KR100368319B1 - 액체운송장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조 공정중 화학기상증착법으로 구리 배선을 형성할 때 사용하는 액체운송장치(liquid delivery system; LDS)에 관한 것으로, 일정 속도로 회전하는 오리피스를 통해 상온의 구리액체원료를 기화수단에 공급하는 구리액체원료 공급수단과, 구리 기화 온도가 유지된 운반가스를 제트 노즐을 통해 제트 분사하여, 오리피스를 통해 상기 기화수단으로 공급되는 구리액체원료를 미세 방울로 형성시키는 운반가스 공급수단과, 미세 방울은 상기 기화수단에서 기화되고, 기화된 구리 증기를 반응챔버에 분사시키기 위한 분사수단으로 구성된 액체운송장치를 제공하므로써, 기존의 버블러(bubble) 및 DLI(direct liquid injection) 장치에서 문제가 된 기화기의 막힘 현상, 낮은 재현성 및 낮은 증착 속도를 개선시킬 수 있는 액체운송장치에 관하여 기술된다.

Description

액체운송장치{Liquid delivery system}
본 발명은 액체운송장치(liquid delivery system; LDS)에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정중 화학기상증착법을 이용하여 구리 배선을 형성할 때, 구리의 증착 속도를 증대시킬 뿐만 아니라 재현성을 구현할 수 있는 액체운송장치(liquid delivery system; LDS)에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자가 고집적화, 고성능화 되어 감에 따라 반도체 소자의 금속 배선으로 구리 금속 배선이 널리 적용되고 있는 추세이다. 구리 금속 배선은 물리기상증착(PVD)법, 금속-유기 화학기상증착(MOCVD)법, 전기도금법 등을 사용하여 구리층을 형성하고 있다. 화학기상증착법으로 구리를 증착할 때 사용되는 기존의 액체운송장치는 버블러(bubbler)와 DLI(direct liquid injection) 장치가 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 사용하던 버블러(10)는 운반가스(carrier gas)가 유입라인(11)을 통해 들어온 후, 버블러(10)의 캐니스터(canister; 12) 내에 담겨있던 금속액체원료(13)와 일정비율로 혼합되어 유출라인(14)을 통해 캐니스터(12) 밖으로 나간다. 운반가스와 금속액체원료와의 비율은 운반가스의 유량, 버블러의 온도, 버블러 내의 압력에 의해서 정해진다. 이러한 버블러(10) 형태는 구리액체원료와 같은 증기압이 매우 낮은 액체원료에는 사용이 부적합하며, 특히 버블러의 온도를 일정하게 유지해야 하기 때문에 구리액체원료가 분해되면서 입자(particle)가 생성되어 반도체 증착 필름에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 재현성이 나쁘며, 또한 매우 낮은 증착속도 등의 문제가 있다.
도 2는 현재 금속-유기 화학기상증착법으로 구리를 증착할 때 가장 널리 사용되는 DLI 장치(230)의 개략적인 구성도로, 이를 참조하여 DLI 장치(230)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
DLI 장치(230)는 크게 마이크로 펌프(micoropump; 20)와 기화기(vaporizer; 30)로 이루어진다. 앰플(ampule; 19)로부터 금속액체원료가 약 20psi의 압력으로 가압되어 제 1 밸브(valve; 21)를 통해 마이크로 펌프(20)로 전달되는데, 이때 제 1 스텝핑 모터(stepping motor; 22)에 의해 제 1 피스톤(piston; 23)이 상승하면서 금속액체원료가 제 1 실린더(cylinder; 24)를 채우게 된다. 제 1 밸브(21)는 잠기고, 제 2 밸브(25)는 열리며, 제 1 피스톤(23)의 하강과 제 2 스텝핑 모터(26)에 의한 제 2 피스톤(27)의 상승이 동시에 이루어지면서 제 1 실린더(24)에 채워진 금속액체원료는 제 2 밸브(25)를 통해 제 2 실린더(28)로 흘러 들어간다. 제 2 실린더(28)에 금속액체원료가 완전히 채워지면 제 2 밸브(25)는 잠기게 되고, 제 3 밸브(29)가 열리며, 제 2 피스톤(27)의 하강으로 제 3 밸브(29)를 통해 기화기(30)로 금속액체원료를 이송한다. 이때, 제 1 밸브(21)는 열리고, 제 1 피스톤(23)은 상승하면서 제 1 실린더(24)를 다시 금속액체원료로 채우게 된다. 이러한 동작이 반복되므로써 금속액체원료는 마이크로 펌프(20)로부터 기화기(30)로 공급된다. 유량 제어는 스텝핑 모터(22 및 26)의 사이클(cycle) 수에 의해 결정된다.
마이크로 펌프(20)로부터 공급된 금속액체원료는 딜리버리 밸브(delivery valve; 31)를 통해 99장의 메탈 디스크(metal disc; 32)로 흘러들어 가게 되고, 메탈 디스크(32)에서 히팅 존(heating zone; 33)에 의해 기화되어 운반 가스와 함께 빠져나오게 된다.
이러한 기화기(30)에서, 메탈 디스크(32)의 구동은 유입되는 금속액체원료에 의존하며, 마이크로 펌프(20)가 압력을 형성할 수 있는 구조로 되어 있어 금속액체원료의 압력을 일정하게 유지시키는 것이 매우 어렵고, 금속액체원료의 압력이 평형상태에 도달하는데 매우 장시간(수십분)이 소요되는 단점이 있다. 또한, 초기 상태에서 금속액체원료의 흡입(suction)이 발생할 경우 메탈 디스크(32)에 다량의 금속액체원료가 유입되어 기화되지 못하고 잔류하므로써 기화기(30)의 막힘(clogging) 문제가 발생한다.
따라서, 구리액체원료와 같이 증기압이 매우 낮고 분해되기 쉬운 원료에서는 메탈 디스크에서 원료의 분해로 인하여 막힘 현상이 나타나게 되어 웨이퍼에 균일한 증착이 어렵고, 또한 연속 증착 주기가 매우 짧아 재현성이 떨어지는 문제점이 있어, 반도체 공장 규모로 대량 생산 시에는 적용이 사실상 불가능하다.
따라서, 본 발명은 반도체 소자의 제조 공정중 구리액체원료를 이용하여 금속-유기 화학기상증착법으로 구리층을 증착할 때, 구리의 증착 속도를 증대시킬 뿐만 아니라 재현성을 구현할 수 있는 액체운송장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 액체운송장치는 일정 속도로 회전하는 오리피스를 통해 상온의 구리액체원료를 기화수단에 공급하는 구리액체원료 공급수단과, 구리 기화 온도가 유지된 운반가스를 제트 노즐을 통해 제트 분사하여, 상기 오리피스를 통해 상기 기화수단으로 공급되는 구리액체원료를 미세 방울로 형성시키는 운반가스 공급수단과, 상기 미세 방울은 상기 기화수단에서 기화되고, 기화된 구리 증기를 반응챔버에 분사시키기 위한 분사수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 반도체 소자의 화학기상증착법에 사용되는 종래 액체운송장치(bubbler)의 구성도.
도 2는 반도체 소자의 화학기상증착법에 사용되는 종래 액체운송장치(direct liquid injection; DLI)의 구성도.
도 3은 반도체 소자의 화학기상증착법에 사용되는 본 발명의 액체운송장치(liquid delivery system; LDS)의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 버블러11: 운반가스 유입라인
12: 캐니스터13: 금속액체원료
14: 기화가스 유출라인230: DLI 장치
20: 마이크로 펌프21: 제 1 밸브
22: 제 1 스텝핑 모터23: 제 1 피스톤
24: 제 1 실린더25: 제 2 밸브
26: 제 2 스텝핑 모터27: 제 2 피스톤
28: 제 2 실린더29: 제 3 밸브
30: 기화기31: 딜리버리 밸브
32: 메탈 디스크33: 히팅 존
100: 액체운송장치40: 구리액체원료 공급수단
41: 가압가스 유입라인42: 제 1 밸브
43: 캐니스터44: 구리액체원료
45: 제 2 밸브46: 구리액체원료 유출라인
47: 오리피스48: 회전수단
49: 모터50: 운반가스 공급수단
51: 운반가스 유입라인52: 제 1 MFC
53: 운반가스 유출라인54: 제 1 히팅 재킷
55: 제트 노즐56: 단열블럭
57: 실링수단60: 기화수단
61: 기화기62: 제 2 히팅 재킷
63: 히터64: 압력측정장치
65: 압력 펌프66: 트로틀 밸브
70: 분사수단71: 구리 증기 유입라인
72: 제 2 MFC73: 구리 증기 유출라인
74: 구리 증기 분사기75: 제 3 히팅 재킷
80: 반응챔버
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 반도체 소자의 제조 공정중 구리액체원료를 이용하여 금속-유기 화학기상증착법으로 구리층을 증착하기 위한 본 발명의 액체운송장치(liquid delivery system; LDS)의 구성도이다.
본 발명의 액체운송장치(100)는 구리액체원료 공급수단(40)과, 운반가스 공급수단(50)과, 기화수단(60)과, 분사수단(70)으로 구성된다.
구리액체원료 공급수단(40)은 구리액체원료(44)가 채워진 캐니스터(43)에 가압가스를 유입시키는 제 1 밸브(42)가 구비된 가압가스 유입라인(41)과, 유입라인(41)으로부터의 가압에 의해 구리액체원료(44)를 오리피스(orifice; 47)로 전달하는 제 2 밸브(45)가 구비된 구리액체원료 유출라인(46)으로 이루어진다. 가압가스는 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 가스를 이용한다. 오리피스(47) 상단에는 모터(49)에 의해 회전하는 회전수단(48)이 구비되어 있어 장치 동작시오리피스(47)는 회전하게 된다. 공급수단(40)은 모든 요소에서 상온을 유지하여야 한다.
운반가스 공급수단(50)은 유입라인(51)으로부터 유입된 운반가스의 흐름 량을 조절하는 제 1 유량 제어기(mass flow controller; MFC, 52)와, 제 1 MFC(52)로부터 운반가스를 제트 노즐(jet nozzle; 55)에 전달하며, 구리액체원료(44)가 기화되는 온도를 유지하기 위한 제 1 히팅 재킷(heating jacket; 54)으로 둘러싸인 운반가스 유출라인(53)과, 오리피스(47)와 운반가스 유출라인(53) 사이에서 제 1 히팅 재킷(54)의 열이 오리피스(47) 부분으로 전달되는 것을 방지하여 오리피스(47) 부분이 항상 상온으로 유지되도록 하는 단열블럭(56)과, 유출라인(53)을 통해 기화수단(60)의 기화기로부터의 진공 누출을 방지하기 위해 제트 노즐(55) 부분에 구비된 실링(sealing)수단(57)으로 이루어진다.
기화수단(60)은 오리피스(47)를 통과한 구리액체원료를 유출라인(53)의 제트 노즐(55)을 통해 제트 분사시킴에 의해 생성되는 구리액체원료의 초 미세 액체 방울을 기화시키기 위한 기화기(61)와, 기화기(61) 내부를 구리가 기화되는 온도로 유지되도록 기화기(61)의 측단에 설치된 제 2 히팅 재킷(62)과, 초 미세 액체 방울은 기화기(61)를 통과하면서 대부분 기화되는데, 미처 기화되지 못한 일부 초 미세 액체 방울을 기화시키기 위해 기화기(61)의 하단에 설치된 히터(heater; 63)와, 기화기(61)의 내부 압력을 일정하게 유지시켜 주기 위한 압력측정장치(64)와 트로틀 밸브(66)를 갖는 압력 펌프(65)로 이루어진다.
분사수단(70)은 기화수단(60)에서 기화된 구리를 운반가스와 함께 제 2MFC(72)로 전달시키는 구리 증기 유입라인(71)과, 제 2 MFC(72)에 의해 흐름 량이 조절된 구리 증기를 구리 증기 유출라인(73)을 통해 전달받아 반응챔버(80)에 구리 증기를 분사하기 위한 구리 증기 분사기(74)로 이루어진다. 구리 증기 유입라인(71)의 둘레에는 제 3 히팅 재킷(75)이 설치된다.
반도체 소자의 제조 공정중 구리액체원료를 이용한 금속-유기 화학기상증착법으로 웨이퍼에 구리층을 증착하기 위해, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 액체운송장치(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
구리액체원료(44)가 담겨있는 캐니스터(43)를 아르곤이나 헬륨가스를 이용하여 10 내지 200psi의 압력으로 가압시키면, 가압가스 유입라인(41)으로 가압되면서 구리액체원료 유출라인(46)으로 구리액체원료가 올라가 회전수단(48)에 의해 10 내지 1000rpm으로 회전하는 오리피스(47)에 전달된다. 이때 구리액체원료 유출라인(46)은 상온으로 유지되어야 한다. 아르곤, 헬륨, 수소 등의 운반가스가 운반가스 유입라인(51)을 통해 20 내지 1000sccm까지 가스 량을 조절할 수 있는 제 1 MFC(52)를 거치면서 가스 흐름 량이 조절되고, 조절된 운반가스는 운반가스 유출라인(53)을 통해 콘(cone) 형태의 제트 노즐(55)로 전달된다. 이때, 운반가스 유출라인(53)은 제 1 히팅 재킷(54)을 통해 구리액체원료가 기화되는 온도로 유지될 수 있도록 하여 이를 통해 기화기(61)로 분사되는 운반가스는 항상 그 온도가 유지된다. 이러한 운반가스는 제트 노즐(55)에 의해 고압으로 분사되며, 오리피스(47)를 통과하는 구리액체원료를 고압의 사이클론(cyclone) 형태로 기화기(61) 내부로 분사시킨다. 이때, 회전하는 오리피스(47) 부분은 단열블럭(56)에 의해 상온으로 유지된다. 분사된 구리액체원료는 초 미세 방울(액체 + 기체)로 되어 기화기(61) 내에 존재하게 되는데, 기화기(61)는 제 2 히팅 재킷(62)에 의해 구리가 기화되는 온도를 유지하고 있기 때문에 초 미세 방울이 기화기(61)를 통과하면서 대부분 기화하게 된다. 그러나 미처 기화되지 못한 일부 미세 방울은 기화기(61) 하단에 설치된 히터(63)에 의해 기화된다. 기화기(61)는 압력측정장치(64)에서 내부 압력을 모니터링(monitoring)되면, 압력 펌프(65)에 연결된 트로틀 밸브(66)에 의해 기화기(61) 내의 압력이 일정하게 유지되도록 한다. 제 2 히팅 재킷(62)과 히터(63)에 의해 기화된 구리 증기는 구리 증기 유입라인(71)과, 제 2 MFC(72)와, 구리 증기 유출라인(73)을 통해 구리 증기 분사기(74)로 전달되고, 전달된 구리 증기는 구리 증기 분사기(74)에 의해 웨이퍼가 장착된 반응챔버(80)에 분사된다. 구리 증기 유입라인(71)은 구리 증기가 다시 액체화되지 않도록 하기 위해 구리 기화 온도를 유지하기 위한 수단으로 제 3 히팅 재킷(75)이 구비되어 있으며, 또한 불완전 기화된 구리 부산물이 반응챔버(80)로 공급되는 것을 방지하기 위해 약 30도 이상의 각도, 바람직하게는 40 내지 70도의 각도로 위로 향하도록 설치된다. 구리 증기 유출라인(73)은 최대한 짧게 하여 컨덕턴스(conductance)를 좋게 하며, 그 길이는 5 내지 20cm 정도로 하며, 라인의 직경은 약 1/4"로 한다.
증착 공정이 완료되면, 압력 펌프(65)를 이용하여 기화기(61)를 진공상태로 유지한 후, 분위기 가스로 채워 놓는다.
한편, 상기한 본 발명의 액체운송장치(100)는 구리 뿐만 아니라 반도체 소자의 제조 공정에 널리 적용되는 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), TEOS 등의 산화물, BST등의 물질 등과 같은 기화하기 어려운 액체원료의 기화에도 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 액체운송장치는 종래의 액체운송장치(버블러 및 DLI 장치)에 비해 회전하는 오리피스를 통과시켜 콘 형태로 되어 있는 제트 노즐을 통해 운반가스를 제트 분사시켜 구리액체원료를 초 미세 입자로 형성시키므로써, 종래 기화기의 막힘 현상을 없애고, 높은 재현성을 구현할 수 있으며, 증착 속도를 높일 수 있어, 화학기상증착법을 이용한 구리 박막을 반도체에 적용을 가능하게 하며, 또한 기화장치를 최대한 단순화시켜 장비 관리 및 세정(cleaning)이 용이한 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 외부로부터 공급되는 원료를 기화시키기 위한 기화 수단;
    상기 기화 수단과 연결되고 모터에 의해 일정 속도로 회전하는 오리피스를 구비하며, 상기 오리피스를 통해 상온에서 액체원료를 사이클론 형태로 상기 기화 수단으로 공급하기 위한 액체원료 공급수단;
    상기 기화 수단과 연결되고 상기 오리피스의 둘레에 설치된 콘 형태의 제트 노즐을 구비하며, 상기 제트 노즐을 통해 상기 액체원료를 기화시킬 수 있는 온도의 운반가스를 고압으로 공급하되 상기 액체원료가 초미세 방울의 형태를 가지면서 고압의 사이클론 형태로 상기 기화 수단에 공급되도록 상기 운반가스를 공급하는 운반가스 공급 수단; 및
    상기 기화 수단에 의해 완전 기화된 원료 증기를 반응챔버 내부로 분사시키기 위한 분사 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체원료 공급수단은 상기 액체원료가 채워진 캐니스터와, 가압가스를 캐니스터에 유입시키는 가압가스 유입라인과, 유입라인으로부터의 가압에 의해 상기 액체원료를 상기 오리피스로 전달하는 액체원료 유출라인으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가압가스는 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 가스를 이용하며, 10 내지 200psi의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스의 회전 속도는 10 내지 1000rpm인 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반가스 공급수단은 운반가스의 유량을 조절하는 제 1 MFC와, 제 1 MFC로부터의 운반가스를 상기 액체원료의 기화 온도로 유지시키기는 제 1 히팅 재킷이 구비된 운반가스 유출라인과, 상기 오리피스에 제 1 히팅 재킷의 열이 전달되는 것을 차단하는 단열블럭과, 상기 제트 노즐에 상기 기화수단의 진공 누출을 방지하는 실링수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반가스는 아르곤, 헬륨, 수소 중 어느 하나를 사용하며, 상기 액체 원료에는 구리, 알루미늄, 탄탈륨, TEOS, 산화물, BST가 포함되는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기화수단은 상기 미세 방울을 기화시키는 제 2 히팅 재킷 및 히트가 구비된 기화기와, 상기 기화기의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 압력측정장치 및 트로틀 밸브를 갖는 압력 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 히팅 재킷은 상기 기화기의 내부 온도가 상기 액체원료의 기화 온도로 유지되도록 측단에 설치되고, 상기 히트는 상기 미세 방울 중 기화되지 못한 미세 방울이 기화되도록 상기 기화기의 하단에 설치된 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기화기의 내부 압력은 상기 압력측정장치에서 내부 압력이 모니터링 되면, 상기 압력 펌프에 연결된 상기 트로틀 밸브에 의해 압력을 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사수단은 상기 원료 증기가 그 상태로 유지되도록 제 3 히팅 재킷이 구비된 원료 증기 유입라인과, 상기 원료 증기 유입라인으로부터 유입되는 원료 증기 및 운반가스의 유량을 조절하는 제 2 MFC와, 제 2 MFC로부터의 원료 증기 및 운반가스를 상기 반응챔버에 분사하는 원료 증기 분사기로 전달하는 원료 증기 유출라인으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 원료 증기 유입라인은 불완전 기화된 원료 부산물이 상기 반응챔버로 공급되는 것을 방지하기 위해 40 내지 70도의 각도로 위로 향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 원료 증기 유출라인은 그 길이는 5 내지 20cm 정도로 하며, 그 직경은 약 1/4"로 하는 것을 특징으로 하는 액체운송장치.
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