KR900000757B1 - Gas supply system of a chemical vapour deposition in a low pressure for a refractory metal - Google Patents
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Abstract
Description
제1a, b, c도는 종래의 질량유량조절기 주위에 공압밸브가 설치된 상태를 보인 관계통도 및 유량시간 곡선도.1a, b, and c is a relationship passage and flow time curve diagram showing a state where a pneumatic valve is installed around a conventional mass flow regulator.
제2a, b도는 본 발명의 질량유량조절기 주위에 공압밸브가 설치된 상태를 보인 관계통도 및 유량시간 곡선도.Figure 2a, b is a relationship and flow time curve diagram showing a state in which the pneumatic valve is installed around the mass flow regulator of the present invention.
제3도는 본 발명인 내화금속용 저압화학증착장치의 가스공급계를 보인 관계통도.Figure 3 is a relationship diagram showing a gas supply system of the present invention low pressure chemical vapor deposition apparatus for a refractory metal.
제4a, b도는 본 발명에 이용되는 불화텅스텐(WF6)과 실란(SiH4) 라인의 관계통도.4A and 4B show the relationship between tungsten fluoride (WF 6 ) and silane (SiH 4 ) lines used in the present invention.
제5도는 본 발명에서 정전시의 대책 및 반응기 선택 기능을 나타낸 관계통도.5 is a relationship diagram showing a countermeasure and a reactor selection function in case of power failure in the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 주관 5 : 질량유량조절기1: main pipe 5: mass flow controller
2, 3, 4 : 반응기 선택용도의 공압밸브 6, 22 : 공압밸브2, 3, 4: Pneumatic valve for reactor selection 6, 22: Pneumatic valve
7 : 압력스위치 8, 18 : 역지밸브7: pressure switch 8, 18: check valve
9 : 여분라인 연결단 10, 19, 20, 21 : 수동밸브9: spare line connection stage 10, 19, 20, 21: manual valve
11 : 벌크헤드유니언 12 : 벨로우즈11: bulkhead union 12: bellows
13 : 바이패스라인 14 : 히팅 테이프(Heating tape)13: bypass line 14: heating tape
15 : 공압밸브(평상시 열린상태)15: pneumatic valve (normally open)
16 : 수동밸브(개폐 및 유량조절겸용)16: Manual valve (for opening / closing and flow control)
17 : 솔레노이드 밸브 23 : 분지관17
본 발명은 반도체소자 제작시 내화금속을 증착시키는 저압화학증착장치의 가스공급계에 관한 것으로 특히 반도체인 규소(Si), 갈륨비소(GaAs) 기판상에 내화금속인 텅스텐(W) 및 텅스텐 실리사이드(WSi2)를 정확하고 안전하게 성장시킬 수 있게 한 저압화학증착장치의 가스공급계에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas supply system of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for depositing refractory metals in the manufacture of semiconductor devices, and in particular, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs) substrates, and tungsten (W) and tungsten silicide ( A gas supply system for a low pressure chemical vapor deposition apparatus that enables the growth of WSi 2 ) accurately and safely.
일반적으로 반도체 공정에서 필요한 박막을 형성하는 방법으로 근래에 화학증착법이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 반응가스를 가스공급계를 통해 반응기로 전달하고 여기에서 화학반응을 발생시켜 기판상에 고체물질을 증착시키는 방법이다.In general, as a method of forming a thin film required in a semiconductor process, the chemical vapor deposition method is most recently used. This is a method of depositing a solid material on a substrate by transferring a reaction gas to a reactor through a gas supply system and generating a chemical reaction.
이때 사용되는 공정가스들은 대부분 유독성가스이고, 요구되는 박막의 두께가 1㎛ 내외이므로 가스공급계 구성시 특별한 대책이 필요하다. 그런데 종래의 가스공급장치는 유량제어의 특성을 감안하지 않고 제1a도에 도시한 바와 같이 시간에 따른 유량의 변동이 크게 나타난다.At this time, most of the process gases used are toxic gases, and since the required thickness of the thin film is about 1 μm, special measures are required when constructing the gas supply system. However, in the conventional gas supply apparatus, as shown in FIG. 1A, the flow rate fluctuates greatly with time without considering the characteristics of the flow control.
그리고 제1b도의 경우 역시 가스가 잔존하고 공압밸브가 앞뒤로 위치하고 있기 때문에 제어단자의 수가 2배로 되는 문제점이 있고, 또한 반응가스인 불화텅스텐 (WB6)과 실란(SiH4)이 유독성가스임에도 불구하고 단순히 질소(N2)를 질량유량조절기 상부에 연결하여 유입되도록 되어 있어 질량유량조절기내의 센서부위가 막히거나 밀봉부위의 오링 또는 제어밸브의 시트 부위가 부식되어 유량조절을 정확히 할 수 없거나 가스가 누설되는 등의 문제점을 가지고 있었다.In addition, in the case of FIG. 1B, the number of control terminals is doubled because the gas remains and the pneumatic valve is located back and forth. In addition, even though the reaction gases tungsten fluoride (WB 6 ) and silane (SiH 4 ) are toxic gases, Nitrogen (N 2 ) is simply connected to the upper part of the mass flow regulator so that it can be flowed in, so that the sensor part in the mass flow controller is blocked, the O-ring of the sealing part, or the seat part of the control valve are corroded, so that the flow rate cannot be adjusted correctly or the gas leaks Had problems such as being.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제2a도와 같이 가스라인상에 가스의 주입시간을 조절하는 공압밸브를 질량유량조절기 전단에 설치하고 질량유량조절기의 제어밸브를 확실한 밀봉이 보장되는 자동차단식을 선택하여 제2b도의 응답을 얻음으로써 텅스텐(W) 및 텅스텐 실리사이드(WSi2) 박막 증착시 초기의 유량변동으로 인한 박막의 조직변화를 최소로 하여 정확하게 성장시킬 수 있게 한 것으로 이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.In order to solve the above problems, as shown in FIG. 2A, a pneumatic valve for controlling the injection time of gas on the gas line is installed in front of the mass flow regulator, and the automobile shut-off type ensures a reliable sealing of the control valve of the mass flow regulator. By selecting to obtain the response of FIG. 2b, it is possible to accurately grow the minimum change in the structure of the thin film due to the initial flow rate change during deposition of the tungsten (W) and tungsten silicide (WSi 2 ) thin films. When explaining the present invention in detail as follows.
제3도에 도시한 바와 같이 불화텅스텐(WF6), 수소(H2), 실란(SiH4)과 질소(N2), 알곤(Ar), 라인이 질량유량조절기(5)를 거쳐서 주관(1)에 접속되고 상기 주관(1)은 히팅 테이프(Heating Tape)(14)를 거쳐서 텅스텐 실리사이드(WSi2) 반응기, 배기계, 텅스탠(W) 반응기로 유출되도록 한 내화금속용 저압화학증착장치의 가스공급계에 있어서, 상기 불화텅스텐(WF6), 실란(SiH4), 수소(H2), 알곤(Ar), 질소(N2) 라인에는 수동밸브(10), 벌크헤드유니언(11) 및 공압밸브(6)를 설치하여 질량유량조절기(5)에 접속하되 상기 불화텅스텐(WF6), 실란(SiH4), 수소(H2) 라인상에는 역지밸브(8)를 설치함과 아울러 불화텅스텐(WF6), 실란(SiH4) 라인에는 상기 질소(N2) 라인으로부터 유입되는 질소(N2)를 역지하는 역지밸브(18), 수동밸브(19)(20)(21) 및 공압밸브(22)를 설치하고, 상기 질소(N2) 라인에는 평상시 열린 상태의 공압밸브(15)와 개폐 및 유향조절 겸용의 수동밸브(16)를 설치하여 반응기 선택밸브(2)(3) 전단의 분지관(23)에 접속되어 있으며, 상기 질소(N2) 및 공기(Air) 라인에는 압력스위치(7)를 설치하고, 또 공기(Air) 라인상에 3번 2방향의 솔레노이드밸브(17)를 설치하여 상기 각각의 공압밸브에 접속하게 한 것으로, 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 성명하면 다음과 같다.As shown in FIG. 3, tungsten fluoride (WF 6 ), hydrogen (H 2 ), silane (SiH 4 ), nitrogen (N 2 ), argon (Ar), and lines are passed through the mass flow regulator (5). 1) and the main pipe (1) is passed through a heating tape (14) to the tungsten silicide (WSi 2 ) reactor, exhaust system, tungsten (W) reactor of the low pressure chemical vapor deposition apparatus for refractory metals In the gas supply system, the tungsten fluoride (WF 6 ), silane (SiH 4 ), hydrogen (H 2 ), argon (Ar), and nitrogen (N 2 ) lines include a manual valve (10) and a bulkhead union (11). And a pneumatic valve (6) to be connected to the mass flow regulator (5), but a check valve (8) is installed on the tungsten fluoride (WF 6 ), silane (SiH 4 ), and hydrogen (H 2 ) lines. Tungsten (WF 6 ) and silane (SiH 4 ) lines include
제3도에 도시한 관계통도에서는 다음과 같은 화학반응식이 이용된다.In the relationship diagram shown in FIG. 3, the following chemical reaction equation is used.
2WF6(g)+3Si(s) 2W(s)+3SiF4(g)2WF 6 (g) + 3Si (s) 2W (s) + 3SiF 4 (g)
WF6(g)+3H2(g) W(s)+6HF(g)WF6 (g) + 3H 2 (g) W (s) + 6HF (g)
SiH4(g) Si(s)+2H2(g)SiH 4 (g) Si (s) + 2H 2 (g)
W(s)+2Si(s) WSi2(s)W (s) + 2Si (s) WSi2 (s)
따라서 불화텅스텐(WF6), 수소(H2) 실란(SiH4)이 증착물질의 공급원으로 사용되고, 반응기를 세척하거나 반응가스를 희석 또는 질량전달을 증진하기 위하여 질소(N2), 알곤(Ar)의 공급라인이 주관(1)에 접속되고, 이 가스들은 주관(1)을 통하고 히팅 테이프(14)를 거쳐 반응기 선택밸브(2)(3)(4) 부위에 전달되어, 여기에서 특정공정에 따라 텅스텐(W), 텅스텐 실리사이드(WSi2) 반응기가 선택된다.Therefore, tungsten fluoride (WF 6 ) and hydrogen (H 2 ) silane (SiH 4 ) are used as the source of deposition material, and nitrogen (N 2) and argon (Ar) are used to clean the reactor, dilute the reaction gas, or promote mass transfer. Supply line is connected to the main pipe (1), and these gases are passed through the main pipe (1) and through the heating tape (14) to the reactor selection valves (2) (3) (4), where the specific process Tungsten (W) and tungsten silicide (WSi 2 ) reactors are selected accordingly.
그리고 공기(Air)는 3번, 2방향의 솔레노이드밸브(17)를 통해 질량유량조절기 (5) 앞에 위치한 공압밸브(6)의 실린더에 공급되므로, 이로써 각 가스의 주입시간을 조절, 시켄스제어를 할 수 있다.Air is supplied to the cylinder of the pneumatic valve 6 located in front of the
또 질소(N2) 및 공기(Air) 라인에는 공급압력을 감지하기 위하여 압력스위치 (7)가 설치되어 있고 유독성가스인 불화텅스텐(WF6), 실란(SiH4), 수소(H2) 라인에는 역류방지를 위해 역지 밸브(8)가 설치되어 있다.In addition, the nitrogen (N 2 ) and air lines are equipped with a pressure switch (7) to sense the supply pressure and the tungsten fluoride (WF 6 ), silane (SiH 4 ), and hydrogen (H 2 ) lines, which are toxic gases. The check valve 8 is installed to prevent backflow.
그리고 반응기 선택밸브(2)(3)(4)들을 이용하면 텅스텐(W) 및 텅스텐 실리사이드(WSi2) 증착공정을 하나의 반응기에서 할 수도 있고, 또 각 공정간의 오염이 심각하면 분리하여 수행할 수도 있다.Using reactor selector valves (2), (3) and (4), tungsten (W) and tungsten silicide (WSi 2 ) deposition processes can be carried out in one reactor. It may be.
여분라인을 연결할 수 있는 여분라인 연결단(9)은 반응기를 건식식각(Dry etching)할 목적으로 이용된다. 가스공급계 전체를 유지, 보수하고자 할 때는 수동밸브(10)를 차단하고 벌크헤드유니언(11) 양단을 분리하면 장치가 전체기기에서 완전히 격리되므로 손쉽게 유지, 보수할 수 있다.The extra line connecting end 9 capable of connecting the extra line is used for the purpose of dry etching the reactor. If you want to maintain and repair the entire gas supply system, shut off the manual valve (10) and remove both ends of the bulkhead union (11), the device is completely isolated from the entire device can be easily maintained and maintained.
한편 제4도는 본 발명의 불화텅스텐(WF6)과 실란(SiH4) 라인의 관게통도로서 제4a도인 실란(SiH4)라인의 경우, 질량유량조절기(5)를 보수하려면 수동밸브(19) (20) 및 공압밸브(6)를 열어 실란(SiH4)을 질소(N2)로 희석시키면서 바이패스라인 (13)을 통해 완전히 배기시킨 후 질량유량조절기(5)를 분리하여 보수할 수 있다.The fourth turning the manual valve (19) to complement the tungsten hexafluoride (WF 6) and silane (SiH 4) of claim 4a degrees silane as gwange Tongdo the line (SiH 4) in the case of a line, a mass flow controller (5) according to the present invention; (20) and the pneumatic valve (6) can be completely exhausted through the bypass line (13) while diluting silane (SiH 4 ) with nitrogen (N 2 ) and then the mass flow regulator (5) can be separated and repaired. .
이때 질소(N2)와 실란(SiH4)이 순간적으로 혼합된다고 가정하면, 질소(N2) 유입시간은 다음 식으로 결정 할 수 있다.In this case, assuming that nitrogen (N 2 ) and silane (SiH 4 ) are instantaneously mixed, nitrogen (N 2 ) inflow time may be determined by the following equation.
여기에서 t : 질소(N2), 유입시간, Vp: 세척 부위의 체적, Q : 질소(N2) 가스의 유량, C0: 초기의 실란(SiH4) 농도, Ct: 시간 후의 실란(SiH4) 농도Where t is nitrogen (N 2 ), inflow time, V p : volume of washing site, Q: flow rate of nitrogen (N 2 ) gas, C 0 : initial silane (SiH 4 ) concentration, C t : silane after time (SiH 4 ) concentration
제4b도인 불화텅스텐(WF6) 라인의 경우, 불화텅스텐(WF6)이 부식성 강하므로 텅스텐(W) 및 텅스텐 실리사이드(WSi2) 증착이 끝난 후 잔류 가스가 질량유량조절기 (5) 내에 남아 있지 않도록 하여야 한다. 이를 위하여 공정이 끝난 즉시 공업밸브(6)를 차단하고 공압밸브(22)를 열어 질량유량조절기(5)를 질소(N2) 세척하도록 되어 있다. 그리고 유지, 보수의 목적으로 공압밸브(6) 상부의 불화텅스텐(WF6) 가스를 배출시킬 경우는, 반응기를 오염시키지 않도록 수동밸브(21)를 통해 배기계로 직접 배출되는 구조로 되어 있다.In the case of the tungsten fluoride (WF 6 ) line of FIG. 4b, since the tungsten fluoride (WF 6 ) is corrosive, no residual gas remains in the
또 불화텅스텐(WF6)의 비점(17.1℃)이 일상적인 온도 범위이므로 배관부위의 온도를 정확히 조절하지 않으면 가스압력이 변동하거나 계내의 가스 상태보다 부식성이 강한 액체 상태의 불화텅스텐(WF6)이 응축되어 부식의 원인이 된다. 이때 불화텅스텐 (WF6)의 압력은 실제 가스의 상태방정식의 일종인 비리얼(virial) 식을 이용하면 다음의 형태로 구할 수 있다.In addition, the tungsten fluoride (WF6) has a boiling point (17.1 ° C), which is a normal temperature range.If the temperature of the pipe is not properly adjusted, the tungsten fluoride (WF 6 ) in the liquid state that is more corrosive than the gas in the system or fluctuates Condensation may cause corrosion. At this time, the pressure of tungsten fluoride (WF 6 ) can be obtained in the following form using the Viral equation, which is a kind of the state equation of the actual gas.
여기에서, P : 불화텅스텐(WF6)의 압력(atm), T : 불화텅스텐(WF6)의 온도(C +273.15), V : 불화텅스텐(WF6) 라인의 체적(C㎥), n : 몰(mol), B : 이차 비리얼 계수(C㎥/mol)Here, P: pressure of the tungsten hexafluoride (WF 6) (atm), T: temperature of a tungsten hexafluoride (WF 6) (C +273.15) , V: volume tungsten hexafluoride (C㎥) of (WF 6) line, n : Mole, B: secondary vireal coefficient (Cm 3 / mol)
또한 질량유량조절기(5) 통과시의 입력 하강을 고려하여 불화텅스텐(WF6) 라인을 가열하는 히팅 테이프(14)의 온도를 40℃ 이상 유지하고 있다. 그리고 상기와 같은 공정 중 전원이 차단될 경우 제5도에서 나타난 바와 같이 질소(N2) 라인에 위치한 평상시 열린상태(N.0)의 공압밸브(15)를 제외한 모든 공압밸브가 차단되고 공압밸브(15)를 통해서만 질소(N2)가 반응기로 유입되어 유독 가스를 배기계로 강제 배출시킨다. 이때 가스공급계에 차 있던 유독가스는 반응기 선택용의 공압밸브(2)(3) (4)가 닫히게 되므로 외부와 완전히 격리되어 안전한 상태로 유지된다. 그런데 반응기에 구동부위가 부착되어 있을 경우 상기의 정전시 대책으로 인해 배기계 이외의 부분으로 유독가스가 누설된 가능성이 있다. 이때는 공압밸브(15) 뒤쪽에 위치한 개폐 및 유량조절 겸용의 수동식밸브(16)를 미리 차단시켜 놓으면 전원이 차단되기 전의 상태로 유지된다. 증착공정이 끝나면 공압밸브(2)(3)를 차단하여 잔류가스를 반응기와 완전히 격리시키고 공압밸브(4)를 열어 배기계로 직접 배출시키므로 박막을 원하는 두께만큼 정확히 성장시킬 수 있게 되는 것이다.Moreover, the temperature of the
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 반도체 소자 제작시 규소(Si) 및 칼륨비소(GaAs) 기판상에 텅스텐(W) 및 텅스텐 실리사이드(WSi2)를 증착시키기 위한 저압화학증착장치의 가스공급계를 제3도에 도시하고 있는 바와같이 구성함으로써 박막을 정확하고 안전하게 성장시킬 수 있는 방법을 제공하고, 특히 가스 주입시간 조절용 공압밸브를 질량유량조절기 앞에 위치시킴으로써 유량을 정확히 조절할 수 있게 하고, 또 불화 텅스텐(WF6)과 실란(SiH4) 라인상에 N2유입라인, 바이패스라인, 배기라인, 역지밸브, 공압밸브, 히팅 테이프 등을 설치하여 질량유량조절기의 유지, 보수를 간편화시키고 안전대책을 구비하게 하고 있다.As described above, the present invention provides a gas supply system of a low pressure chemical vapor deposition apparatus for depositing tungsten (W) and tungsten silicide (WSi 2 ) on silicon (Si) and potassium arsenide (GaAs) substrates in semiconductor device fabrication. The configuration as shown in FIG. 3 provides a way to grow the film accurately and safely, and in particular, by placing the pneumatic valve for gas injection time adjustment in front of the mass flow controller, the flow rate can be precisely adjusted, and tungsten fluoride ( WF 6) and silane (SiH 4) N 2 inlet line on the line, the bypass line, the exhaust line, check valve, pneumatic valve, maintenance of the mass flow controller to install a heating tape, a simplified maintenance and having a safety measure I'm letting you.
또 질소(N2) 라인에는 평상시 열린상태의 공압밸브 및 개폐 및 유량조절 겸용의 수동밸브를 설치하고 주관의 끝단에 반응기 선택용도의 밸브들을 위치시킴으로써 전원 차단시 잔류되는 유독가스를 가스공급계와 격리시켜 배기계로 배출시키고 아울러 박막을 원하는 두께로 정확히 성장 및 증착할 수 있게 되고 공정간의 오염을 최소로 하는 장점을 제공해 줄 수 있는 것이다.In addition, the nitrogen (N 2 ) line is equipped with a normally open pneumatic valve and a manual valve for both opening and closing and flow control, and by placing the valves for reactor selection at the end of the main pipe, the gas supply system It can be isolated and discharged into the exhaust system, and the thin film can be accurately grown and deposited to a desired thickness and can provide the advantage of minimizing contamination between processes.
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