KR20060012703A - 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열산화막 증착장치 및 그 증착방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응 가스가 유입되는 가스인렛라인부와, 유입된 반응가스가 분사되는 샤워헤드부와, 웨이퍼가 안착되는 히터부와, 히터를 지지하는 히터지지부 및 반응 가스가 배출되는 백큠포트부가 구비된 챔버를 갖는 싱글 챔버식 열 산화막 증착장치에 있어서, 가스인렛라인부와 연결되어 챔버 내부로 TEOS 가스를 공급하도록 된 TEOS 가스저장부와, TEOS 가스저장부에 저장된 TEOS 가스를 필요에 따라 일정량 공급하도록 제어함과 동시에 일정 온도를 유지할 수 있도록 제어하는 제어부와, TEOS 가스저장부로부터 공급되는 TEOS 가스를 일정온도이상으로 기화시키는 기화장치부와, 기화된 TEOS 가스와 동시에 챔버 내로 공급되도록 기화장치부 아울렛 부분에 연결되어 불활성 가스를 공급하는 캐리어 가스저장부 및 2종 반응가스인 02 가스를 공급하도록 챔버의 인렛 부분에 연결된 O2 가스 저장부를 구비시켜서 되는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장치 및 그 증착방법에 관한 것이다.
Description
도 1은 본 발명이 적용될 챔버의 구조를 개략적으로 보인 개략도,
도 2는 본 발명의 장치적 구성을 보인 장치 구성도,
도 3은 본 발명의 TEOS 가스 유량 변화에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 챔버 내 압력변화에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 공정온도 변화별 산화막 증착 속도를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 액상의 TEOS 가스를 기화기에서 기상의 형태로 변경하면서 케리어 가스로 사용하는 Helium 의 가스량 변화별 증착속도를 나타낸 그래프,
도 7 은 본 발명의 Spacing 변화별 산화막 증착속도를 나타낸 그래프이다.
*도면의주요부분에대한부호설명*
1 : 챔버 2 : 가스인렛부
3 : 샤워헤드부 4 : 히터부
5 : 웨이퍼 6 : 히터지지부
7 : 백큠포트부 100 : 열 산화막 증착장치
110 : TEOS 가스저장부 120 : 제어부
130 : 기화장치부 140 : 캐리어 가스저장부
150 : 제 2종 반응 가스저장부
본 발명은 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장치 및 그 증착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단차가 형성된 상태에서 패턴 영역별 균일한 두께가 요구되는 산화막 증착 공정에서 TEOS 가스를 이용한 열 산화막 공정의 제조장치 및 증착 조건을 제시함으로써, 디바이스의 고집적화 및 메탈 배선 막 사용이 요구되는 공정에서 패턴 영역별 침적두께가 일정하게 이루어지도록 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장치 및 그 증착방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 반도체 기판 상부에 소자분리막, 층간절연막, 도전막, 콘택등의 패턴 영역을 형성함으로써 완성된다.
상기 소자분리막은 실리콘 부분 산화법(LOCOS) 또는 트렌치(trench) 소자분리법, 스페이서를 이용한 이온 임플란타 마스크 등을 통해 산화막으로 형성되며, 상기 층간절연막은 PSG(Phosphorus Silicon Glass), BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass), USG(Undoped Silicon Glass)등의 실리콘 산화막 또는 질화막(SixNy)으로 형성된다. 그리고, 상기 도전막 및 콘택은 전도성을 띠는 다결정 실리콘, 실리사이드 또는 금속물질로 형성된다.
상기에 언급한 산화막 형성을 위하여 산화막 형성시 가중 중요한 요소로 반응 소스가스의 선정 및 장비타입에 있다. 종형로 형식으로 산화막 형성방법이 일반적으로 사용하는 형태이지만 높은 공정온도와 공정시간이 요구되며 과도한 열 노출로 인하여 하부에 형성된 메탈배선의 변형에 의한
전기적 특성저하 및 주입된 불순물의 재 확산 등의 소자적인 문제와 대용량 웨이퍼 공정진행에 의하여 동일 웨이퍼 영역내부 혹은 웨이퍼 간의 가스 분압차이에 의한 열 산화막의 두께 불균일이 발생하여 트렌지스터 공정의 스페이서 공정에 적용시 문턱전압차이를 유발하여 소자의 전기적 특성저하의 요인으로 작용한다.
특히, 반응 소스 가스로 실렌(SiH4) 혹은 다이클로로 실렌(SiH2Cl2) 가스와 N20 가스를 이용하여 열 산화막 형성 시, 높은 열공정이 요구되며 특히 실렌공정의 경우 패턴표면적 영향에 따라 침적 두께가 상이해지는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서 적용하게 될 TEOS 가스를 이용한 열산화막 증착방법은 종형로에서 사용하기는 하나, 대용량 웨이퍼 공정 진행에 의한 산화막 형성의 소스 가스농도 불균일화로 인하여 웨이퍼 영역 및 웨이퍼간의 산화막 두께 불균일로 인한 공정 재현성 문제가 대두되고 있으며 고집적화가 진행될수록 취약성은 증가된다.
TEOS 가스를 이용한 Plasma Enhanced CVD type 의 경우 전극배선 간의 절연막으로 사용이 일반화되어 있으며, 플라즈마 공정의 경우 일정한 FR Power Density 와 300~500 ℃의 저온 공정으로 침적이 가능하지만 단차가 형성된 상태에서 패턴 영역별 균일한 두께가 요구되는 산화막 증착 공정에서는 패턴 영향성에 의존한 증 착 특성(로딩 이팩트,스텝 커버리지) 효율이 저하되어 사용이 불가능한 공정 조건이다.
또한 TEOS 가스와 오존 가스를 이용한 저온 열 산화막 공정도 일반적으로 사용하는 공정이며 공정온도는 300~500℃ 의 공정조건이며 상기 언급한 Plasma Enhanced CVD type 과 동일하게 증착막의 특성은 단차가 형성된 상태에서 패턴 영역벌 균일한 두께가 요구되는 산화막 증착 공정에는 증착 특성(로딩 이팩트,스텝 커버리지) 효율이 저하되어 사용이 불가능한 공정 조건이다.
본 발명에서는 상기와 같이, 반도체 소자 분리공정에서 TEOS 가스를 이용하여 싱글 쳄퍼식 제조장치를 이용하여 반도체 기판상에 열 산화막을 증착하는 기술을 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 고려하여 안출한 본 발명은 단차가 형성된 상태에서 패턴 영역별 균일한 두께가 요구되는 산화막 증착 공정에서는 패턴 영향성에 의존한 증착 조건(로딩 이팩트, 스텝 커버리지) 효율이 요구되는 공정에서TEOS(tetraethylorthosilane) 가스를 이용한 이용한 열 산화막 공정의 제조장치 및 증착 조건을 제시함으로써, 디바이스의 고집적화 및 메탈 배선 막 사용이 요구되는 공정에서 패턴 영역별 침적두께가 일정하게 이루어지도록 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장치 및 그 증착방법을 제공함을 기술적 과제로 삼는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 장치적으로, 반응 가스가 유입되는 가 스인렛라인부와, 유입된 반응가스가 분사되는 샤워헤드부와, 웨이퍼가 안착되는 히터부와, 히터를 지지하는 히터지지부 및 반응 가스가 배출되는 백큠포트부가 구비된 챔버를 갖는 싱글 챔버식 열 산화막 증착장치에 있어서, 가스인렛라인부와 연결되어 챔버 내부로 TEOS 가스를 공급하도록 된 TEOS 가스저장부와, TEOS 가스저장부에 저장된 TEOS 가스를 필요에 따라 일정량 공급하도록 제어함과 동시에 일정 온도를 유지할 수 있도록 제어하는 제어부와, TEOS 가스저장부로부터 공급되는 TEOS 가스를 일정온도이상으로 기화시키는 기화장치부와, 기화된 TEOS 가스와 동시에 챔버 내로 공급되도록 기화장치부 아울렛 부분에 연결되어 불활성 가스를 공급하는 캐리어 가스저장부 및 2종 반응가스인 02 가스를 공급하도록 챔버의 인렛 부분에 연결된 O2 가스 저장부를 구비시켜서 됨을 특징으로 한다.
본 발명의 설명에 참고가 되는 첨부 도면 도 1은 본 발명이 적용될 챔버의 구조를 개략적으로 보인 개략도이고, 도 2는 본 발명의 장치적 구성을 보인 장치 구성도이고, 도 3은 본 발명의 TEOS 가스 유량 변화에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 챔버 내 압력변화에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 공정온도 변화별 산화막 증착 속도를 나타낸 그래프로서, 이중 도면 부호 100은 본 발명인 열 산화막 증착장치를 나타낸 것이다.
본 발명은 장치적으로 첨부 도면 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 반응 가스가 유입되는 가스인렛라인부(2)와, 유입된 반응가스가 분사되는 샤워헤드부(3)와, 웨이퍼(5)가 안착되는 히터부(4)와, 히터부(4)를 지지하는 히터지지부(6) 및 반응 가스가 배출되는 백큠포트부(7)가 구비된 챔버(1)를 갖는 싱글 챔버식 열 산화막 증착장치에 있어서, 가스인렛라인부(2)와 연결되어 챔버(1) 내부로 TEOS 가스를 공급하도록 된 TEOS 가스저장부(110)와, TEOS 가스저장부(110)에 저장된 TEOS 가스를 필요에 따라 일정량 공급하도록 제어함과 동시에 일정 온도를 유지할 수 있도록 제어하는 제어부(120)와, TEOS 가스저장부(110)로부터 공급되는 TEOS 가스를 일정 온도 이상으로 기화시키는 기화장치부(130)와, 기화된 TEOS 가스와 동시에 챔버(1) 내로 공급되도록 기화장치부(130) 아울렛 부분에 연결되어 불활성 가스를 공급하는 캐리어 가스저장부(140) 및 2종 반응가스인 02 가스를 공급하도록 챔버(1)의 인렛 부분에 연결된 제 2종 반응 가스저장부(150)를 구비시켜서 된 것이다.
상기, 각 가스저장부는 제어부(120)의 제어에 의해 작동하는 밸브가 구비된 탱크이다.
그리고, 제어부(120)는 가스의 공급 시간과 공급량 및 각 가스의 온도를 설정하는 제어패널과, 제어패널의 조작에 의해 논리적 내지는 회로적으로 구성된 제어장치에 의해 설정값에 따라 장치의 동작을 제어하도록 구성된 것이다.
그리고, 기화장치부(130)는 액체 상태로 공급되는 물질을 일정온도로 기화시키도록 된 장치이다.
그리고, 캐리어 가스저장부(140)에 저장되는 불활성 가스인 헬륨(He) 또는 나이트로젠(N) 또는 아르곤(Ar) 등의 가스를 공급하도록 된 것으로, 기화장치부(130)에서 기화된 가스를 일정한 양으로 공급하기 위하여 기화된 가스의 분압 조건을 결정하게 된다.
또한, 제 2종 반응 가스저장부(150)에 저장되는 O2 가스는 유기 화합물인 TEOS 가스의 부산물인 탄소와 반응을 하여 CO2 형태로 결합하여 전기적 특성저하 및 Film 스트레스의 증가요인인 탄소오염을 방지하게 된다.
이와 같이 장치적으로 구성된 본 발명은 TEOS 가스를 이용하여 열 산화막 형성 시, 반응속도 및 증착 특성(로딩이펙트, 스텝케버리지)은 1종 반응 가스인 TEOS 가스의 유량 및 불활성 케리어 가스의 유량, 공정온도, 공정압력에 의하여 결정되는 것으로, 본 발명은 상기와 같은 조건 중 적절한 공정조건을 선정하여 본 발명을 실현하고자 하며, 이는 다음과 같다.
본 발명은 싱글 챔버 내로 공급되는 1종 반응 가스의 유량 및 불활성 케리어 가스의 유량, 공정온도, 공정압력을 설정하여 웨이퍼상에 열 산화막을 증착하는 공정에 있어서, 산화막 형성을 위한 1종 반응가스로는 TEOS 가스를 이용하고, 기화된 가스를 일정한 양으로 공급하기 위하여 기화된 가스의 분압 조건을 결정하는 캐리어 가스로는 헬륨(He) 가스를 이용하며, TEOS 가스의 부산물인 탄소와 반응하여 CO2 형태로 결합함으로써 전기적 특성저하 및 필름(Film) 스트레스의 증가요인인 탄소오염을 방지하는 제 2종 반응가스로는 O2 가스를 이용하여 각 가스를 챔버(1) 내로 분사 공급하여 열분해에 의해 열 산화막을 형성하도록 한다.
상기, TEOS 가스의 사용유량은 액상의 상태에서 100 mgram ~ 10000 mgram, 기상의 상태에서는 10SCCM ~ 1000 SCCM을 사용한다.
그리고, 케리어 가스인 헬륨(He) 가스의 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용한다.
그리고, 제 2종 반응가스인 O2 가스의 사용유량은 0 SCCM~500 SCCM을 사용한다.
또한, 공정온도 즉, 챔버(1) 내의 열분해 온도는 600℃~750℃로 하고, 공정압력 즉, 챔버(1) 내의 압력은 5 Torr ~ 200 Torr 내로 한다.
그밖에도, 샤워헤드부(3)와 웨이퍼(5)간의 거리는 10?30 mm를 유지한다.
상기와 같은 조건으로 챔버(1) 내부의 히터 온도와 샤워헤드와 웨이퍼 사이의 거리, 반응가스의 제공 압력과 반응 챔버 내의 압력이 설정되면, 반응 가스의 유량 및 유량비에 의해 로딩 효과, 스텝 커버리지, 산화막 증착속도 특성 등이 개선된다.
본 발명에서는 캐리어 가스를 일 실시예로 헬륨(He)을 적용하였으나, 다른 실시예로서, 나이트로젠(N)을 이용할 수도 있으며, 그 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용하며, 그밖에도, 아르곤(Ar) 가스를 이용하되, 그 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용한다.
끝으로, 본 발명의 주어지는 조건 변화에 따라 반응하는 상태를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적인 화학 기상 증착의 경우 반응 소스가스의 분압이 증가하면 박막 증착 속도는 증가하며, 증가의 정도는 반응을 결정하는 타 조건을 고정한 상태에서 평가한 결과이다.
먼저, 도 3은 TEOS 가스 유량 변화에 따른 증착 속도를 평가한 것으로, 산화막을 형성하는데 필요한 가스로서 TEOS 가스 유량이 증가하면 박막 증착 속도가 증 가하며 증가 경향은 그래프에 나타난 바와 같이, 선형비율로 증가를 한다.
또한, 도 4는 반응 소스가스의 사용량은 동일한 조건으로 하여 챔버 압력변화에 따른 증착 속도를 평가한 것으로, 공정 압력이 증가할수록 증착 속도는 증가하는데 다만, 증착 압력이 증가하면 압력 증가에 따른 부산물 형성에 의한 파티클 억제 방법이 중요한 문제로 대두되며 적절한 압력설정이 필요하다.
또한, 도 5는 공정온도 변화별 산화막 증착 속도를 평가한 것으로, 공정 온도 증가 시 산화막 증착속도는 증가경향이 있으며 증착막의 물성특성을 결정하는 주요 공정인자이다.
또한, 도 6은 액상의 TEOS 가스를 기화기에서 기상의 형태로 변경하면서 케리어 가스로 사용하는 Helium 의 가스량 변화별 증착속도를 평가한 것으로, 액상의 가스에서 기상의 상태로 변환된 TEOS 가스는 케리어 가스와 함께 반응 챔버로 유입이 되며 케리어 가스의 농도가 증가 시 산화막 증착속도는 감소한다.
다만, 케리어 가스는 일정량 이상이 요구되며 사용하는 TEOS 가스의 유량을 고려하여 설정된다.
끝으로, 도 7 은 싱글 챔버 방식의 CVD 증착 방식에 있어서, 웨이퍼(5)와 샤워헤드부(3)와의 이격 거리(Spacing)변화별 조건으로 증착 속도를 평가한 것으로, 웨이퍼(5)와 샤워헤드부(3)간의 이격 거리가 증가하면 할수록 증착 속도가 증가하는 특성을 나타낸 것이며, 이는 샤워헤드부(3)와 웨이퍼(5) 사이의 공간이 확보되면 될수록 반응가스의 분포도가 높기 때문이다.
이와 같이 되는 본 발명은 단차가 형성된 상태에서 패턴 영역별 균일한 두께가 요구되는 산화막 증착 공정에서는 패턴 영향성에 의존한 증착 방업을 산화막 공정을 싱글 챔버식 화학 기상 증착 장치에 적용하여 TEOS 가스를 이용한 열 산화막 공정의 제조장치 및 증착 조건을 제시함으로써, 디바이스의 고집적화 및 메탈 배선 막 사용이 요구되는 공정에서 패턴 영역별 침적두께가 일정하게 이루어지도록 하는 효과를 얻는다.
Claims (12)
- 반응 가스가 유입되는 가스인렛라인부(2)와, 유입된 반응가스가 분사되는 샤워헤드부(3)와, 웨이퍼(5)가 안착되는 히터부(4)와, 히터부(4)를 지지하는 히터지지부(6) 및 반응 가스가 배출되는 백큠포트부(7)가 구비된 챔버(1)를 갖는 싱글 챔버식 열 산화막 증착장치에 있어서, 가스인렛라인부(2)와 연결되어 챔버(1) 내부로 TEOS 가스를 공급하도록 된 TEOS 가스저장부(110)와, TEOS 가스저장부(110)에 저장된 TEOS 가스를 필요에 따라 일정량 공급하도록 제어함과 동시에 일정 온도를 유지할 수 있도록 제어하는 제어부(120)와, TEOS 가스저장부(110)로부터 공급되는 TEOS 가스를 일정 온도 이상으로 기화시키는 기화장치부(130)와, 기화된 TEOS 가스와 동시에 챔버(1) 내로 공급되도록 기화장치부(130) 아울렛 부분에 연결되어 불활성 가스를 공급하는 캐리어 가스저장부(140) 및 2종 반응가스인 02 가스를 공급하도록 챔버(1)의 인렛 부분에 연결된 제 2종 반응 가스저장부(150)를 구비시켜서 됨을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장치.
- 제 1 항에 있어서, 제어부(120)는 가스의 공급 시간과 공급량 및 각 가스의 온도를 설정하는 제어패널과, 제어패널의 조작에 의해 논리적 내지는 회로적으로 구성된 제어장치에 의해 설정값에 따라 장치의 동작을 제어하도록 구성됨을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착장 치.
- 싱글 챔버 내로 공급되는 1종 반응 가스의 유량 및 불활성 케리어 가스의 유량, 공정온도, 공정압력을 설정하여 웨이퍼상에 열 산화막을 증착하는 공정에 있어서, 산화막 형성을 위한 1종 반응가스로는 TEOS 가스를 이용하고, 기화된 가스를 일정한 양으로 공급하기 위하여 기화된 가스의 분압 조건을 결정하는 캐리어 가스로는 헬륨(He) 가스를 이용하며, TEOS 가스의 부산물인 탄소와 반응하여 CO2 형태로 결합함으로써 전기적 특성저하 및 Film 스트레스의 증가요인인 탄소오염을 방지하는 제 2종 반응가스로는 O2 가스를 이용하여 각 가스를 챔버(1) 내로 분사 공급하여 열분해에 의해 열 산화막을 형성함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, TEOS 가스의 사용유량은 액상의 상태에서 100 mgram ~ 10000 mgram, 기상의 상태에서는 10 SCCM ~ 1000 SCCM을 사용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 케리어 가스인 헬륨(He) 가스의 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 캐리어 가스를 나이트로젠(N)을 이용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 6 항에 있어서, 나이트로젠(N)의 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 캐리어 가스를 아르곤(Ar)을 이용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 8 항에 있어서, 아르곤(Ar)의 사용유량은 100 SCCM~5000 SCCM을 사용함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 공정온도 즉, 챔버(1) 내의 열분해 온도는 600℃~750℃로 함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 공정압력 즉, 챔버(1) 내의 압력은 5 Torr ~ 200 Torr 내로 함을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
- 제 3 항에 있어서, 샤워헤드부(3)와 웨이퍼(5)간의 유격은 10~30 mm임을 특징으로 하는 반도체 기판상에 싱글 챔버식 화학 기상 증착를 이용한 열 산화막 증착방법.
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