KR100516134B1 - Ｓｉｍｏｘ ｓｏｉ 웨이퍼 제조용 장치 - Google Patents

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KR100516134B1
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Abstract

본 발명은 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 일정한 간격으로 배치된 반도체 기판 내에 실리콘 산화막을 형성하기 위해서 1000 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리 공정을 진행하기 위해 마련된 수직 관상형의 고온 열처리 반응로들과, 상기 반도체 기판을 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수소 어닐링하기 위해 마련된 적어도 하나의 수직 관상형의 수소 열처리용 반응로를 포함하는 다중 열처리 수단과, 상기 반도체 기판 표면의 막질을 제거할 수 있는 식각용 반응기와, 상기 고온 열처리용 반응로와 상기 수소 열처리용 반응로 및 상기 식각용 반응기 사이에 배치되어 이들 사이에 반도체 기판을 로딩(Loading) 및 언로딩(Unloading)시키는 기판 이동장치를 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 SOI 절연막 형성공정과 실리콘 산화막 제거공정 및 스무드닝 공정을 장치 내에서 한 번에 진행할 수 있어 반도체 기판의 이동시간이 감소되어 공정처리 시간이 크게 절감되고, 반도체 기판의 오염 확률이 적어 제품 신뢰성이 높일 수 있다.

Description

ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ 웨이퍼 제조용 장치{Apparatus for manufacturing SIMOX SOI wafer}
본 발명은 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치에 관한 것으로서, 특히, 기지 실리콘 내의 SOI용 절연막 형성용 고온 열처리 공정과 스무드닝(Smoothening) 공정을 동일 장치 내에서 연속으로 진행할 수 있는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치에 관한 것이다.
소자가 극도로 고집적화 되면서 소자형성을 위한 선폭(Design rule)이 좁아지고, 이에 따라서 반도체 소자 하나의 점유 면적이 작아져서 트랜지스터와 같은 소자의 형성에 많은 문제점이 발생하고 있다. 즉, 메모리 소자가 형성된 셀영역의 NMOS 트랜지스터와, 주변회로 영역의 PMOS 및 NMOS 트랜지스터는 소정의 게이트 길이를 유지해야만 트랜지스터의 전기적인 특성을 확보할 수 있는데, 소자가 고도로 집적화 되면 쇼트 채널 효과(Short channel effect)와 함께 채널 하부의 벌크(Bulk) 영역에서 인접 소자들과의 사이에 발생하는 기생 트랜지스터 및 기생 캐패시터 문제, 그리고, 래치업(Latch-up) 현상 등으로 인하여 소자의 기능이 제대로 발휘되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 그 동안 소자 형성용으로서 일반 실리콘 단결정으로 형성된 반도체 기판을 사용하였으나, 이를 대치하여 SOI 웨이퍼를 적용하고자 많은 연구가 진행되어 왔다. SOI 웨이퍼는 실리콘으로 반도체 기판 내부에 실리콘 절연막이 개재되고 그 위에 다시 단결정 실리콘층이 형성되어 있는 실리콘(Silicon)/절연막(Insulator)/실리콘(Silicon)의 3층 구조를 가지고 있다. 이러한 SOI 웨이퍼는 소자가 형성될 실리콘 하부에 절연막이 형성되어 있어, 반도체 장치를 제조하면 인접 소자들과의 절연이 완벽하여 기존의 문제점으로 대두되는 래치업(Latch-up)이나 기생 파라메터(Parasitic parameter)등의 문제를 방지할 수 있다.
SOI 웨이퍼의 제조방법 중에서 현재 사용되고 있는 방법은 SIMOX 방법이다. 도 8은 SIMOX SOI 웨이퍼를 제조하는 공정을 순차적으로 나타낸 공정 흐름도이다. 이를 참조하면, 먼저 반도체 기판을 준비한다(S1). 그리고 반도체 기판 상에 소정의 패드 산화막을 형성하고 이온 주입법을 이용하여 소정 깊이에 Rp가 형성되도록 산소원자를 주입한다(S2). 반도체 기판을 고온 열처리 반응로에 넣고 소정시간 열처리하여 주입된 산소원자가 주변의 실리콘 원자와 결합하도록 하여 기지 실리콘 내부에 SOI 절연막으로서 소정 두께의 실리콘 산화막을 형성한다(S3). 그런 다음, 표면의 모든 산화막을 제거하고 기지 실리콘 표면을 평탄화하기 위해 스무드닝(H2 Smoothening)공정과 같은 후속 처리를 하여 SIMOX SOI 웨이퍼를 완성한다(S4). 이때, 열처리를 하는 공정에서는 고온 열처리 장치로서 수평 관상로(Horizontal furnace)를 이용하여 반도체 기판을 열처리한다.
이렇게 종래의 고온 열처리 장치에 의한 열처리는, 도 9에 도시된 바와 같이, 수평으로 길게 배치된 수용 공간을 가진 반응로 본체(1101)와, 이 반응로 본체(1101) 내부에 수용되어 복수의 반도체 기판(100)을 수직으로 세워서 배열하는 기판 로딩용 보트(1109)와, 반응로 본체(1101)를 둘러싸고 장착된 가열장치(1103) 및 반응로 본체(1101) 내부에 반응가스를 공급하는 가스 분사부(1107)를 포함한다. 이러한 종래의 열처리 장치는, 반도체 기판(100)이 반응로 내부에 수직으로 세워져 반도체 기판(100)에 대해서 수직으로 분위기 가스가 전달되기 때문에 분위기 가스의 균일성과 온도의 균일성이 떨어져 SIMOX SOI 웨이퍼의 제품 신뢰성이 손상을 입는다. 특히, 웨이퍼의 직경이 12인치 이상으로 증가하면, 반도체 기판(100) 표면에서의 온도나 분위기 가스의 균일성은 더욱 크게 악화되는 경향이 있다.
그리고 기존의 수평 관상로(Horizontal furnace)는 통상 하나의 반응로를 사용하여 공정을 진행하기 때문에, SIMOX SOI 웨이퍼를 제조하기 위해서 고온에서 열처리를 할 때 단위 시간당 공정에 필요한 시간이 많이 소요되어 제품 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 기판의 크기가 12 인치 이상으로 증가하여 반도체 기판의 단면적이 수배이상 넓어진다 하더라도, 공정 균일성을 양호하게 유지할 수 있는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치를 제공하는 것이다.
그리고 반도체 기판이 커져서 한 번에 처리할 수 있는 반도체 기판의 수가 감소한다 하더라도, 단위 시간당 처리할 수 있는 반도체 기판의 생산능력을 크게 향상시킬 수 있는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, 일정한 간격으로 배치된 반도체 기판 내에 실리콘 산화막을 형성하기 위해서 1000 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리 공정을 진행하기 위해 마련된 수직 관상형의 고온 열처리 반응로들과, 상기 반도체 기판을 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수소 어닐링하기 위해 마련된 적어도 하나의 수직 관상형의 수소 열처리용 반응로를 포함하는 다중 열처리 수단과, 반도체 기판 표면의 실리콘 절연막을 제거할 수 있는 식각 반응기, 및 고온 열처리용 반응로와 수소 열처리용 반응로와 식각용 반응기 사이에 배치되어 이들 사이에 반도체 기판을 로딩(Loading) 및 언로딩(Unloading)시키는 기판 이동장치를 포함한다.
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여기서, 고온 열처리용 반응로는, 1000 ℃ 내지 1400 ℃에서 열처리 공정이 진행될 수 있어, SIMOX SOI용 절연막을 형성하기 적절한 공정온도를 형성할 수 있어 바람직하다.
이러한 고온 열처리용 반응로는 일측이 폐쇄된 원통형으로서 내부에 통형의 수용부가 형성되어 이 수용부 외측으로 가열장치가 배치된 반응로 본체와, 반응로 본체 내에 수용되며 반도체 기판을 수평으로 배치하여 상하 길이방향으로 복수의 반도체 기판을 로딩(Loading)할 수 있는 반도체 기판용 보트와, 반응로 본체를 닫아 폐쇄공간을 형성하는 판 상의 도어와, 도어를 통해서 반응로 본체에 반응가스를 공급하는 가스공급장치를 포함한다.
가열장치는 열저항용 코일(Thermal resistant coil)을 적용하는 것이 균일한 온도 분포의 공정 분위기를 조성할 수 있다.
반도체 기판용 보트는, 반도체 기판의 외측 모서리를 적어도 일부분을 지지하도록 수평으로 슬롯들이 형성되어 있어 이동 중에도 반도체 기판을 안정적으로 지지한다.
상기 반응로 본체에 공급되는 반응가스는 불활성 가스(Inert gas)와 산화성 가스(Oxidant gas)를 포함하는 것이 열처리를 위한 균일한 열전도 분위기를 조성할 수 있어 바람직하다. 여기서, 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 헬륨(He) 중 적어도 어느 하나를 사용하거나 이들의 혼합가스를 사용할 수 있다. 그리고, 반응가스는 이에 더해서 산소(O2)와 같은 산화성 가스(Oxidant gas)를 포함할 수도 있다. 그러면, 고온 열처리 도중에 실리콘 산화막이 형성되면서 반도체 기판의 표면이 스트레스를 적게 받아 표면 결함을 줄일 수 있다.
수소 열처리용 반응로는, 반도체 기판의 표면 스무드닝(Smoothening)용 반응로이다. 이러한 수소 열처리용 반응로는, 공정가스로서 소정량의 수소(H2) 가스를 포함하는 것이 스무드닝 공정에 필수적이다. 그리하여, SIMOX SOI 웨이퍼의 표면 토폴로지(Topology)가 불량한 것을 깎아내어 평탄한 표면을 얻을 수 있는 공정을 진행할 수 있다.그리하여, 수소 열처리용 반응로는, 공정가스로서 소정량의 수소 가스를 공급하여 반도체 기판 표면의 기지 실리콘이 단차나 결함에 의해서 평탄도가 불량한 곳을 소정 깊이 식각하여 표면 거칠기(Surface roughness)를 향상시킬 수 있다. 상기 식각용 반응기는, 실리콘 산화막을 제거하기 위한 산화막 식각장치이다. 그리하여 하나의 장치에서 장치 밖으로 반도체 기판이 나오지 않고 연속적으로 다수의 공정을 진행 할 수 있다. 이러한 식각 반응기는 건식식각 장치로서, 기포 상의 불산(HF vapor)을 이용하여 산화막을 제거하는 불산 기포 식각장치(HF vapor etcher)일 수도 있고, 식각 반응기는 플라즈마(Plasma)를 이용한 건식식각용 공정챔버일 수도 있다.
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상기 식각 반응기는 습식식각 용액을 이용하여 산화막을 식각할 수 있는 적어도 하나의 습식식각용 배쓰(Bath)를 포함하여 용액을 이용하여 실리콘 산화막을 제거할 수 있다. 이때, 습식식각 용액은 불산(HF)을 포함하는 산화막 식각 용액이다.
습식식각용 배쓰는, 습식식각 용액과 세정 용액을 번갈아 공급 배출할 수 있는 케미칼 공급기와, 탈이온수(DI(deionized) water)를 공급 및 배출할 수 있는 DI 배급기; 및 반도체 기판 건조기를 포함하는 것이 반도체 기판 상의 실리콘 산화막제거공정을 한 장치 내에서 연속적으로 진행할 수 있어 공정 시간을 현저히 감소시킬 수 있다. 세정 용액은, 공정 용도에 따라서 황산(H2SO4), 염산(HCl) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판 이동장치는, 적어도 하나의 기판을 올릴 수 있는 평판형의 블레이드를 갖는 기판이동 아암과, 기판 이동아암과 연결되어 블레이드를 평면 회동 및 신축 이동을 시키는 제1아암 구동기와, 제1아암 구동기와 연결되어 아암을 직선운동 시키는 제2구동 아암기를 포함하고 있어, 반도체 기판을 수직 방향으로 들어올릴 수 있어 로딩(Loading) 및 언로딩(Unloading)이 용이하고, 회전 및 직선운동이 가능하여 각각 다른 위치에 있는 고온 처리용 반응로와 스무드닝 공정용 반응로에 반도체 기판들을 이동시킬 수 있다. 여기서, 블레이드 상에는 반도체 기판 모양으로 적어도 일부가 함몰 형성된 기판 포켓을 포함하고 있어 반도체 기판이 이동 중에 이탈하지 않고 안전하게 반도체 기판을 이동시킬 수 있다. 전술한 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, 다중 열처리 수단이 반도체 단결정막을 성장시킬 수 있는 에피 실리콘 성장용 반응기를 더 포함할 수 있다. 이러한 에피 실리콘 성장용 반응기(Epi-silicon reactor)는 화학 기상증착용 반도체 제조 장치이다. 이때, 증착되는 반도체 단결정막은 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 에피막으로 추후 SIMOX SOI용 웨이퍼가 스무드닝 공정이 끝나고 상부 실리콘층위에 형성되면, 웨이퍼의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
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또한, 수소 열처리용 반응로는 에피 실리콘 성장용 반응기를 사용할 수도 있다. 그리하여, 하나의 반응로 내에서 스무드닝 공정과 같은 수소 열처리(H2 annealing)공정과 단결정 에피 실리콘 성장공정을 번갈아 가면서 진행할 수 있다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, 수직 관상형의 고온 열처리 반응로가 복 수 개가 배치되어 있어, 공정 균일도를 향상시키고, 한번에 처리할 수 있는 반도체 기판의 수가 증가하여 생산능력을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고 수소 어닐링용 반응로와 식각용 반응기가 더 포함되어 있어 반도체 기판이 외부로 나오지 않고 연속적으로 공정을 진행할 수 있어, 공정 시간을 절감하고 외부환경과의 접촉시간이 적으므로 표면 오염 확률도 적어져 고품질의 SIMOX SOI 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, Si-Ge 에피막을 한 장치에서 연속적으로 형성할 수 있어, Si-Ge 에피막이 형성된 SIMOX SOI 웨이퍼를 하나의 장치에서 모두 진행할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치를 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 개략 사시도이다.
이들을 참조하면, 본 발명에 따른 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, 소정의 배열로 복수개가 배치되어 있고 반도체 기판(100)을 수평으로 로딩하여 공정을 진행하는 수직 관상형(Vertical furnace type)의 고온 열처리 반응로(11)와 고온에서 수소 어닐링(H2 annealing) 하기 위해 마련된 수소 열처리용 반응로(13)를 포함하는 다중 열처리 수단과, 이들 고온 열처리 반응로들(11)과 수소 열처리용 반응로(13)에 반도체 기판들(100)을 로딩 및 언로딩(Loading/Unloading)할 수 있도록 배치된 기판 이동장치(30)를 포함한다. 그리고 반도체 기판(100)을 외부로부터 장치 내로 로딩(Loading)하기 위한 로딩 챔버(20)를 포함한다. 실질적으로는, 열처리 반응로들(11,13)은 상하로 분리되어 상부는 고온 공정을 진행하는 공정진행 영역이고, 하부는 반도체 기판(100)을 로딩 및 언로딩(Loading/Unloading)하고 이동시키는 일종의 트랜스퍼 공간(미도시)을 형성한다. 이러한 트랜스퍼 공간은 고도의 청정도가 유지되는 청정 공간으로서 내부를 진공상태로 유지할 수도 있다. 그리고 각 고온 반응로들(11,13)과 로딩 챔버(20)와의 사이에 로드락 시스템(Load-lock system)으로 구성될 수 있다. 도 2에서 참조번호 15는 후술하는 바와 같이 식각 반응기를 나타낸다.
도 3은 고온 열처리 반응로와 수소 열처리용 반응로를 나타낸 반응로 내부를 설명하기 위해서 절개하여 나타낸 개략 단면도이다.
이를 참조하면, 먼저, 본 발명의 고온 열처리 반응로(11)는, SIMOX SOI 웨이퍼를 제조하기 위해서 반도체 기판 상에 산소(O2) 이온 주입을 한 후, 이를 고온 열처리하여 반도체 기판의 소정 깊이에 SOI용 절연막(실리콘 산화막)을 형성하기 위해서 적용되는 열처리용 반응로로서, 공정온도가 1000 ℃ 내지 1400 ℃에서 SIMOX SOI 열처리 공정을 진행한다.
이러한 고온 열처리 반응로(11)는, 일측이 폐쇄된 원통형으로서 내부에 원통형의 공간이 형성되는 소정의 수용부(101a)를 포함하는 반응로 본체(101)를 포함한다. 그리고 이 수용부(101a)를 둘러싸고 외측으로 수용부(101a) 내부를 가열할 수 있도록 가열장치(103)가 반응로 본체(101)에 함입되어 있다. 그리고 외부에서 로딩되는 복수의 반도체 기판들(100)을 수평으로 로딩하여 수용부(101a) 내에 수용 배치되는 반도체 기판용 보트(109)와, 반응로 본체(101)의 일측의 개방된 부분을 닫아 수용부(101a)를 밀폐된 공간으로 형성하는 판 상의 도어(105) 및 반응로 본체(101)의 수용부(101a) 내로 반응가스를 공급하는 가스공급장치(40)를 포함한다.
수용부(101a)는 원기둥형으로 형성되어 상부가 폐쇄되어 있고 하부는 개방되어 있는 원통형 상이다. 그리고 수용부(101a)의 외형과 비슷하게 형성되어 상부는 폐쇄되고 하부는 개방된 수용부(101a)의 내벽을 따라서 석영이나 실리콘 카바이드(SiC)로 만들어진 내장 반응관(102,Inner tube)이 설치되어 있다.
가열장치(103)는, 램프 가열방식과 저항형 코일 방식을 사용하는 데, 특히 고온 공정용에서는 관상형의 수용부(101a)를 가진 반응로에서는 길이방향으로 배치된 가열공간을 광역에 걸쳐서 온도의 균일성을 위해서 저항형 코일을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 가열장치(103)는 반도체 기판이 로딩되는 수용부(101a) 내부를 1000 ℃ 내지 1400 ℃ 이상으로 가열할 수 있다. 그리하여, SIMOX SOI 용 절연막을 비교적 고온에서 진행되는 SIMOX SOI 용 절연막 형성공정을 용이하게 진행할 수 있다.
반도체 기판용 보트(109)는, 정확히 도시되지는 않았지만 판 상의 지지판(1092) 위에 적어도 3개의 지지기둥(1091)이 중심에 원통형 공간을 이루도록 배치되어 있고, 이들 지지기둥(1091)에는 반도체 기판(100)을 수평으로 올려놓을 수 있도록 반도체 기판(100)의 양측 단부를 걸칠 수 있도록 슬롯들(109a)이 형성되어 있다. 이러한 슬롯(109a)은, 반도체 기판(100)이 상하 수직 방향을 따라서 지지기둥(1091)들에 소정 간격을 이격하여 적층 배치되도록 일정한 간격으로 형성되어 있다. 그리고 반도체 기판용 보트는 하향 이동할 수 있도록 구동장치가 연결되어 있어, 반도체 기판을 로딩(Loading) 또는 언로딩(Unloading)할 때는, 반응로 본체(101)로부터 분리되어 하부로 내려와 트랜스퍼 공간에 위치한다. 그리고 공정을 진행할 때는 수용부(101a)내로 기판 로딩용 보트(109)가 진입하여 수용되고 밀폐된 상태에서 공정을 진행한다.
도어(105)는 원형 판상으로 형성되어 있고, 수용부(101a) 내부로 향하는 내측은 기판 로딩용 보트(109)와 연결되어 있다. 그리하여, 기판 로딩용 보트(109)를 외부로 인출시킬 때는, 도어(105)도 같이 일체로 이동하게된다. 도어(105)의 판 면에는 소정의 가스 연결관(106)이 관통되어 설치되어 있고, 더불어 가스 배기관(미도시)이 설치되어 있어 반응가스를 반응로 내부로 유입시키고 배출시킬 수 있다.
가스공급장치(40)는, 판 상의 도어(105)를 관통하여 연결된 가스 연결관(106)과, 이 가스 연결관(106)의 단부에 연결되어 내부로 돌출된 가스 분사부(107)를 포함한다. 가스 분사부(107)를 통하여 수용부(101a) 내로 균일하게 반응가스가 공급된다. 반응가스로서는 분위기 가스 및 어닐링 가스로서 사용되는 불활성 가스가 포함되어 있고, 추가 가스로는 의도적으로 반도체 기판(100) 표면에 실리콘 산화막을 형성하면서 어닐링될 수 있도록 산화성 가스(Oxidant gas)를 포함할 수 있다. 이때, 불활성 가스로는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이들 중 적어도 두 개의 가스를 적정 비율로 혼합한 혼합가스를 사용할 수도 있다. 산화성 가스로는 산소(O2) 가스를 사용한다. 또한, 가스공급장치(40)는 수소 열처리용 반응로(13)에 수소 가스 공급을 위해서 수소가스 저장고를 포함하고 있다.
로딩 챔버(20)는, 복수의 반도체 기판(100)을 수용하는 카세트(100a)를 올려놓을 수 있는 카세트 지지대(미도시)와, 카세트(100a) 내의 반도체 기판(100)을 기판 이동 장치(30)에 이동시키는 기판 이동용 로봇(21)을 포함한다.
기판 이동 장치(30)는, 적어도 하나의 반도체 기판(100)을 올릴 수 있는 평판 형의 블레이드(311)를 갖는 기판이동 아암(31)과, 이 기판 이동아암(31)과 연결되어 블레이드(311)를 평면 회동 및 신축 이동을 시키는 제1아암 구동기(33)와, 이 제1아암 구동기(33)와 연결되어 아암(31)을 상하 및 직선운동 시키는 제2구동 아암기(35)를 포함한다. 그리하여, 로딩 챔버(20)로부터 반도체 기판(100)을 블레이드(311)상에 이동시켜 각 열처리 반응로들(11,13)에 이동시킬 수 있다. 한편, 블레이드(311) 상에는 반도체 기판(100) 모양으로 적어도 일부가 함몰 형성된 기판 포켓(미도시)을 포함하고 있어 반도체 기판(100)을 블레이드(311) 상에 얹고 이동시 이탈을 방지할 수 있다.
수소 열처리용 반응로(13)는, 실질적인 구조는 전술한 고온 열처리 반응로(11)와 동일하고, 다만, 공급되는 반응가스에 수소가스(H2)가 포함되어 있고, 반응가스로 사용되는 수소의 특성 때문에 안전장치 및 가스 배출에 있어서 훨씬 안전한 가스 스크러버(미도시)를 사용한다는 점이 다르다. 이러한 수소 열처리용 반응로(13)는, SIMOX SOI 웨이퍼를 열처리하여 SOI용 절연막을 형성한 후에, 상부에 배치된 기지 실리콘 표면을 고르게 정리해주는 공정이다. SOI 절연막을 형성하기 위해서 고온 열처리를 한 후에는, 초기에 이온 주입으로 인하여 발생된 결함들과 고온 열처리에 의해서 표면이 변형되어 표면 평탄도가 매우 불량한 상태이다. 그리하여, 고온 상태에서 수소가스를 공급하여 열처리를 하면, 불완전하게 결합된 실리콘 원자들은 수소 가스와 결합되어 기상으로 날아가거나 보다 안정된 사이트로 이동하여 안착하면서, 표면의 거칠고 불완전한 부분은 수소 가스에 의해서 분리 식각되어 떨어져 나가고 결함이 없는 부분은 남아 결국 표면의 평탄도가 양호해진다. 이러한 수소 열처리용 반응로(130)는, 통상 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 공정을 진행하는 것이 공정의 효율성을 높일 수 있고, 반응로의 수용부(101a) 내에서 고온을 받는 석영이나 실리콘 카바이드로 형성된 부품들의 수명을 건전하게 유지할 수 있어 바람직하다.
그리고 다중 열처리 수단은, 전술한 고온 열처리용 반응로(11)와 수소 열처리용 반응로(13)와 함께 단결정 실리콘을 성장시킬 수 있는 에피 실리콘 성장용 반응기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 고온 열처리용 반응로(11)들 중 어느 하나에 에피 실리콘 성장용 반응기를 설치하는 것이다. 에피 실리콘 성장용 반응기는 화학기상 증착법(CVD)을 이용하여 반도체 단결정층을 형성하는 증착 장치로서, Si-Ge 단결정층을 형성하는 장치이다. Si-Ge 단결정층을 형성하는 방법은, 반응기 내부를 소정온도 이상으로 가열한 후, 반응가스로서 실리콘 소스가스(Si source gas)와 게르마늄 소스 가스(Ge source gas)를 공급하면, 반도체 기판 상에 Si-Ge 에피막이 형성된다. 그리하여, SIMOX SOI 절연막이 형성된 반도체 기판(100) 상에 Si-Ge 에피막을 성장시킬 수 있다.
한편, 이러한 수소 열처리용 반응로(13)는, 에피 실리콘을 성장시키기 위해서 적용되는 에피 실리콘 성장용 화학기상 증착 반응기(Epi silicon reactor, 이하 에피 리액터)를 적용할 수 있다. 에피 리액터는, 반응로(109) 내부의 압력을 저압으로 조절할 수 있는 진공장치(미도시)가 더 포함되어 있다. 반응로(109) 내부에 캐리어 가스(Carrier gas)로서 다량의 수소를 공급할 수 있고, 반응로(109) 내의 온도도 1200 ℃ 이상까지 가열할 수 있는 가열장치가 마련되어 있다. 이러한 장치 조건은, 스무드닝(Smoothening) /공정을 위한 수소 열처리를 진행할 수 있을 뿐만 아니라, 반응가스로서 실리콘 소스가스(Si source gas)와 게르마늄 소스 가스(Ge source gas)를 공급하면, 반도체 기판 상에 Si-Ge 에피막을 형성한다. 그리하여, 스무드닝 공정이 완료된 후, 동일 반응로 내에서 반도체 기판(100) 상에 Si-Ge 에피막을 성장시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 다른 실시예를 나타낸 개략도이다. 이를 참조하면, 복수의 고온 열처리 반응로들(11)과 적어도 하나의 수소 열처리용 반응로(13)를 포함하는 다중 열처리 수단이 배치되어 있고, 반도체 기판(100) 상에 형성된 실리콘 절연막을 식각 제거하기 위한 식각 반응기(15) 및 이들 고온로들(11,13)과 식각 반응기(15) 사이에 개재되어 반도체 기판(100)을 이동시키는 기판 이동장치(30)를 포함한다.
여기서, 고온 열처리 반응로(11)와 수소 열처리용 반응로(13) 및 기판 이동장치(30)는 전술한 도 1의 실시예와 동일하여 도 1에 대한 상기의 설명을 참조하면 되므로, 하기에서는 식각반응기(15)에 대해서만 설명을 한다.
식각 반응기(15)는, 고온 열처리 반응로(11)와 수소 열처리 반응로(13) 사이에 개재되어 있다. 고온 열처리 반응로(11)에서 SOI용 산화막이 형성되면, 후속공정으로 수소 열처리용 반응로(13)에서 스무드닝(Smoothening) 공정을 진행하기 이전에 반도체 기판(100) 상에 이전 공정에서 형성되었던 실리콘 절연막을 제거하여 기지 실리콘을 노출시키는 공정을 진행하여야 한다. 식각 반응기(15)에서, 이러한 실리콘 질화막 공정을 진행한다.
식각 반응기(15)는, 실리콘 절연막 중에서도 실리콘 산화막을 제거하기 위하여 건식식각법을 사용하는 건식식각용 반응챔버 타입(도 5a)과 식각용액을 이용하는 습식식각용 배쓰 타입(5b) 중 어느 하나를 적용할 수 있다.
도 5a는, 건식식각법을 이용한 식각 반응기(15)를 나타낸 개략도이다.
이를 참조하면, 식각반응기(15)는, 적어도 하나의 반도체 기판(100)을 올려놓을 수 있는 기판 지지대(151)를 갖는 반응챔버(150)와, 이 반응챔버(150) 내로 반응가스를 공급하는 가스 공급기(157) 및 반응챔버(150) 내에서 반응이 끝나고 배출되는 가스를 처리하는 배출장치(159)를 포함한다.
가스 공급기(157)는 액상의 불산(HF)을 공급하는 불산 저장고(157a)와 탈이온수(DI water)를 공급하는 DI 저장고(157b) 및 이들 불산(HF)과 탈이온수(DI water)를 적당한 비율로 혼합하여 반응챔버(150) 내로 공급하는 가스 혼합기(157c)를 포함한다.
반응챔버(150)는 반응챔버(150)의 외측으로 반응챔버(150) 내부를 소정온도 이상으로 가열할 수 있는 히터(153)와, 가스 공급기(157)로부터 공급되는 반응가스를 원활하게 분사하기 위해 반응챔버(150) 내측으로 형성된 가스 분사부(155)를 포함한다. 그리하여, 가스 분사부(155)는 반응챔버(150) 내로 증기화(Vaporizing)된 반응가스를 원활하게 공급하고, 히터(153)는 반응챔버(150) 내를 일정온도 이상으로 유지시켜 공급된 혼합가스가 액화되지 않고 기상으로 반응할 수 있도록 하여 반응성을 향상시킨다.
도 5b는, 식각 반응기의 다른 실시예로서 습식식각법을 이용한 배쓰형 식각 반응기(Bath type wet etcher)의 개략도이다.
이를 참조하면, 식각 반응기(15)는, 일측에 유체 유입구 및 배출구(155)를 갖고 액상의 식각용액을 담을 수 있는 통형상의 배쓰본체(150)와, 유체 유입구 및 유체 유출구(155)에 마련되어 유체의 출입을 통제하는 유체차단기(155) 및 상기 유체 유입 및 유출구(155)와 연결되어 소정의 식각용 케미칼을 공급하는 케미칼 공급기(157)를 포함한다.
배쓰본체(150)는, 복수의 반도체 기판(100)을 수용할 수 있는 기판 캐리어(151)와, 이 기판 캐리어(151)를 지지하는 캐리어 지지부(150a)를 포함한다. 여기서, 기판 캐리어(151)는 상부와 하부가 관통되어 있어 유체가 상하로 관통하여 통과할 수 있고, 반도체 기판(100)을 수직으로 세워서 배치되도록 복수의 슬롯(미도시)이 형성되어 있다. 또한, 배쓰본체(150)의 외측으로는 히터(153)가 장착되어 있어, 배쓰(150) 내부를 소정 온도 이상으로 가열할 수 있다. 그리하여, 케미칼을 소정온도 이상 가열하여 반응성을 향상시킬 수 있다.
유체 차단기(155)는, 배쓰(150) 내부로 유입되거나 유출되는 상태를 적절하게 차단하는 장치로서, 신속하고 정확한 작동을 위해서 통상 솔레노이드 방식의 밸브(Solenoid valve)를 사용한다. 그리하여, 케미칼을 공급하거나 배출할 때는 개방 상태가 되고, 공정을 진행할 때는 소정 시간 패쇄 상태가 된다. 그리고 반복 공정을 진행할 때는, 일정시간을 두고 개방과 폐쇄를 반복할 수 있다.
케미칼 공급 장치(157)는, 케미칼 종류에 맞춰서 복수의 케미칼 저장고(157a,157b,157c,157e,157e)를 포함한다. 케미칼은, 실리콘 산화막 식각용으로 불산 용액(HF)을 포함하고, 그 밖에 후속 세정용으로 황산(H2SO4), 염산(HCl), 수산화암모늄(NH4OH)용액을 포함할 수 있다. 그리하여, 식각공정 이후에 세정공정을 추가로 진행할 수 있다. 그리고 케미칼 공급 장치(157)는, IPA 건조기용으로서 건조 용액으로 IPA를 더 포함하여 배쓰본체(150)의 히터(153)와 조합되어 하나의 반도체 기판 건조기로서 역할을 하므로, 하나의 배쓰(150)에서 반도체 기판 건조공정(Drying process)까지 순차적으로 완성할 수 있다.
한편, 케미칼 공급기(157)에는, 탈이온수(DI water)를 공급하는 탈이온수 공급기(157e)가 연결되어 있어, 배쓰본체(150) 내에 소정의 탈이온수를 공급할 수 있는 기능을 할 수도 있다. 이러한 탈이온수 공급기(157e)는 필요에 따라서 케미칼 공급기(157)와는 별도로 마련되어 배쓰본체(150) 내에 독립적으로 탈이온수를 공급할 수도 있다.
이상과 같은 구성을 가진 본 발명은, SOI 형성용 열처리 공정을 위해서 수직관상로를 사용하고 고온 열처리 반응로(11)가 복 수 개가 마련되어 있어 공정의 신뢰도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 생산성을 향상시킬 수 있다. 그리고 반도체 기판(100)을 스무드닝 할 수 있는 수소 열처리용 반응로(13)가 포함되어 있어 하나의 장치에서 두 개의 공정을 진행할 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예로서 식각 반응기(15)를 더 포함하면, SOI 절연막 형성공정과 실리콘 산화막 제거공정 및 스무드닝 공정을 장치 내에서 한 번에 진행할 수 있어 반도체 기판(100)의 이동시간이 감소되어 공정처리 시간이 크게 절감된다. 그리고 반도체 기판(100)의 오염 확률이 적어 제품 신뢰성이 높은 SIMOX SOI 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 다른 실시예로서, 다중 열처리 수단에 별도의 에피 실리콘 반응기(Epi reactor)를 포함하거나, 수소 열처리용 반응로(13)로서 에피 리액터를 적용하면, 스무드닝 공정뿐만 아니라, Si-Ge 에피 성장공정도 진행할 수 있기 때문에, SIMOX SOI 웨이퍼 상에 Si-Ge 에피막이 형성된 고품질의 SIMOX SOI 웨이퍼를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 반응로 및 식각 반응기의 배치의 다른 실시예를 나타낸 개략도이다. 이를 참조하면, 열처리 반응로들(11,13)이 중앙의 기판 이동 장치(30)를 중심으로 등거리의 원형으로 배치된다. 그리고 일측에는 로딩 챔버(20)가 마련되어 있어, 반도체 기판(100)을 기판 이동장치(30)에 이동시키면, 반도체 기판(100)을 등거리에 있는 각 열처리 반응로(11,13) 및 식각 반응기(15)에 이동시킬 수 있어, 기판 이동장치(30)의 구조를 간편하게 구성할 수 있다. 여기서, 열처리 반응로들(11,13) 중 어느 하나는 에피 리액터로 대체될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 또 다른 실시예로서, 열처리 반응로들(11,13)과 식각반응기(15)가 길이방향으로 이열로 배치되어 있고, 로딩 챔버(20)는 길이 방향의 양측으로 적어도 하나씩 설치되어 있다. 그리고 이들 이열로 배치된 열처리 반응로들(11,13) 및 식각 반응기(15) 사이의 중앙에 길이방향으로 직선이동 할 수 있도록 레일(미도시)이 형성되어 그 위에 기판 이동장치(30)가 설치되어 있다, 그리하여, 반도체 기판(100)을 로딩 챔버(20)로 부터 기판 이동장치(30)를 통해서 각각의 열처리 반응로들(11,13)과 식각 반응기(15)에 이동시킬 수 있다. 이러한 구성을 가진 장치는, 보다 많은 복수의 열처리 반응로(11,13)를 배치시킬 수 있고, 그에 대한 반도체 기판(100)의 처리 능력도 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 여기서, 열처리 반들 중 적어도 어느 하나는 에피 리액터로 대체될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, SOI 절연막 형성용 열처리 공정을 위해서 수직 관상로(Vertical furnace)를 사용하고 고온 열처리 반응로가 복수개가 마련되어 있어, 반도체 기판의 크기가 12인치 이상으로 증가하더라도 공정의 신뢰도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
그리고 반도체 기판 스무드닝(Smoothening) 공정용의 수소 열처리용 반응로가 포함되어 있어 하나의 장치에서 두 개의 공정을 진행할 수 있다.
또한, 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치는, 식각 반응기를 더 포함하면, SOI 절연막 형성공정과 실리콘 산화막 제거공정 및 스무드닝 공정을 장치 내에서 한 번에 진행할 수 있어 반도체 기판의 이동시간이 감소되어 공정처리 시간이 크게 절감되고, 반도체 기판의 오염 확률이 적어 제품 신뢰성이 높일 수 있다.
그리고 다중 열처리 수단에 에피 실리콘 성장용 반응기를 별도로 마련하거나 수소 열처리 반응로로서 에피 실리콘 성장용 반응기를 적용하면, SIMOX SOI 웨이퍼 상에 Si-Ge 에피막을 형성할 수 있어, SIMOX SOI 웨이퍼의 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 반응로를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 다른 실시예를 나타낸 평면 개략도이다.
도 5a 내지 5b는 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치에 포함된 식각 반응기의 실시예들을 나타낸 개략도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치의 다른 실시예들을 나타낸 개략도이다.
도 8은 SIMOX SOI 웨이퍼를 제조하기 위한 개략적인 공정 흐름도이다.
도 9는 종래의 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 고온 열처리 장치의 개략 단면도이다.

Claims (39)

  1. 삭제
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  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 일정한 간격으로 배치된 반도체 기판 내에 실리콘 산화막을 형성하기 위해서 1000 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리 공정을 진행하기 위해 마련된 수직 관상형의 고온 열처리 반응로들과, 상기 반도체 기판을 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수소 어닐링하기 위해 마련된 적어도 하나의 수직 관상형의 수소 열처리용 반응로를 포함하는 다중 열처리 수단;
    상기 반도체 기판 표면의 막질을 제거할 수 있는 식각용 반응기; 및
    상기 고온 열처리용 반응로와 상기 수소 열처리용 반응로 및 상기 식각용 반응기 사이에 배치되어 이들 사이에 반도체 기판을 로딩(Loading) 및 언로딩(Unloading)시키는 기판 이동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서, 상기 고온 열처리용 반응로는,
    일측이 폐쇄된 원통형으로서, 내부에 통형의 수용부가 형성되어 이 수용부 외측으로 가열장치가 배치된 반응로 본체;
    상기 반응로 본체 내에 수용되며 반도체 기판을 수평으로 배치하여 상하 길이방향으로 복수의 반도체 기판을 로딩할 수 있는 반도체 기판용 보트;
    상기 반응로 본체를 닫아 폐쇄공간을 형성하는 판 상의 도어; 및
    상기 도어를 통해서 상기 반응로 본체에 반응가스를 공급하는 가스공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 가열장치는 열저항용 코일(Thermal resistant coil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 반도체 기판용 보트는, 반도체 기판의 외측 모서리를 적어도 일부분을 지지하도록 수평으로 슬롯들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  21. 제18항에 있어서, 상기 반응가스는 불활성 가스(Inert gas)와 산화성 가스(Oxidant gas)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 헬륨(He) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 수소 열처리용 반응로는, 반도체 기판의 표면 스무드닝(Smoothening)용 반응로인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  24. 제16항에 있어서, 상기 수소 열처리용 반응로는, 공정가스로서 소정량의 수소(H2) 가스를 포함하는 것을 특징으로 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  25. 삭제
  26. 제16항에 있어서, 상기 식각용 반응기는, 실리콘 산화막을 제거하기위한 식각장치인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 식각 반응기는 건식식각 장치인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 식각 반응기는 기포 상의 불산(HF vapor)을 이용하여 산화막을 제거하는 불산 기포 식각장치(HF vapor etcher)인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 식각 반응기는 플라즈마를 이용한 건식식각용 공정챔버인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 식각 반응기는 습식식각 용액을 이용하여 산화막을 식각할 수 있는 적어도 하나의 습식식각용 배쓰(Bath)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 습식식각 용액은 불산(HF)을 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 습식식각용 배쓰는,
    복수의 반도체 기판을 수용할 수 있는 기판 카세트와, 상기 기판 캐리어를 지지하는 지지부를 갖고, 소정의 케미칼을 담을 수 있는 통형상의 배쓰본체;
    상기 배쓰본체의 일측에 형성되어 상기 배쓰본체 내로 유체를 출입시키는 유체 유입구 및 유체 유출구;
    상기 유체 유입구 및 유체 유출구에 마련되어 유체의 출입을 통제하는 유체차단기;
    상기 유체 유입 및 유출구와 연결되어 상기 배쓰본체 내에 소정의 식각용 케미칼 및 세정용 케미칼을 공급하는 케미칼 공급기;
    DI 워터를 공급 및 배출할 수 있는 DI 배급기; 및
    상기 반도체 기판 건조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 식각용 케미칼은 불산(HF)을 포함한 산화막 식각용액(Oxide etchant)을 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 세정용 케미칼은, 황산(H2SO4), 염산(HCl) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  35. 제16항에 있어서, 상기 기판 이동장치는,
    적어도 하나의 기판을 올릴 수 있는 평판형의 블레이드를 갖는 기판이동 아암;
    상기 기판 이동아암과 연결되어 상기 블레이드를 평면 회동 및 신축 이동을 시키는 제1아암 구동기; 및
    상기 제1아암 구동기와 연결되어 상기 기판 이동아암을 직선운동 시키는 제2구동 아암기를 포함하는 것을 특징으로 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 블레이드 상에는 반도체 기판 모양으로 적어도 일부가 함몰 형성된 기판 포켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  37. 제16항에 있어서, 상기 다중 열처리 수단은 반도체 단결정막을 성장시키는 에피 실리콘 성장용 반응기(Epi-silicon reactor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  38. 제16항에 있어서, 수소 열처리용 반응로는 반도체 단결정막을 성장시키는 에피 실리콘 성장용 반응기(Epi-silicon reactor)인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
  39. 제37항 또는 제38항에 있어서, 상기 반도체 단결정막은 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 에피막인 것을 특징으로 하는 SIMOX SOI 웨이퍼 제조용 장치.
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