상기 샤워 헤드부(4)로 반응가스를 공급하는 가스 인 포트부(gas in port:6)로 구성되어 있다.
일반적으로, 웨이퍼 표면에 박막을 증착시키기 위해서는 상기 가스 인 포트부(6)를 통해 서로 다른 두 종류의 반응가스를 주입하고, 주입된 상기 반응가스를 샤워 헤드부(4)를 통해 웨이퍼 표면에 분사함으로써 원하는 박막을 증착시키게 된다. 그러나, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 두 종류의 반응가스가 하나의 가스 인 포트부(6)로 동시에 주입되도록 구성되어 있다. 이때, 반응가스의 특성에 따라 저온영역에서 혼합될 경우 파우더 형태의 입자가 생성되기도 하는데, 실제저온영역인 챔버 리드부(2)와 블록 플레이트부(3) 사이를 통과하는 과정에서 반응가스가 서로 혼합되어 파우더 형태의 입자가 생성되는 문제점이 있다. 이처럼 파우더 입자가 생성된 반응가스가 샤워 헤드부(4)를 통해 분사될 경우, 챔버 내부를 오염시켜 추후 공정을 진행하는데 차질을 빚게 된다. 뿐만 아니라 웨이퍼 표면에도 이러한 파우더 입자가 파티클 형태로 존재하여 박막의 품질(quality)이 저하되어 전체 수율을 저하시키는 원인이 되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 상기한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 개선된 화학기상증착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 박막 형성을 위해 공급되는 반응가스가 각기 다른 경로를 통해 주입되도록 하는 화학기상증착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 두 종류의 반응가스가 저온영역에서 혼합되어 파우더 형태의 입자가 생성되는 것을 억제하여 웨이퍼 및 챔버의 오염을 방지할 수 있는 화학기상증착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 웨이퍼 표면에 균일한 두께의 박막을 증착시킬 수 있는 화학기상증착 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 웨이퍼 표면에 박막을 형성하기 위한 제1차 반응 가스가 유입되어 이동하는 제1가스 인 포트부 및 제2차 반응 가스가 유입되어 이동하는 제2가스 인 포트부와, 상기 제1가스 인 포트부를 통해 유입된 반응가스가 분사되는 제1노즐홀 및 상기 제2가스 인 포트부를 통해 유입된 반응가스가 분사되는 제2노즐홀을 포함하는 개선된 샤워헤드 구조를 가지는 화학기상증착 장치를 제공한다.
도 1은 종래 방법에 따라 제작된 화학기상증착 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 화학기상증착 장치의 평면도이다.
도 3은 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 A-A`에 따른 단면도이다.
도 4는 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 B-B`에 따른 단면도이다.
도 5는 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 샤워헤드부의 확대 단면도이다.
도 6은 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 샤워헤드부의 확대 평면도이다.
도 7은 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 샤워헤드부의 확대 저면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:챔버부102:챔버 리드부
104:블록 플레이트부 106:히터부
108:샤워 헤드부110:제1가스 인 포트부
112:제2가스 인 포트부  114:제1노즐홀
116:제2노즐홀
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 제시된 도면들을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 화학기상증착 장치의 평면도를 나타낸다.
상기 본 발명에 따른 화학기상증착 장치는, 웨이퍼 상부에 박막을 증착시키기 위해 주입되는 반응가스가 이동하는 가스 인 포트가 종래의 단일 구조와는 달리 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)의 이중 구조로 형성되어 있음을 특징으로 한다. 즉, 상기 제1가스 인 포트부(110)를 통해서는 제1차 반응 가스가 주입되고, 상기 제2가스 인 포트부(112)를 통해서는 제2차 반응 가스가 주입된다. 상기 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)를 통해 주입된 제1차 반응가스 및 제2차 반응가스는 챔버 리드(102)등의 저온영역에서는 서로 혼합되지 않고 고온영역인 히터 상부에서 서로 다른 각각의 노즐홀(도시되지 않음)을 통해 이중 분사되어진다.
상기 종래의 문제점에서도 밝힌 바와 같이, 두 종류의 반응가스가 저온영역에서 혼합될 경우 가스의 특성에 따라 파우더 형태의 입자가 생성되는 문제점이 있는데, 본 발명에서는 두 종류의 반응가스가 저온영역에서는 각기 서로 다른 경로, 즉 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)를 통해 이동하도록 하고, 고온인 히터 상부에 이르러 서로 혼합되도록 함으로써, 파우더 형태의 입자 생성 원인이 원천적으로 봉쇄될 수 있는 것이다. 그 결과, 웨이퍼 표면에 균일한 두께의 박막을 증착시킬 수 있으며, 챔버의 오염 또한 방지할 수 있게 된다.
예컨대, 웨이퍼 표면에 질화막을 증착하고자 할 경우에 제1차 반응가스 및 제2차 반응가스로서는 디클로로실란(DCS:SiH2Cl2)와 질화수소(NH3) 가스가 이용될 수 있다. 그리고, 공정상의 실리콘 소오스(silicon source)가스로서는, HCD(hexachlorodisilane) 가스 또는 BTBAS(bis(tertiarybutylamino)silane) 가스가 이용될 수 있으며, 웨이퍼 표면에 산화막을 증착하고자 할 경우에는 공정 가스로서 TEOS 가스를 이용할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 상기 화학기상증착 장치를 이용하여 MO CVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정을 진행할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 상기 도 2에 도시된 화학기상증착 장치의 A-A` 및 B-B`에 따른 단면도로서, 본 발명에 따른 화학기상증착 장치의 개선된 샤워 헤드부(108)의 구조를 상세히 보여준다.
도면을 참조하면, 상기 본 발명에 따른 화학기상증착 장치는 챔버부(Chamber:100), 챔버 리드부(Chamber Lid:102), 블록 플레이트부(Block Plate:104), 웨이퍼가 로딩되는 히터부(Heater:106), 반응가스가 분사되는 샤워 헤드부(Shower Head:108) 및 상기 샤워 헤드부(108)로 반응가스를 공급하는 제1가스인 포트부(1st gas in port:110) 및 제2가스 인 포트부(1st gas in port:112)로 구성되어 있다.
본 발명에서는 웨이퍼 표면에 박막 형성을 위한 두 종류의 반응가스가 각기 다른 주입 경로인 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)를 통해 이동하도록 한다. 그리고, 상기 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)를 통해 주입된 반응가스는 샤워 헤드부(108)에 형성되어 있는 각각의 노즐홀(하기 도 5에 기재)을 통해 분사되어 고온영역인 히터(106) 상부에서 혼합된다. 이때, 상기 각각의 노즐홀은 각각 상기 제1가스 인 포트(110) 및 제2가스 인 포트(112)와 연결되어 있다.
이처럼, 본 발명에서는 박막 형성을 위한 두 종류의 반응가스가 각기 다른 이동경로를 통해 주입되도록 하고, 고온영역인 히터 상부에서 서로 혼합되도록 함으로써, 종래의 문제점, 즉 저온영역에서의 혼합으로 인한 파우더 형태 입자 생성을 최소화할 수 있게 된다.
도 5는 상기 도 2에 도시된 샤워 헤드부(108)의 확대 단면도이다. 도면을 참조하면, 상기 제1가스 인 포트부(110)와 연결되는 제1노즐홀(114) 및 상기 제2가스 인 포트부(112)와 연결되는 제2노즐홀(116)이 도시되어 있다. 상기 샤워 헤드부(108)는 웨이퍼 형태에 따라 둥근 원형으로 제작되므로, 상기 샤워 헤드부(108)에 형성된 상기 제1노즐홀(114) 및 제2노즐홀(116) 또한 규칙적인 간격을 두고 방사형으로 배열되어 있다. 이러한 제1노즐홀(114) 및 제2노즐홀(116)의 형태는 하기의 도 6 및 도 7을 통해 보다 상세히 설명되어진다.
도 6 및 도 7은 상기 도 5에 도시된 샤워 헤드부(108)의 평면도 및 저면도를 나타낸다.
먼저, 샤워 헤드부(108)의 상면도를 나타내는 도 6을 참조하면, 상기 제1가스 인 포트부(110)를 통해 주입되는 반응가스가 분사되는 제1노즐홀(114)의 배열구조가 도시되어 있다. 상기 제1노즐홀(114)은 일정 간격의 방사형 구조로 배열되어 있으며, 제1노즐홀(114)이 형성되지 않은 영역, 즉 참조부호 "A"로 나타낸 영역에는 제2노즐홀(116)이 위치한다(도시되지 않음).
한편, 상기 샤워 헤드부(108)의 하면도를 나타내는 도 7에는 제1노즐홀(114)과 제2노즐홀(116)의 배열구조가 도시되어 있다. 상기 제1노즐홀(114)과 제2노즐홀(116)은 방사형의 규칙적인 간격을 가지며 교대로 형성되어 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 박막을 형성하기 위한 두 종류의 반응가스를 제1가스 인 포트부(110) 및 제2가스 인 포트부(112)를 통해 서로 분리하여 주입시키고, 주입된 반응가스는 샤워 헤드부(108)에 형성된 각각의 제1노즐홀(114) 및 제2노즐홀(116)을 통해 분사되도록 한다. 이처럼, 두 종류의 반응가스가 저온영역에서 서로 혼합되지 않도록 각기 다른 주입 경로를 통해 주입하고, 고온영역인 히터 상부에 이르러 서로 혼합되도록 함으로써, 파우더 형태의 입자 생성을 억제한다. 파우더 형태의 입자 생성이 억제됨으로 인해 종래에 비해 보다 균일한 두께의 박막을 웨이퍼 표면에 증착시킬 수 있으며, 챔버 내부의 오염 또한 최소화시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 화학기상증착 장치를 설명하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 웨이퍼 표면에 박막을 증착시키기 위한 화학기상증착 장치를 구현함에 있어서, 서로 다른 종류의 반응가스가 각각 다른 경로를 통해 유입되도록 하는 제1가스 인 포트부 및 제2가스 인 포트부를 형성하고, 상기 각각의 가스 인 포트부와 연결된 각각의 노즐홀을 통해 히터 상부에 분사되도록 한다. 그 결과, 챔버 리드부와 같은 저온영역이 아닌 고온영역인 히터 상부에서 반응가스가 혼합되어 파우더 형태의 입자 생성이 억제되므로, 박막의 두께 균일도가 보다 향상됨은 물론, 챔버의 오염 또한 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 웨이퍼 표면에 박막을 형성하기 위해 외부로부터 유입된 반응 가스가 분사되는 샤워 헤드부, 웨이퍼가 안착되는 히터부, 상기 히터부를 지지하는 히터 지지부 및 박막 형성후 잔류 반응 가스가 배출되는 진공 포터부가 공정챔버 내부에 형성되어 있는 화학기상증착 장치에 있어서:
    상기 샤워 헤드부는, 웨이퍼 표면에 박막을 형성하기 위한 제1차 반응 가스가 유입되어 이동하는 제1가스 인 포트부 및 제2차 반응 가스가 유입되어 이동하는 제2가스 인 포트부와;
    상기 제1가스 인 포트부 및 제2가스 인 포트부를 통해 유입된 반응 가스가 분사되는 영역으로서, 상기 제1가스 인 포트부와 연결된 제1노즐홀 및 상기 제2가스 인 포트부와 연결된 제2노즐홀을 포함하는 이중 분사구조를 가짐을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1노즐홀과 제2노즐홀은 규칙적인 간격의 방사형태를 가지며 교대로 형성되어 있음을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1노즐홀과 제2노즐홀은 히터 상부에 근접하도록 형성하여, 상기 제1노즐홀과 제2노즐홀을 통해 분사된 제1차 반응 가스와 제2차 반응 가스가 고온의 히터 상부에서 서로 혼합되도록 함을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼 표면에 질화막을 증착하고자 할 경우에 제1차 반응가스 및 제2차 반응가스로서 DCS(SiH2Cl2)와 NH3가스를 이용함을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼 표면에 박막을 증착시키기 위한 실리콘 소오스 가스로서, HCD(hexachlorodisilane) 가스 또는 BTBAS(bis(tertiarybutylamino)silane) 가스를 이용함을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼 표면에 산화막을 증착하고자 할 경우에 반응 가스로서 TEOS 가스를 이용함을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 이중 분사구조의 샤워 헤드부를 이용하여 MO CVD 공정을 진행함을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  8. 웨이퍼 표면에 박막을 증착시키는데 사용되는 화학기상증착 장치의 샤워헤드 구조에 있어서:
    제1차 반응 가스의 이동경로인 제1가스 인 포트부;
    상기 제1가스 인 포트부와 분리되어 있으며, 제2차 반응 가스의 이동경로인 제2가스 인 포트부;
    상기 제1가스 인 포트부를 통해 유입된 제1치 반응가스가 분사되는 규칙적인 배열 형태의 제1노즐홀;
    상기 제1노즐홀과 일정 간격을 두고 교대로 배열되어 있으며, 상기 제2가스 인 포트부를 통해 유입된 제2차 반응가스가 분사되는 제2노즐홀을 포함함을 특징으로 하는 화학기상증착 장치의 샤워헤드 구조.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제1노즐홀 및 제2노즐홀은 원형의 샤워 헤드부 구조에 따라 방사형태로 배열됨을 특징으로 하는 화학기상증착 장치의 샤워헤드 구조.
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