KR20060123906A - 하면이 웨이퍼에 대하여 경사진 샤워헤드를 갖는화학기상증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼에 박막을 형성하는 화학기상증착 장치에 관한 것이다. 종래에는 공정가스가 배기되는 펌핑포트(pumping port)로부터 먼 웨이퍼 부분과 가까운 웨이퍼 부분의 배기되는 공정가스 유속 차이로 인하여 증착률 차이가 발생되어 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께 균일도(uniformity)가 저하되는 문제점이 있었다. 본 발명의 화학기상증착 장치는 히터블록(heater block)에 탑재되는 각각의 웨이퍼와 그에 대응되는 샤워헤드의 간격을 펌핑포트에 가까울수록 크게 형성함으로써 펌핑포트와의 거리에 따른 유속 차이가 보상되어 박막의 두께 균일도가 향상되는 효과가 있다.
화학기상증착장치(CVD), 샤워헤드(shower head), 히터블록(Heater Block), 백킹플레이트(backing plate), 균일도

Description

하면이 웨이퍼에 대하여 경사진 샤워헤드를 갖는 화학기상증착 장치{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION EQUIPMENT HAVING SHOWER HEAD OF WHICH BOTTOM SIDE IS SLANTED TO WAFER}
도 1은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예에서 공정가스의 흐름을 나타낸 동작상태도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예에 대한 박막 증착률에 관한 시뮬레이션 결과도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착 장치에서 공정가스의 흐름을 나타낸 동작상태도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학기상증착 장치의 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
10; 웨이퍼 100; 화학기상증착 장치
110; 공정챔버 120; 히터블록
130; 펌핑포트 140,141; 백킹플레이트
150,151; 샤워헤드 150; 가스라인
170,270; 전극
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정가스를 웨이퍼에 분사하여 박막을 증착시키는 샤워헤드(shower head)를 갖는 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 장치에 관한 것이다.
화학기상증착 공정은 반응성이 강한 공정가스를 공정챔버 안에 주입하고 이를 빛, 열, 플라즈마, 마이크로웨이브, X-RAY, 전기장 등을 이용하여 공정가스를 활성화시켜 웨이퍼 위에 양질의 박막을 형성하는 공정이다. 예를 들어, 공정가스로서 사일렌(SiH4), 암모니아(NH3) 및 일산화질소(N2O)를 공정챔버 내에 공급하여 웨이퍼 상에 실리콘산화질화막(SiON)을 증착할 수 있다.
화학기상증착 공정을 수행하는 장치로서 동일한 공정챔버 내에 복수 매의 웨이퍼에 대한 박막 증착이 이루어지는 화학기상증착 장치가 알려져 있다. 이 화학기상증착 장치는 복수 매의 웨이퍼가 공정가스의 배기를 위한 펌핑포트(pumping port)의 주변에 배치되도록 구성된 히터블록(heater block)과 그 웨이퍼에 대응되는 복수의 샤워헤드를 구비한다. 이하에서 종래의 화학기상증착 장치의 예를 소개 하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 1에 예시된 종래의 화학기상증착 장치(200)는 피이씨비디(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치의 예로서, 2매의 웨이퍼(10)가 펌핑포트(230)를 중심으로 양쪽에 탑재되는 히터블록(220)("서셉터"라고도 함)과 각각의 웨이퍼(10)에 대응하여 히터블록(220) 상부의 웨이퍼(10)로부터 일정 간격 d만큼 이격되어 공정가스를 분사하는 2개의 샤워헤드(shower head; 250)를 포함한다.
샤워헤드(250)가 장착되는 백킹플레이트(backing plate; 240)에 가스라인(260)으로부터 공정가스가 공급되고, 그 공정가스가 샤워헤드(250)를 거쳐 웨이퍼 표면을 향하여 분사된다. 공정챔버(210) 내에서 공정가스는 펌핑포트(230)를 거쳐 배출된다.
도 2는 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예에서 공정가스의 흐름을 나타낸 동작상태도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치의 일 예에 대한 박막 증착률에 관한 시뮬레이션 결과도이다.
도 2를 참조하면, 전술한 바와 같은 종래의 화학기상증착 장치(200)는, 펌핑포트(230)에 가까운 부분에 비하여 먼 부분에서의 공정가스 배기가 늦다. 더욱이, 펌핑포트(230)와 먼 부분의 공정가스가 B와 같이 펌핑포트 방향으로 흐를 때 A와 같이 샤워헤드(250)에서 수직으로 분사되는 공정가스에 의해 공정가스 흐름이 방해를 받게 되어 공정가스의 배기는 더욱 늦어진다. 이에 따라 펌핑포트(230)와 먼 웨이퍼 가장자리 부분에서 웨이퍼(10)와 접촉되는 공정가스의 양이 다른 부분에 비해 늘어나게 된다. 결국, 펌핑포트(260)로부터 먼 웨이퍼 가장자리 부분이 펌핑포트(260)에 가까운 웨이퍼 부분보다 상대적으로 더 많은 증착이 이루어지게 되어, 박막(13)의 두께 균일도가 좋지 않게 나타난다. 웨이퍼(10)와 샤워헤드(250)의 간격이 일정하다는 조건 하에 실시한 시뮬레이션 결과에 의하면, 도 3에서 나타난 바와 같이, 왼쪽 웨이퍼와 오른쪽 웨이퍼 모두 펌핑포트로부터 가까운 부분의 박막 두께가 얇게 형성되고 펌핑포트로부터 먼 부분의 박막 두께가 두껍게 나타나는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 공정가스의 배기속도를 고려하여 샤워헤드와 웨이퍼 사이의 간격을 조절함으로써 웨이퍼 상에 균일한 박막을 형성할 수 있는 화학기상증착 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공정가스를 배기시키는 펌핑포트를 중심으로 그 주변에 복수의 웨이퍼가 탑재되는 히터블록; 그 히터블록에 탑재된 웨이퍼 각각에 대응되게 히터블록의 상부에 설치되는 복수의 백킹플레이트; 백킹플레이트에 공정가스를 공급하는 가스라인; 각각의 백킹플레이트 하면에 설치되어 가스라인으로부터 공급되는 공정가스를 웨이퍼에 분사하는 샤워헤드;를 포함하며, 히터블록에 탑재되는 각각의 웨이퍼와 그에 대응되는 샤워헤드의 간격이 펌핑포트와 가까울수록 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화학기상증착 장치에 있어서, 백킹플레이트가 히터블록에 탑 재되는 웨이퍼에 대하여 경사진 하면을 갖도록 하거나, 샤워헤드가 히터블록에 탑재되는 웨이퍼에 대하여 경사진 하면을 가지며 샤워헤드의 하면에 수직하게 공정가스를 분사하는 것일 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 화학기상증착 장치를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명에 다른 화학기상증착 장치(100)는 2매의 웨이퍼(10)가 탑재되는 히터블록(120)을 포함한다. 히터블록(120)은 웨이퍼(10) 상에서의 막질 형성 반응을 촉진시키기 위하여 웨이퍼(10)에 열을 전달하는 기능을 포함한다. 웨이퍼들(10)은 공정가스를 배기시키는 펌핑포트(130)를 중심으로 양쪽에 위치하며 서로 대칭을 이룬다.
히터블록(120)의 상부에는 각각의 웨이퍼(10)에 대응되는 복수의 백킹플레이트(140)가 설치되어 있다. 각각의 백킹플레이트(140)는 히터블록(120)에 대하여 경사진 하면을 갖는다. 백킹플레이트 하면은 펌핑포트(130)에 가까운 부분이 먼 부분보다 웨이퍼로부터 높은 위치에 있다. 즉, 펌핑포트(130)에 가까운 위치에서 백킹플레이트(140)와 히터블록(120) 사이의 간격이 먼 부분의 간격보다 크다.
백킹플레이트(140)의 하면에 설치되는 샤워헤드(150)는 히터블록(120)에 탑재되는 웨이퍼(10)에 공정가스를 분사하는 기능을 한다. 각각의 샤워헤드(150)는 일정 두께를 가지고 있으며 경사진 백킹플레이트(140) 하면에 결합된다. 따라서 샤 워헤드(150)의 하면은 웨이퍼(10)에 대하여 경사지게 된다. 펌핑포트(130)에 가까운 부분의 웨이퍼(10)와 샤워헤드(150) 간격 d2가 펌핑포트(130)에 먼 부분의 간격 d1보다 크게 형성된다.
베르누이의 정리(Bernoulli's theorem)에 따르면 유체가 좁은 통로를 흐를 때 속력이 증가하고 넓은 통로를 흐를 때 속력이 감소된다. 펌핑포트(130)에서의 거리가 멀어 공정가스의 유속이 느린 부분은 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 간격을 작게 하여 느려진 공정가스의 유속만큼 빨라지도록 한다. 그리고, 펌핑포트(130)에 가까워 공정가스의 유속이 빠른 부분은 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 사이의 간격을 크게 하여 빨라진 공정가스 유속만큼 느려질 수 있도록 한다. 이와 같이 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 간격을 다르게 구성함으로써 웨이퍼(10)상에 균일한 박막 증착이 가능하게 된다.
펌핑포트(130)에서의 거리별 웨이퍼(10)와 샤워헤드(150) 간격은 공정가스의 유속을 고려하여 결정된다. 공정가스의 유속에 따른 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 사이의 간격은 백킹플레이트(140) 하면의 경사도에 따라 조절될 수 있다. 하면의 경사도를 달리하는 여러 개의 백킹플레이트(140)를 준비하고 공정가스의 유속 상태에 적합한 경사도를 갖는 것을 채택함으로써 웨이퍼(10)와 샤워헤드(150)의 간격이 적절하게 조절될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착 장치에서 공정가스 흐름을 나타낸 동작 상태도이다.
도 5를 참조하여 동작을 설명하면, 가스라인(160)을 통하여 공정가스가 공급된다. 공정가스는 기울어진 샤워헤드(150)를 통하여 웨이퍼(10)에 대해 비스듬히 분사된다. 이때, 공정챔버(110) 외부의 고주파 전력 발생기(도시안됨)에서 전극(170)으로 고주파 전력이 공급되어 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10)의 사이에 플라즈마가 생성된다.
공정가스가 샤워헤드(150)에서 분사되어 플라즈마를 통과하면서 이온과 라디칼(radical)이 형성되고, 그 라디칼이 웨이퍼(10)의 표면에 증착된다. 웨이퍼 표면에 붙은 원자가 화학적, 물리적 반응들로 인해 재분포됨으로써 실리콘산화질화막이 형성된다.
라디칼이 웨이퍼(10)에 증착되는 과정에서 공정가스의 유속이 느려 증착이 많이 이루어지는 펌핑포트(130)로부터 먼 부분이 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 사이의 간격이 작게 형성됨으로써 느려진 만큼의 유속이 빨라진다. 그리고 공정가스의 유속이 빨라 증착이 얇게 이루어지는 펌핑포트(130)에 가까운 부분이 샤워헤드(150)와 웨이퍼(10) 사이의 간격이 크게 형성됨으로써 빨라진 만큼의 유속이 느려진다. 따라서, 펌핑포트(130)로부터 먼 부분의 유속 V1과 펌핑포트(130)로부터 가까운 부분의 유속 V2를 비롯해서 웨이퍼(10)에 대한 공정가스의 유속이 펌핑포트(130)로부터의 거리에 관계없이 균일하게 된다. 따라서, 웨이퍼(10)상에 두께 균일도가 높은 양질의 박막(11) 형성이 이루어질 수 있다. 더욱이, 샤워헤드(150)에서 분사된 공정가스는 웨이퍼(10)에 대하여 펌핑포트(130) 방향으로 비스듬히 분사됨으로 써 공정가스가 펌핑포트(130)로 원활히 배출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 본 발명에 따른 화학기상증착 장치(101)는, 전술한 실시예와 달리, 백킹플레이트(141)가 아닌 샤워헤드(151)가 웨이퍼(10)에 대해 경사지게 분사하는 형태의 구조를 갖는 예이다. 샤워헤드(151)의 하면이 경사지게 형성되고, 샤워헤드(151)의 하면에 수직인 방향으로 분사구멍(155)이 형성된다. 이에 따라, 펌핑포트(130)에 가까운 부분의 갭(gap) 간격이 먼 부분보다 크게 형성되고, 웨이퍼(10)에 비스듬히 공정가스가 분사되어 상술한 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 샤워헤드(151)에 형성된 분사구멍(155)이 웨이퍼(10)에 대하여 수직이 되도록 하는 것도 가능하나 그 효과가 저감될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 화학기상증착 장치는 전술한 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 중심사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 예를 들어, 전술한 본 발명에 따른 화학기상증착 장치의 실시예들에서는 히터블록에 탑재되는 웨이퍼의 수가 2개인 예를 설명하였지만 이에 한정되지 않고 2개 이상의 웨이퍼에 대한 증착이 이루어지도록 하는 구조를 가질 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 화학기상증착 장치의 구조에 의하면, 샤워헤드와 웨이퍼의 간격이 펌핑포트로 갈수록 크게 형성되기 때문에, 펌핑포트로부터 가까운 부분에서 공정가스의 유속이 빨라지는 것이 보상되고 펌핑포트로부터 먼 부분 에서 공정가스의 유속이 느려지는 것이 보상된다. 그리고 웨이퍼에 분사되는 공정가스가 펌핑포트가 있는 방향으로 비스듬히 분사되기 때문에 히터블록 외측 방향으로의 흐름이 억제되고 공정가스가 펌핑포트 방향의 흐름이 향상된다. 따라서, 펌핑포트와의 거리에 무관하게 공정가스의 유속이 균일하게 되고 웨이퍼에 대한 박막 증착속도가 일정하게 유지되어 박막의 두께 균일도가 향상될 수 있다.

Claims (3)

  1. 공정가스를 배기시키는 펌핑포트를 중심으로 그 주변에 복수의 웨이퍼가 탑재되는 히터블록(heater block);
    상기 히터블록에 탑재된 웨이퍼 각각에 대응되게 상기 히터블록의 상부에 설치되는 복수의 백킹플레이트(backing plate);
    상기 백킹플레이트에 공정가스를 공급하는 가스라인(gas line); 및
    각각의 상기 백킹플레이트 하면에 설치되어 상기 가스라인으로부터 공급되는 공정가스를 웨이퍼에 분사하는 샤워헤드(shower head); 를 포함하며,
    상기 히터블록에 탑재되는 각각의 웨이퍼와 그에 대응되는 상기 샤워헤드의 간격이, 상기 펌핑포트와 가까울수록 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 하면이 웨이퍼에 대하여 경사진 샤워헤드를 갖는 화학기상증착 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 백킹플레이트가 상기 히터블록에 탑재되는 상기 웨이퍼에 대하여 경사진 하면을 갖는 것을 특징으로 하는 하면이 웨이퍼에 대하여 경사진 샤워헤드를 갖는 화학기상증착 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 샤워헤드가 상기 히터블록에 탑재되는 상기 웨이퍼에 대하여 경사진 하면을 가지며, 상기 샤워헤드의 하면에 수직하게 공정가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 하면이 웨이퍼에 대하여 경사진 샤워헤드를 갖는 화학기 상증착 장치.
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