KR100972112B1 - 배치 방식 반도체 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수개의 반도체 기판을 하나의 챔버 내에서 증착할 수 있는 배치 방식 반도체 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명은 복수개의 반도체 기판을 일괄 처리할 수 있으며, 챔버 내에 노출되는 부분이 작고, 가스의 잔존 시간을 감소시키며 불순물 발생을 억제하는 배치 방식 반도체 제조 장치를 제공한다. 이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 배치 방식 반도체 제조 장치는 복수개의 반도체 기판을 일괄 처리하는 배치 방식 반도체 제조 장치로서, 복수의 반도체 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급원과, 상기 복수의 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지부와, 상기 챔버의 벽에 지지되어 상기 반도체 기판에 가스를 분사하기 위한 복수의 인젝터와, 상기 가스 공급원과 상기 복수의 인젝터를 연결하는 복수의 가스 공급 라인을 포함하고, 상기 복수의 반도체 기판의 각각에는 가스의 수에 따라 확장되는 적어도 하나의 상기 인젝터가 대응하도록 마련되고, 상기 인젝터와 인접하여 구비되는 밸브에 의해 상기 복수의 반도체 기판에 분사되는 가스가 개별 제어된다.

Description

배치 방식 반도체 제조 장치 {BATCH TYPE SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 복수개의 반도체 기판을 하나의 챔버 내에서 증착할 수 있는 배치 방식 반도체 제조 장치에 관한 것이다.
일반적인 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정에서 TiN 박막을 증착할 경우, Ti의 소스 가스(source gas)로 사용되는 TiCl4 가스와 N의 소스 가스로 사용되는 NH3 가스를 동시에 흘린다. ALD(Atomic Layer Deposition) 공정의 경우에서는 TiCl4를 먼저 흘린 후, Ar이나 N2로 반응기 내부의 미반응 TiCl4 가스를 정화(purge)하고, NH3 가스를 흘리고 마지막으로 Ar이나 N2로 미반응 NH3 가스 및 반응 부산물을 정화하는 데, 이러한 1사이클의 과정이 반복되어 목표 두께의 TiN막을 형성한다.
이러한 CVD 또는 ALD 공정이 이루어지는 챔버 내에 상기 가스들은 인젝터 또는 샤워 헤드에 의해 흘려지게 된다. 기존의 단일 웨이퍼 챔버(single wafer chamber)에 사용하여 왔던 인젝터는 두 가지 가스가 섞이지 않고 챔버 안에 인입할 수 있도록 고안되어 있는데, 증착된 박막의 두께를 포함하여 박막 물성의 균일성을 위해 챔버에 노출되는 인젝터의 부위는 원형으로 구멍이 뚫려 있다. 이러한 인젝터 방식은 가스 도입을 층류 흐름(larminar flow)으로 제어하는 방식과는 달리 챔버의 윗부분에서 가스를 분사하여 가스가 기판 전면에 골고루 퍼지게 하여, 짧은 단계별 시간(step time)과 균일한 박막을 얻을 수 있었다. 그러나, 이러한 단일 웨이퍼 챔버로는 시간당 많은 수의 반도체 기판을 증착 처리할 수 없다는 단점 때문에, 근래에는 복수의 반도체 기판을 일괄 처리하여 생산성을 높이기 위해 배치 방식 반도체 제조 장치가 개발되었다.
도14는 종래의 배치 방식 반도체 제조 장치에 사용되는 샤워 헤드를 도시한다. 챔버내에 유입될 가스A 및 가스B는 개별 가스 주입관(106a, 106b)을 통하여 주 가스 주입관(107)에 유입 및 혼합된다. 주 가스 주입관(107)에 유입 및 혼합된 반응가스는, 주 가스 주입관(107)과 연결되고 챔버내에 장착된, 샤워 헤드(105)에 의해 공정 챔버 내부로 분사된다. 분사된 혼합 반응 가스는 챔버내의 기판 지지대(104)상에 위치된 반도체 기판(103)에 공급된다.
이러한 장치는 챔버 내부에서 샤워 헤드의 노출부위가 크기 때문에, 잔존하는 가스를 제거하기 위하여 각각의 가스 분사 단계 사이마다 정화가스(purge gas)를 분사하여 정화해야 하고 반응가스를 개별적으로 제어하는데 어려움이 있다. 즉, 챔버 내부에서 샤워 헤드의 노출 표면적이 인젝터의 경우보다 상당히 크기 때문에, 샤워 헤드에는 인젝터보다 가스가 잔존하거나 표면에 흡착되기 쉽다. 따라서, 샤워헤드를 사용하는 경우 이러한 가스를 제거하기 위하여 각각의 가스 분사 단계 사이마다 분사하는 정화가스의 양과 분사시간이 인젝터를 사용하는 경우보다 크고 길다. 결국 샤워헤드를 사용하면 단위시간당 생산되는 웨이퍼의 수가 줄어든다. 더욱이, 이러한 잔존 가스에 대한 충분한 정화가 이루어지지 않게 되면, 잔존가스들 사이의 반응에 의한 불순물이 파티클로 작용하기 때문에 박막의 질이 저하되어 제품의 품질이 저하되는 문제를 가져올 수 있다.
본 발명은 복수개의 반도체 기판을 일괄 처리할 수 있으며, 챔버 내에서 가스 노출 부분을 줄이면서 분사하여 반응 가스가 복수의 반도체 기판의 전면에 균일하게 도달하도록 하는 배치 방식 반도체 제조 장치를 제공한다.
본 발명은 가스의 잔존 시간을 감소시키고 불순물 발생을 억제하는 배치 방식 반도체 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배치 방식 반도체 제조 장치는 복수개의 반도체 기판을 일괄 처리하는 배치 방식 반도체 제조 장치로서, 복수의 반도체 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급원과, 상기 복수의 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지부와, 상기 챔버의 벽에 지지되어 상기 반도체 기판에 가스를 분사하기 위한 복수의 인젝터와, 상기 가스 공급원과 상기 복수의 인젝터를 연결하는 복수의 가스 공급 라인을 포함하고, 상기 복수의 반도체 기판의 각각에는 가스의 수에 따라 확장되는 적어도 하나의 상기 인젝터가 대응하도록 마련되고, 상기 인젝터와 인접하여 구비되는 밸브에 의해 상기 복수의 반도체 기판에 분사되는 가스가 개별 제어된다.
전술된 구성에 따른 본 발명의 배치 방식 반도체 제조 장치는 최적의 공정 조건을 확보하여 우수한 막질의 박막을 증착하고 공정 진행 속도를 향상시킬 수 있다. 인젝터를 챔버의 벽에 장착하여 챔버 내에 노출되는 부위를 작게 함으로써, 샤워 헤드가 갖는 문제점을 해결할 수 있다. 복수의 반응 가스를 독립적으로 정밀하게 조절하여 원하는 특성의 박막을 용이하게 얻을 수 있다. 또한 이러한 정밀하고 독립적인 가스 공급의 제어는 ALD 공정을 보다 용이하게 진행할 수 있다.
특히, 가스의 인입을 개폐할 수 있는 밸브를 인젝터 근처에 장착하면 밸브의 개폐시 유로가 짧아져 유량 제어가 쉽고, 잔류 가스가 존재하는 라인도 짧아져 가스의 역류가 억제되어 공정에 손실을 줄일 수 있다. 반도체 기판 상에 증착되는 박막의 균일성을 고려한 다양한 형태의 챔버 덮개와 격벽에 의해 챔버 내의 불필요한 공간을 감소시키고 도입 반응 가스 사이의 간섭을 감소시키며 기판들 사이의 독립성을 확보하여 제품의 품질을 향상시키고 생산성을 높일 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버 일부를 절개한 사시도.
도2는 도1과 유사한 장치로 주 공급 라인에서 분기되는 부 공급 라인에 의해 가스가 챔버로 공급되는 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버 일부를 절개한 사시도.
도3 및 도4는 도2에 도시된 장치에서 가스의 인입을 개폐하는 공압 밸브를 각각 주 가스 공급 라인 및 부 가스 공급 라인에 장착한 경우를 도시한 도면.
도5는 인젝터가 챔버의 상부벽에 장착된 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버의 단면도.
도6 내지 도9는 챔버 덮개가 각각 반구형, 원통형, 원추형 및 절두 원추형인 오목부를 포함하는 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버 덮개의 단면도.
도10은 챔버 내의 각 반도체 기판이 격벽에 의해 분리된 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버의 단면도.
도11은 챔버 내의 격벽이 상부벽에 설치된 것을 도시하는 단면도.
도12는 챔버 내의 격벽이 바닥벽에 설치된 것을 도시하는 단면도.
도13은 인젝터가 챔버의 측부벽에 장착된 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버의 단면도.
도14는 종래의 배치 방식 반도체 제조 장치의 샤워 헤드를 도시한 도면.
도1은 본 발명에 따른 배치 방식 반도체 제조 장치의 챔버 일부를 절개한 사시도이다. 도1에 도시된 본 발명의 장치는 (비록 하나만 도시되어 있으나) 복수의 반도체 기판(3)을 수용하는 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 가스를 공급하는 가스 공급원(2a, 2b)과, 반도체 기판(3)을 각각 지지하는 반도체 기판 지지부(4)와, 챔버(1)의 벽에 지지된 인젝터(5)와, 복수의 가스 공급원(2a, 2b)과 인젝터(5)를 연결하는 8개의 가스 공급 라인(6)과 도시되지 않은 가스 배출부를 포함한다. 반도체 기판을 지지하는 기판 지지부는 개별 기판 지지부에 하나의 기판을 지지할 수 있으며, 또한 하나의 넓은 기판 지지부에 복수개의 기판을 지지하도록 설계될 수도 있다. 가스 공급원은 각 공정에 맞추어 반응가스, 캐리어 가스, 정화가스등을 공급할 수있으며, 증착시키려는 박막에 따라 개수 및 특성이 정해지고 가스를 원활히 공급하기 위해 가스봄베, 밸브, 가스센서, 유량 콘트롤러, 제어기 등을 포함한다. 도1에는 챔버(1)에는 소스 가스(source gas) 및 정화 가스(purge gas) 두 가지가 가스 공급원(2a) 및 가스 공급원(2b)으로부터 각각 4개씩의 가스 공급 라인(6)을 거쳐 공급된다. 소스 가스 및 정화 가스를 각각 분사하는 한 쌍의 인젝터(5)는, 도5에 도시된 바와 같이, 각 반도체 기판(3)의 중심부에서 반도체 기판(3)을 대면하여 배열된다. 상기와 같은 구성에 의해 하나의 챔버(1) 내에서 다수의 반도체 기판(3)에 박막을 일괄적으로 증착시킬 수 있다. 비록 도1에서 공급 가스가 두 가지인 경우를 예로서 설명하고 있으나, 예를 들어 Si 증착의 경우와 같이 단원종의 박막을 증착시킬 경우 SiH4 가스 한 가지만 흘려준다. 공급 가스는 그 외에 세 가지 이상일 수도 있다. 그러므로 증착시키고자 하는 물질에 따라 도입되는 가스의 개수가 결정되며 도입 가스의 수에 따라 반도체 기판당 배치되는 인젝터의 수 및 배치가 정해진다.
도2는 가스 공급원(2a) 및 가스 공급원(2b)의 각각은 하나의 주 공급 라인(8)에 일 단부가 연결되고, 주 공급 라인의 타 단부에서는 챔버(1) 내에 배치되는 반도체 기판(3)의 개수만큼 부 공급 라인(9)으로 분기되어 가스가 챔버(1)로 공급되는 배치 방식 반도체 제조 장치를 도시한다. 분기된 복수의 부 공급 라인(9)은 복수의 인젝터(5)에 연결되어 챔버(1) 내에 가스를 공급한다.
가스 도입을 보다 정밀하게 조절하기 위해 가스의 인입을 개폐할 수 있는 밸브(10), 바람직하게는 공압 밸브가 가스 공급 라인(6), 주 공급 라인(8), 또는 부 공급 라인(9)에 장착될 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 밸브(10)가 주 공급 라인(8)에 장착된 경우, 밸브의 개수를 줄일 수 있어, 비용을 절감할 수 있다. 그러나, 이러한 경우 밸브(10)의 개폐시 유로가 길어져 유량 제어가 어렵고, 잔류 가스가 존재하는 라인이 길어져 가스의 역류가 발생할 경우 공정에 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 도4에 도시된 바와 같이, 밸브(10)가 인젝터 근처의 부 공급 라인(8)에 장착될 수 있다. 또한 가스 밸브와 함께 도시 되지 않은 유량 콘트롤러를 장착하여 챔버 내로의 가스 도입을 보다 더 정밀하게 제어할 수 있다.
도6 내지 도9는 하나의 인젝터(5)가 챔버 상부의 챔버 덮개(71, 72, 73, 74)에 부착되어 반도체 기판의 상부에서 가스를 흘리는 방식의 반도체 제조 장치의 챔버의 단면을 도시한다. 챔버 덮개(71, 72, 73, 74)의 챔버 내향 표면에는 도6의 반구형, 도7의 원통형, 도8의 원추형, 또는 도9의 절두 원추형 등의 오목부가 형성되고, 그 바닥부에 인젝터(5)가 설치되어 있다. 이러한 오목부는 증착 공정에 불필요한 챔버 내부의 공간을 줄일 수 있으며, 인접한 반도체 기판들 사이의 가스의 간섭을 방지하여 기판 상에 형성되는 박막의 균일성과 기판 사이의 독립성을 확보할 수 있다.
도10 내지 도12는 반도체 기판 사이에 격벽이 설치된 반도체 제조 장치의 단면을 도시한다. 반도체 기판과 기판 사이에 전체 또는 일부에 격벽을 설치한다. 즉, 도10과 같이 반도체 기판과 기판을 전체적으로 분리하기도 하며 도11 및 도12와 같이 챔버의 상부 또는 하부에 격벽을 설치하여 기판들을 분리한다. 이러한 격벽의 설치는 인접한 기판에 분사되는 반응 가스 사이의 간섭을 방지하여 기판 에지 영역에서 발생되는 박막 불균일성을 방지할 수 있으며 기판들 사이의 독립성을 확보할 수 있다.
이와 같이 인젝터(5)가 챔버 상부에 부착되어 반도체 기판의 상부에서 가스를 흘리는 방식이 설명되었으나, 본 발명의 반도체 제조 장치는, 도13에 도시된 바와 같이, 챔버(1)의 측벽에 인젝터(5)가 설치된 경우에도 적용될 수 있다.
1: 챔버
2a, 2b: 가스 공급원
3: 반도체 기판
4: 반도체 기판 지지대
5: 인젝터
6: 가스 공급 라인
8: 주 공급 라인
9: 부 공급 라인
10, 20: 공압 밸브
71, 72, 73, 74: 챔버 덮개
103: 반도체 기판
104: 기판 지지대
105: 샤워 헤드
106a, 106b: 가스 주입관
107: 주 가스 주입관

Claims (10)

  1. 복수개의 반도체 기판을 일괄 처리하는 반도체 제조 장치로서,
    챔버와,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    상기 복수의 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지부와,
    상기 챔버의 벽에 지지되어 상기 반도체 기판에 가스를 분사하기 위한 복수의 인젝터와,
    상기 가스 공급원과 상기 복수의 인젝터를 연결하는 복수의 가스 공급 라인을 포함하고,
    상기 반도체 기판의 각각에는 상기 복수의 인젝터가 대응하도록 마련되고, 상기 가스 공급 라인은 상기 가스 공급원에 연결된 주 공급 라인과 상기 복수의 인젝터에 각각 연결된 부 공급 라인을 포함하고,
    상기 부 공급 라인은 상기 복수의 반도체 기판의 수에 따라 상기 주 공급 라인에서 분기된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 공급 라인에 마련되어 가스의 인입을 개폐할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부 공급 라인의 각각에 마련되어 가스의 인입을 개폐할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부 공급 라인의 각각에 마련되어 가스의 인입을 개폐할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버의 벽에는 상기 복수의 인젝터가 장착되는 오목부가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 오목부는 반구, 원통형, 원추형 또는 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 챔버의 상부벽에 장착된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 반도체 기판의 측부에서 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 챔버의 측부벽에 장착된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
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