KR20080070115A - 반도체 디바이스 제조설비의 정전척 - Google Patents

반도체 디바이스 제조설비의 정전척 Download PDF

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KR20080070115A
KR20080070115A KR1020070007731A KR20070007731A KR20080070115A KR 20080070115 A KR20080070115 A KR 20080070115A KR 1020070007731 A KR1020070007731 A KR 1020070007731A KR 20070007731 A KR20070007731 A KR 20070007731A KR 20080070115 A KR20080070115 A KR 20080070115A
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Abstract

본 발명은 반도체 디바이스 제조설비의 정전척에 관한 것이다. 본 발명에서는 웨이퍼가 안착되는 정전척을 구현함에 있어서, 상기 정전척의 가장자리에 형성되는 데포지션 링과 커버 링의 접촉 영역에 절연물질로 이루어진 절연부를 형성함을 특징으로 한다. 그 결과, 상기 데포지션 링에 도전물질이 증착되더라도 상기 절연부에 의해 커버 링과 도전물질이 서로 절연되어 정전척의 아킹 발생을 방지할 수 있게 되며, 그로 인해 정전척이 손상되거나 알루미늄성 파티클이 발생하는 종래의 문제점을 해소할 수 있게 된다.
Figure P1020070007731
정전척, 아킹, 커버 링, 데포지션 링

Description

반도체 디바이스 제조설비의 정전척{electro static chuck of semiconductor device manufacturing equipment}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전척이 적용될 수 있는 반도체 디바이스 제조장치를 나타낸다.
도 2는 상기 도 1에 도시되어 있는 참조부호 A 영역(정전척)에 대한 확대도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 프로세스 챔버 102: 상부전극
104: 샤워헤드 106: 버퍼공간
108: 가스분사홀 110: 공정가스 주입구
112: LFC 114: 공정가스 공급원
116: 하부전극 118: 정전척
120: 리프트 핀 122: 슬릿 도어 밸브
124: 배기라인 126: 터보 펌프
128: 데포지션 링 130: 커버 링
132: 절연부 134: 알루미늄
본 발명은 반도체 디바이스 제조설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 디바이스를 제조하기 위한 단위 공정은, 크게 반도체 기판 내부로 3B족(예컨대, B) 또는 5B(예컨대, P 또는 As)족의 불순물 이온을 주입하는 불순물 이온주입 공정, 반도체 기판 상에 절연성 또는 도전성의 물질막을 형성하는 박막 증착(deposition)공정, 상기 박막 증착 공정을 통해 형성된 물질막을 소정의 패턴으로 형성하는 식각 공정, 그리고 반도체 기판 상부에 층간절연막등을 증착한 후에 일괄적으로 연마하여 단차를 없애는 평탄화(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 공정을 비롯하여 웨이퍼를 비롯한 프로세스 챔버 내부의 오염물질을 제거하기 위한 세정공정등과 같은 여러 단위 공정들로 구분할 수 있다.
상기한 여러 단위 공정들 중에서, 특히 반도체 기판 상에 물질막을 증착하기 위한 박막 증착공정은, 물리적 방식을 이용한 PVD 공정과 캐미컬 소오스(chemical source)를 이용한 CVD 공정으로 구분할 수 있다. 특히, 상기 CVD 공정중에서도 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착 공정은 통상의 CVD 공정에 비해 증착되는 막질의 두께를 보다 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인하여 반도체 디바이스 제조에 적극적으로 이용되고 있다.
통상적으로, 고밀도 플라즈마 화학기상증착 공정을 수행하기 위한 고밀도 플 라즈마 화학기상증착 장치를 간략히 살펴보면, 웨이퍼가 안착되는 정전척에는 예컨대 알루미늄등과 같은 도전물에 의한 전류 흐름을 방지하기 위한 목적으로, 정전척 측부에 부도체인 세라믹 코팅막의 데포지션 링이 형성된다. 그리고, 상기 데포지션 링의 가장자리에는 스테인레스 재질의 커버 링이 형성된다.
그러나, 상기와 같은 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상부에 물질막을 증착할 경우, 상기 정전척 상부에 안착되어 있는 웨이퍼 표면을 비롯하여 그 주변 영역인 데포지션 링이나 커버 링의 표면에도 물질막이 증착된다. 따라서, 증착하고자 하는 알루미늄과 같은 도전물일 경우에는 정전척의 에지 영역에서 아킹이 발생하고, 그로 인해 정전척이 손상된다. 그리고, 아킹이 발생된 영역에서 알루미늄성 파티클이 유발되어 프로세스 챔버 내부는 물론 웨이퍼를 오염시켜 PM주기를 단축시키고, 반도체 디바이스의 전기적 특성 및 생산성을 저하시키게 된다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 도전물 증착으로 인한 아킹을 방지할 수 있도록 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 도전성 파티클 발생을 최소화할 수 있도록 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, PM 주기를 보다 연장시켜 원활한 공정 진행을 수행 할 수 있도록 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성을 보다 향상시킬 수 있도록 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 디바이스 제조설비의 정전척은, 웨이퍼가 안착되는 정전척 본체부; 도전물에 의한 전류 흐름을 방지하기 위하여, 상기 정전척 본체부의 가장자리를 환형으로 둘러싸고 있는 데포지션 링부; 일측은 상기 데포지션 링의 가장자리 영역을 덮고 있으며, 타측은 프로세스 챔버 벽에 밀착 형성되어 프로세스 챔버 하부 영역으로 파티클의 유입을 방지하는 커버 링부; 및 상기 데포지션 링부와 커버 링부가 서로 접촉하는 영역에 삽입 형성되어, 상기 커버 링부를 정전척으로부터 절연시키기 위한 절연부를 포함함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 정전척은 알루미늄 재질로 형성한다.
바람직하게는, 상기 데포지션 링부는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹으로 형성한다.
바람직하게는, 상기 커버 링부는 스테인레스 재질로 형성한다.
바람직하게는, 상기 절연부는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹으로 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 카테고리를 벗어나지 않는 범위내에서 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 대용량화 및 고집적화 추세로 인해 메모리셀을 구성하는 각각의 단위소자 사이즈가 축소됨에 따라 제한된 면적내에 다층구조를 형성하는 고집적화 기술이 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 따라서, 이러한 다층구조를 실현하기 위해서, 캐미컬 소오스(chemical source)를 가스 상태로 챔버 내부로 주입하여 웨이퍼 표면에 원하는 물질막을 원하는 두께로 용이하게 증착시킬 수 있는 화학기상증착 공정이 이용되고 있다. 이러한 화학기상증착 공정 중에서도 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착 공정은 종래의 플라즈마 화학기상증착 공정에 비해 캐미컬 소오스의 이온화 효율을 향상시키기 위해 보다 낮은 압력분위기하에서 진행되며, 증착되는 물질막의 두께 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또한, 이러한 고밀도 플라즈마 화학기상증착 공정은 프로세스 챔버 내부에 전기장과 자기장을 함께 인가한다. 그 결과, 종래의 플라즈마 화학기상증착 공정에 비해 보다 높은 가속 에너지를 얻을 수 있으며 높은 이온화 밀도에 기인하여 보다 많은 반응 라디칼을 생성시킬 수 있어 고집적 반도체 디바이스 소자에 매우 적합한 장점을 가지고 있다.
한편, 상기와 같은 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착 장치에는 반도체 기판을 클램핑(clamping)하기 위한 척이 사용되는데, 최근에는 정전기를 이용하여 웨이퍼를 척킹하는 정전척(Electro Static Chuck)이 주로 사용되고 있다. 그러나, 종래에는 구조적인 문제로 인하여 상기 정전척에 에지영역에 아킹이 발생하거나, 손상되는등의 여러 문제점들이 발생하고 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기한 종래의 문제점들을 해소할 수 있는 개선된 구조의 정전척을 제시하고자 한다. 그러면, 하기의 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정전척의 구조를 살펴보기로 하자.
도 1는 본 발명에 따른 정전척이 적용될 수 있는 반도체 디바이스 제조장치의 한 예로서, 플라즈마 CVD 장치가 도시되어 있다. 그리고, 도 2는 상기 도 1에 도시되어 있는 참조부호 A 영역에 대한 확대도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 밀폐된 분위기의 프로세싱 공간인 프로세스 챔버(100)가 제공된다. 그리고, 상기 프로세스 챔버(100)의 상부에는 RF 파워가 인가되는 상부전극(102)이 형성되어 있다. 상기 상부전극(102)에 인가되는 고주파 파워는 약 350watt 이상의 RF 파워로서, 이러한 고주파 파워를 인가함으로써 프로세스 챔버(100) 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다. 그리고, 상기 프로세스 챔버(100)의 상부에는 샤워헤드(104)가 형성되어 있다. 이러한 상기 샤워헤드(104)는 석영 재질 또는 석영 재질에 비해 강도가 우수하며 절연특성이 있는 세라믹 재질로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 샤워헤드(104)에는 공정가스 주입구(110)를 통해 공급되는 공정가스를 그 내부에 일시적으로 저장시키는 버퍼공간(106) 및 상기 버퍼공간(106)에 일시적으로 저장된 공정가스를 프로세스 챔버(100) 내부로 분사시키기 위한 복수개의 가스분사홀(108)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 샤워헤드(104)는 알루미늄 증착공정에 필요한 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구(110)와 연결되어 있다. 따라서, 상기 공정가스 공급원(114)으로부터 공급된 공정가스는 공정가스 주입구(110)를 통해 샤워헤드(104)로 공급된다. 이때, 상기 공정가스 공급원(114)으로부터 플로우되는 공정가스는 LFC(Liquid Flow Controller:112)에 의해 그 공급량이 조절된다. 그리고, 상기 공정가스 주입구(110)에는 상기 공정가스 주입구(110)를 통해 플로우되는 공정가스를 소정의 온도로 가열하기 위한 히터부가 구비되기도 한다.
한편, 상기 프로세스 챔버(100)의 하부 영역에는 상기 상부전극(102)에 인가된 RF 파워와 대응되는 RF 파워가 인가되는 하부전극(116)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(116) 상부에는 웨이퍼(W)가 안착되는 알루미늄 재질의 정전척(118)이 형성되어 있다. 이때, 상기 하부전극(110)에 인가되는 RF 파워의 주파수는 약 700watt 이하의 저주파로서, 상기 상부전극(102)에 인가된 RF 파워와 함께 플라즈마 형성을 위한 전력원으로서 기능하게 된다. 그리고, 프로세스 챔버(100)의 측부에는 알루미늄 증착 공정이 진행되어질 웨이퍼를 정전척(118) 상부로 안착시키기 위한 웨이퍼 투입구, 즉 슬릿 도어 밸브(122)가 형성되어 있다.
그리고, 상기 정전척(118)에는 웨이퍼 로딩시 또는 웨이퍼 언로딩시 웨이퍼를 리프팅하는 리프트 핀(120)이 형성되어 있다. 상기 리프트 핀(120)은 구동수단에 의하여 상승 및 하강되며, 이러한 리프트 핀(120)의 승하강에 의해 상기 슬릿 도어 밸브(122)를 통해 투입된 웨이퍼를 서셉터(118) 상부에 로딩시키기도 하고, 서셉터(118) 상부에 로딩된 웨이퍼를 프로세스 챔버(100) 외부로 언로딩시키게 된다.
그리고, 상기 프로세스 챔버(100)의 외측에는 배기라인(124)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 배기라인(124)에는 상기 프로세스 챔버(100) 내부의 잔류 공정가스 및 공정 부산물과 같은 파티클을 외부로 배출시키고, 프로세스 챔버 내부를 공정시 요구되는 소정의 압력으로 유지시키는 진공장치로서, 예컨대 터보 펌프(126)가 연결되어 있다. 상기 프로세스 챔버(100)는 알루미늄 증착공정이 진행되는 영역으로서, 외부와 차단된 공간이다. 따라서, 이러한 프로세스 챔버(100) 내부를 알루미늄 증착공정에 적합한 압력상태로 만들기 위해 터보 펌프(126)가 사용되는 것이다. 즉, 웨이퍼 상부에 알루미늄을 증착하기 위해서는, 상기 슬릿 도어 밸브(122)를 통해 프로세스 챔버(100) 내부로 웨이퍼를 투입한다. 이때, 상기 슬릿 도어 밸브(122)가 오픈됨으로 인해 트랜스퍼 챔버(도시되지 않음)의 상압이 유입되어 프로세스 챔버(100) 내부의 압력이 약 1×10-3 torr 수준으로 높아지게(즉, 저진공 상태) 된다. 따라서, 이처럼 웨이퍼를 투입하는 과정에서 높아진 프로세스 챔버(100) 내부의 압력을 낮추기 위해 상기 터보 펌프(126)를 가동시켜 프로세스 챔버(100) 내부의 에어를 펌핑함으로써, 알루미늄 증착공정에 요구되는 압력 분위기(약 1×10-6 torr)로 형성하게 되는 것이다. 한편, 도면상에 도시되지는 않았으나, 상기 터보 펌프(126)에는 통상적으로 드라이 펌프가 연결되어 있다. 상기 드라이 펌프는 터보 펌프(126)와 함께 알루미늄 증착공정이 진행되는 상기 프로세스 챔버(100) 내부의 에어를 펌핑하는 보조 펌핑 장치로서, 상기 드라이 펌프 자체에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 오일 시스템(도시되지 않음) 및 프로세스 쿨링 워터를 공급하는 워터 플로우 라인(도시되지 않음)이 구비된다. 그리고, 상기 터보 펌프(126)는 프로세스 챔버(100) 내부에 대한 펌핑시에만 가동하는데 비하여, 상기 드라이 펌프는 일반적으로 프로세스 챔버 및 버퍼 기능을 하는 트랜스퍼 챔버의 압력을 소정의 진공상태로 유지하기 위하여 항시 펌핑기능을 유지하고 있다. 그리고, 상기 프로세스 챔버(102) 내부로 웨이퍼를 투입하기 위해 슬릿 도어 밸브(122)가 오픈될 때는 물론, 알루미늄 증착공정을 위한 공정가스가 주입될 경우에도 프로세스 챔버(102)의 내부의 압력은 일시적으로 상승된다. 그러면, 상승된 프로세스 챔버 내부의 압력을 공정시 요구되는 수준으로 유지하기 위해 터보 펌프(126)가 가동되며, 이러한 터보 펌프(126)의 펌핑 작용에 의해 프로세스 챔버(100) 내부는 알루미늄 증착공정시 요구되는 압력을 지속적으로 유지하게 된다. 또한, 알루미늄 증착공정이 진행되는 동안 발생되는 미반응 가스 및 반응부산물 또한 이러한 터보 펌프(126)의 펌핑 작용에 의해 외부로 배출된다.
한편, 본 발명에 따른 정전척(118)의 핵심 구성으로서, 상기 웨이퍼가 안착되는 정전척(118)의 측부에 데포지션 링(128), 커버 링(130) 및 절연부(132)가 형성되어 있다. 상기와 같이 정전척(118)의 측부에 데포지션 링(128), 커버 링(130) 및 절연부(132)를 형성함으로써, 아킹 발생 및 그로 인한 정전척 손상등과 같은 종래의 문제점들을 해소할 수 있게 된다.
하기 도 2에는 상기 정전척(118)의 구조가 보다 구체적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 상기 웨이퍼가 안착되는 정전척(118)의 가장자리를 환형으로 둘러싸고 있으며, 알루미늄과 같은 도전물 증착으로 인한 전류 흐름을 방지하기 위한 데포지션 링(128)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 데포지션 링(128)은 부도체, 예컨대 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹 코팅막(16)으로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 데포지션 링(128)의 가장자리에는 상기 데포지션 링(128)을 보호함과 동시에 프로세스 챔버 하부 영역에 알루미늄이 증착되는 것을 방지하기 위한 커버 링(130)이 프로세스 챔버 벽에 밀착되어 형성되어 있다. 여기서, 상기 커버 링(130)은 스테인레스 재질로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 데포지션 링(128)과 커버 링(130)이 서로 접촉하는 영역에는 절연물질로 이루어진 절연부(132)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 절연부(132)는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹으로 형성할 수 있다.
따라서, 상기 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 웨이퍼 상부에 알루미늄 증착을 위한 플라즈마 화학기상증착 공정을 실시하게 되면, 상기 정전척(118) 상부에 안착되어 있는 웨이퍼 표면을 비롯하여 그 주변 영역에도 알루미늄이 증착되는 경우가 있다. 즉, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 데포지션 링(128)의 상부에도 알루미늄(134)이 증착될 수 있다.
종래 기술에 따른 정전척 구조에 있어서는, 데포지션 링과 커버 링이 서로 접촉하는 영역에 별도의 절연물질이 형성되어 있지 않았다. 그로 인해, 상기 데포지션 링 상부에 알루미늄이 증착될 경우, 상기 스테인레스 재질로 이루어진 커버 링과 상기 알루미늄이 접촉하여 정전척에 아킹이 발생하는 문제점이 있었다. 그리고, 정전척에 아킹이 발생함으로 인해 정전척이 손상되었으며, 아킹이 발생된 영역에서 알루미늄성 파티클이 유발되어 프로세스 챔버 내부는 물론 웨이퍼를 오염시켜 PM주기를 단축시키고, 반도체 디바이스의 전기적 특성 및 생산성을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에서는 상기 데포지션 링(128)과 커버 링(130)이 서로 접촉하는 영역에 부도체인 절연부(132)를 형성함을 특징으로 한다. 그로 인해, 참조부호 B로 나타낸 것과 같이, 상기 데포지션 링(128) 상부에 알루미늄이 증착되더라도 상기 세라믹으로 이루어진 절연부(132)로 인해 상기 알루미늄(134)과 커버 링(130)간의 전기적 접촉이 방지된다. 그리고, 이처럼 상기 데포지션 링(128) 상부에 증착된 알루미늄(134)과 커버 링(130)간의 전기적 접촉이 방지됨으로 인해 정전척(128)의 에지영역(참조부호 C)에 아킹이 발생되는 종래의 문제점이 해소되어 정전척(128)의 손상을 방지할 수 있게 된다. 그리고, 아킹이 발생된 영역에서 알루미늄성 파티클이 유발되는 종래의 문제점 또한 해소할 수 있게 됨으로써, 프로세스 챔버 내부는 물론 웨이퍼가 알루미늄성 파티클에 의해 오염되어 PM주기가 단축되고, 반도체 디바이스의 전기적 특성 및 생산성이 크게 저하되는 종래의 문제점들을 해소할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 CVD 장치의 정전척 주변에 형성되어 있는 데포지션 링 및 커버 링 사이에 세라믹 재질의 절연물질을 형성함으로써, 정전척의 아킹을 방지하고 그로 인해 정전척의 손상 및 파티클 발생을 최소화할 수 있는등의 다양한 효과를 얻고 있다. 이처럼, 본 발명에서는 설비 변경에 고가의 비용을 요하지 않으면서도 비교적 손쉬운 방법으로 정전척의 구조를 개선하여 상기와 같은 우수한 효과를 얻을 수 있도록 하는 바, 반도체 디바이스 제조분야 발전에 매우 바람직한 영향을 미칠 것으로 기대된다.
한편, 상기에서는 플라즈마 CVD 장치를 제시하여 본 발명에 따른 정전척 구조를 설명하였다. 그러나, 이는 본 발명을 설명하기 위하여 제시된 하나의 예시적인 반도체 디바이스 제조장치에 불과한 것으로서, 상기 플라즈마 CVD 장치 이외에 웨이퍼 상부에 물질막을 증착하는 모든 반도체 디바이스 제조장치에도 적용가능함은 물론이다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는, 웨이퍼가 안착되는 정전척을 구현함에 있어서, 상기 정전척의 가장자리에 형성되는 데포지션 링과 커버 링의 접촉 영역에 절연물질로 이루어진 절연부를 형성한다. 따라서, 상기 데포지션 링에 도전물질이 증착되더라도 상기 절연부에 의해 커버 링과 도전물질이 서로 절연되어 정전척의 아킹 발생을 해소할 수 있게 된다. 그리고, 정전척의 아킹 발생을 해소함으로써, 정전척이 손상되거나 알루미늄성 파티클이 발생하는 문제점을 최소화하여 결과적으로 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 반도체 디바이스 제조설비의 정전척에 있어서:
    웨이퍼가 안착되는 정전척 본체부;
    도전물에 의한 전류 흐름을 방지하기 위하여, 상기 정전척 본체부의 가장자리를 환형으로 둘러싸고 있는 데포지션 링부;
    일측은 상기 데포지션 링의 가장자리 영역을 덮고 있으며, 타측은 프로세스 챔버 벽에 밀착 형성되어 프로세스 챔버 하부 영역으로 파티클의 유입을 방지하는 커버 링부;
    상기 데포지션 링부와 커버 링부가 서로 접촉하는 영역에 삽입 형성되어, 상기 커버 링부를 정전척으로부터 절연시키기 위한 절연부를 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 정전척은 알루미늄 재질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 데포지션 링부는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹 으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 커버 링부는 스테인레스 재질로 형성함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 절연부는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 도전물은 알루미늄임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비의 정전척.
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