KR920006896B1 - 내화금속박막 증착용 반도체 장치의 반응기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내화금속박막 증착용 반도체 장치의 반응기
제1도는 내화금속박막 증착용 저압화학 증착장치의 반응기를 나타낸 전체 단면도.
제2도는 배기다기관의 구조를 나타낸 사시도.
제3도는 냉각자켓의 조립상태를 나타낸 사시도.
제4도는 단순화한 반응기 모델.
제5도는 표준공정조건에서 반응기내의 속도분포를 나타낸 실시예.
제6도는 표준공정조건에서 반응기내의 온도분포를 나타낸 실시예.
제7도는 표준공정조건에서 반응기내의 WF6무게분율 분포를 나타낸 실시예.
제8도는 반응기내의 반경방향에 따른 박막증착 속도를 나타낸 실시예.
제9a도, 제9b도, 제9c도는 종래 기술에 따른 반응기.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 반응기 몸체(chamber body)
102 : 반응기 윗벽(chamber top wall)
103 : 반응기 아랫벽(chamber bottom wall)
104 : 웨이퍼 지지기(quartz plateau)
105 : 축받이 조립품(pedestal assembly)
106 : 가스 분사기(shower head)
107 : 배기다기관(exhaust manifold) 108 : 배기라인(vacuum line)
109 : 창(window) 110 : 웨이퍼(wafer)
111 : 삼발이(trivet) 112 : 반응가스 주입구
113 : 가스혼합실 114 : 배기구멍(exhaust hole)
115 : 적외선등(IR lamp) 116 : 적외선반사경(IR mirror)
117 : 적외선 투과창(IR window) 118 : 냉각자켓(cooling jacket)
119 : 냉각수의 입구 및 출구 120 : 구리링(copper ring)
본 발명은 반도체소자 제조에 필요한 확산 및 식각방지막(diffusin/etch barrier), 평탄한 다층 금속막(metallization)에 응용가능한 내화금속인 텅스텐 및 텅스텐 실리사이드 박막을 증착시킬 수 있는 저압화학 증착장치 중에 실제로 공정이 진행되는 부분인 반응기에 관한 것이다.
종래의 기술로는 조기의 수평형 고온벽 반응기와, 중기의 원추형 냉각벽 반응기와, 최근의 원통형 냉각벽 반응기를 들 수 있다.
제9a도는 수평형 고온벽 반응기를 도시한 것으로, 반응가스 주입이 수평형 반응기(10)의 앞 플랜지(11)로 주입되므로 혼합실이나 원형가스분사기가 없어 반응기 입구에서 출구까지 가스고갈(가스부족) 현상으로 인해 증착율의 균일도가 나쁠뿐 아니라 박막특성도 달라지는 결점이 있었다. 또한 수평형 반응기의 벽면이 근본적으로 고온이 되므로 공정 횟수에 비례해서 반응기(10) 내부벽면에 박막이 순차적으로 시간에 따라 증착되어 공정순서에 따라 particle 및 오염이 심해지는 문제점이 발생되었다.
또한, 제9b도에 도시된 원추형 냉각벽 반응기는 나타난 바와 같이 반응기(20)의 구조가 매우 복잡하여 웨이퍼(21)를 고정하기 위한 로버트 아암(도시안됨)의 반송과정이 복작하였다. 아울러 반응가스가 가스 혼합실을 거치지 않고 반응기(20)안으로 주입되므로 인해 균일한 가스공급이 되지 않아 증착율이나 균일도가 떨어지는 등의 문제점이 발생되었다.
또한, 제9c도에 도시한 원통형 냉각벽 반응기는 반응가스가 하부가스 ejection wong(30)에 의해 공급되어 가스혼합실(31)에 혼합된 후 반응기(32) 안으로 주입되도록 하였으나 균일하게 가스를 공급하는 별도의 장치를 필요로 하는 문제점이 있다.
아울러 웨이퍼(32)가 반응기(32) 상부벽면에 장착됨으로써 웨이퍼 고정 및 반송 로버트 아암이 상대적으로 매우 복잡하며, 웨이퍼 파괴시 반응기 내부의 오염이 심각하였다. 또한, 반응기(32) 외부벽에 쿨링채널(cooling channel)(33)을 설치하였으나 냉각효율이 원활하지 못한 문제점들이 발생되었다.
즉, 반응기는 반도체소자 제조장치의 성능을 좌우하는 핵심부분으로, 설계시 목표로 하는 균일한 박막증착, 높은 증착율, 우수한 박막특성을 달성하기 위해서는 적절한 공정변수와 반응기 구조를 선택하는 것이 중요한 문제로 대두되는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 반응기 공급장치 및 배기구조를 개선하여 박막의 균일도를 향상시키고 또한 냉각벽 방식으로 설계하여 반응기의 오염을 방지하여 박막의 특성을 향상시키는데 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위하여 이하 첨부된 도면에 의거 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에 의한 내화금속박막 증착용 저압화학 증착장치의 반응기의 구조를 나타낸다.
본 발명은 크게 나누어 실제로 공정이 진행되는 부분인 반응기와, 화학반응 촉진에 필요한 열에너지를 공급해 주기 위한 적외선 가열장치로 구분할 수 있다.
반응기의 주요구성을 살펴보면, 알루미늄으로 제작된 원통형의 반응기 몸체(101), 반응기 윗벽(102), 반응기 아랫벽(chamber bottom wall)(103) 웨이퍼를 올려놓기 위하여 석영으로 제작된 웨이퍼 지지기(quartz platean)(104), 웨이퍼를 들어올리고 내리기 위한 축받이 조립품(pedestal assembly)(105), 반응가스를 반응기에 균일하게 공급해 주기 위한 가스분사기(shower head)(106) 공정이 끝난 가스를 배기시키기 위한 배기다기관(exhaust manifold)(107) 및 배기라인(vacuum line)(108)으로 이루어져 있다.
반응기 몸체(101)는 게이트 밸브에 의해 웨이퍼 이송조(wafer transport chamnber) 몸체의 옆면에 부착되며, 각 반응기의 구성모듈을 지지해준다.
상기 반응기 몸체(101)에는 3개의 창(window)(109)이 설치되어 있으며, 그 중에서 한개의 창에는 압력 측정을 위하여 압력센서(도시없음)가 설치되어 있고, 또 온도감지를 위한 온도측정피드스루(thermocouple feedthrough)가 설치되어 있다.
나머지 두개의 창는 반응기 내부를 관찰하기 위한 것이다. 웨이퍼(110)는 웨이퍼 이송조로부터 로보트 아암에 의해 웨이퍼 지지기(104) 위로 운송된 후 축받이 조립품(105)과 삼발이(trivet)(111)에 의해 들려지고 로보트 아암이 웨이퍼 이송조로 되돌아간 다음 축받이 조립품(105)에 의해 웨이퍼 지지기(104)위에 놓여지게 된다.
또한 공정에 필요한 반응가스를 균일하게 분사시키는 과정을 제1도에 도시된 바와 같이 여러가지 반응가스가 가스공급계에서 일정한 유량으로 질량유량 조절기(도시안됨)에 의해 조절되어 반응가스 주입구(112)를 통하여 가스혼합실(113)으로 들어와 먼저 혼합된다.
혼합가스는 가스분사기(106)를 통하여 반응기속으로 분사된다. 즉, 가스분사기(106)의 내부압력과 유량사이의 유체 역학적 관계식에 의해 균일한 가스공급이 되도록 계산되고 직경 1㎜, 길이 1㎝의 500개 이하의 가스분사 구멍으로 웨이퍼(110)편에 균일하게 분사된다.
이때, 냉각수는 가스분사기(106)을 효율적으로 냉각시켜 가스분사기의 표면이나 분사구멍에 박막이 증착되는 것을 방지하여 반응가스가 균일하게 분사되도록 도와준다. 공정이 끝난 가스는 반응기 아랫벽(103)에 부착되어 있는 8개의 배기구멍(exhaust hole)(114)이 뚫어진 배기다기관(exhaust manifold)(107)을 거쳐 두개의 배기라인(exhaust line)(108)에 의해 배출된다.
상기 배기구멍(114)과 배기다기관(107)의 크기 및 모양은 웨이퍼 위의 가스흐름이 균일하도록 설계되어 있다. 또한, 화학반응 촉진에 필요한 열에너지를 공급해 주기 위한 열원으로서 8개의 텅스텐 할로겐 램프로 이루어진 적외선등(IR lamp)(115)과 적외선광의 복사광을 효율적으로 이용하기 위하여 설치한 적외선 반사경(IR mirror)(116) 그리고 적외선광의 투과가 용이하도록 석영유리가 제작된 적외선 투과창(IR window)(117)으로 적외선 가열장치가 구성되어 있다.
제2도는 상술한 배기다기관(107)의 조립상태를 나타낸 사시도로서 8개의 배기구멍(114)을 뚫어서 배기되는 가스흐름이 균일하도록 하여 결국 웨이퍼 위의 가스흐름 분포를 균일하게 하여 박막의 증착 균일도를 향상시키도록 하였다.
상기 배기구멍(114)의 유량콘덕턱스(flow conductance) 요구조건을 결정하기 위해 트로틀 밸브는 완전히 열려 있고, 트로틀 밸브와 배기라인의 유량 콘덕턱스 배기구멍의 유량 콘덕턴스보다 훨씬 크다고 가정하였다.
배기구멍의 유량콘덕턴스 최저값은 저압에서 진공펌프의 배기효율(pumping efficiency)에 의해 주로 결정된다. 일반적인 진공펌프의 배기속도(pumping speed)는 입구압력이 5m Torr 미만일때 급격하게 저하된다. 따라서 최저요구 공정압력을 25m Torr(1기압=760mtorr)라고 가정할때, 배기구멍(114)의 최저유량 콘덕턴스는 Cexh=ΣQpv 20m Torr식에 의해 결정된다. 여기서 ΣQpv는 전체 입력유량이다.
배기구멍의 크기를 결정하기 위해 배기구멍의 면적(A㎠)에 대한 플란틀(plandtl)식을 이용하면 Cexh∼40Al/sec이다. 반응기에 주입되는 가스라인(gas line)의 수를 4개로 가정하고 각 라인의 최대유량을 50sccm으로 가정하였을때 최대 요구면적 Amax=31.5㎠이다.
따라서 배기다기관(107)에 8개의 배기구멍을 뚫을때 각 구멍의 면적이 약 40㎠가 요구되도록 설계하여 배기되는 가스흐름이 균일하도록 하여 박막의 증착균일도 향상을 꾀하였다.
제3도는 냉각자켓(118)의 조리상태를 나타낸 사시도이다. 상기 냉각자켓(118)은 적외선 투과창(117)의 지지 및 밀봉 뿐만 아니라 적외선광이 외부로 누출되어 주위의 다른 부품에 손상이 가지 않도록 하는 기능을 가지고 있다. 또한, 냉각자켓(118) 내부에 냉각라인(cooling line)을 설치하여 냉각벽 방식으로 설계하여 반응기 오염을 방지하는 기능도 있다.
냉각수의 입구 및 출구(119)는 냉각자켓의 상부에 위치하여 냉각수가 냉각자켓 전체에 순환되도록하여 냉각효율을 높였다. 냉각자켓(118)은 반응기 아랫벽(103)에 보울트에 의해 고정되며, 두 접촉면에 열전달계수(thermal conductivity)가 큰 구리링(120)을 설치하여 적외선광에 의해 가열된 배기다기관(107)과 반응기 아랫벽(103)들의 냉각효과도 높이도록 설계하였다.
한편 가스분사기(106)와 반응기 윗벽(102) 사이 접촉면에도 구리링(120)을 설치하여 반응기 윗벽(102)이 적외선광에 노출가열되더라도 상기 구리링(120)에 의한 열전달로 인하여 냉각이 잘되도록 하였다.
본 발명에 의해 설계 제작된 반응기는 제1도에 나타내어지지만, 실제 반응에 거의 영향을 미치지 않는 바깥 부위를 단순화시킨 제4도의 디스크형태(disc shape)의 반응기를 모사대상으로 유한 요소법(finite element method)을 적용하여 수치모사를 행한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
표준공정조건에서 반응기내의 속도벡터(vector)를 제5도에 도시하였다.
화학증착 반응기의 표준공정조건은 반응기 압력 66.65pa, 반응기의 입구속도 0.5m/sec, 기판온도 500℃, WF6와 H2반응가스의 입구조성 비율은 1 : 20이다. 입구에서의 온도에 대한 자연대류(natural convection) 현상과 출구위치에 영향을 받아, 속도 벡터가 입구에서 반경방향으로 휜다는 것을 알 수 있다.
제6도는 표준공정조건에서의 반응기내 온도분포를 도시한다. 여기에서 기판온도는 500℃로 일정하게 하였고, 그외 반응기 벽은 실온인 25℃로 가정하여 반응기내의 등온선을 계산한 결과이다.
제7도는 표준공정조건에서 반응기내 WF6무게분율(mass fraction)이 0.9907, 0.8809, 0.8808일때의 농도곡선을 도시한 것이다.
여기서 기판에 가까이 갈수록 텅스텐(tungsten)이 증착에 의해 WF6의 무게분율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 반응기의 반경방향에 따른 텅스텐의 박막증착 속도를 제8도에 나타내었다.
박막의 증착균일도는 웨이퍼 표면의 속도벡터(제5도)에 가장 큰 영향을 받고, 속도벡터는 배기구의 위치에 크게 영향을 받는다.
배기구의 위치변화에 따른 표준화된 유량벡터(normalized flow vector)의 분포를 일정하다고 가정하면 제작된 반응로에 대해 6인치 웨이퍼에 대한 균일도가 약 3% 이내가 되는 것을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 내화금속인 텅스텐 및 텅스텐실리사이드 박막을 증착시킬 수 있는 저압화학 증착장치에 있어서, 알루미늄으로 제작된 원통형의 반응기 몸체(101)와, 상기 반응기 몸체의 상부에 위치하여 기스주입구(112)가 체결되는 반응기 위벽(102)과, 상기 반응기 몸체의 하부에 위치하되 상측에 8개의 배기구멍(114)이 형성된 배기다기관(107)과 하부에 배기라인(108)이 체결되는 반응기 아래벽(103)으로 이루어진 가스혼합실(113)과; 상기 가스혼합실(113)의 내측에 위치하고 상기 반응기 위벽(102)이 체결되어 가스를 공급하는 가스분사기(106)를 구성한 것을 특징으로 하는 내화금속박막 증착용 반도체 장치의 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기 아랫벽(103)에 부착되어 적외선광의 외부누출방지와 냉각효율을 높이는 냉각벽 방식으로 반응기의 오염방지 및 박막의 특성을 향상시키는 냉각자켓(118)을 구성한 것을 특징으로 하는 내화금속박막 증착용 저압화학 증착장치의 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반응기 아랫벽(103)과 냉각자켓(118) 사이에 설치하여 배기다기관(107) 및 반응기 아랫벽(103)의 냉각기능을 갖는 구리링(120)을 구성한 것을 특징으로 하는 내화금속박막 증착용 반도체 장치의 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스분사기(106)와 반응기 윗벽(102) 사이의 접촉면에 결합되어 적외선광에 직접 노출 가열된 반응기 윗벽(102)이 가스분사기(106) 내부의 냉각수에 의해 간접적으로 냉각이 되도록 하는 구리링(120)을 구성한 것을 특징으로 하는 내화금속박막 증착용 반도체 장치의 반응기.
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