JP2016039355A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板を効率的に処理するための基板処理装置及び基板処理方法が提供される。
【解決手段】本発明の一実施形態による基板処理方法は酸化層が形成された基板を提供する段階と、前記酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して副産物層に置換させる段階と、前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する段階と、を含む。
【選択図】図３
【解決手段】本発明の一実施形態による基板処理方法は酸化層が形成された基板を提供する段階と、前記酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して副産物層に置換させる段階と、前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する段階と、を含む。
【選択図】図３
Description
本発明は、基板処理装置及び基板処理方法に関する。
半導体素子の製造工程はフォトリソグラフィー、エッチング（蝕刻）、イオン注入、蒸着、及び洗浄の多様な工程が遂行される。これらの工程のうち、エッチング工程は酸化層のエッチング工程を含む。酸化層は半導体素子の活性領域を分離するための素子分離領域に形成することができる。また、酸化層は絶縁層によって形成される。また、酸化層は工程の処理過程で不要に形成された自然酸化層である。
このような酸化層はパターンを形成するために又は半導体素子の動作特性を向上させるためにエッチングされる。
本発明の目的は基板を効率的に処理するための基板処理装置及び基板処理方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は酸化層をエッチングできる基板処理装置及び基板処理方法を提供することにある。
また、本発明のその他の目的は酸化層が除去された基板に保護層が形成される基板処理装置及び基板処理方法を提供することにある。
本発明の一側面によれば、酸化層が形成された基板を提供する段階と、前記酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して副産物層に置換させる段階と、前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する段階と、を含む基板処理方法が提供される。
また、前記第１工程ガスは、水素ガス、酸素ガス及びラジカル供給ガスを包むことができる。
また、前記ラジカル供給ガスは、フッ素原子を含む化合物でもよい。
また、前記第１加熱温度は、前記副産物層である六フッ化珪酸アンモニウムが分解される温度である１００℃である。
また、前記第２加熱温度は、２４０℃以上である。
また、前記第２加熱温度は、５００℃以下である。
また、前記副産物層が除去された後、プラズマ状態に励起された水素提供ガスを前記基板に供給して、前記酸化層が除去された前記基板に保護層を形成する段階をさらに包むことができる。
また、前記水素提供ガスは、アンモニアガス、水素ガス及びメタンガスの中の少なくとも１つを含むように提供される。
本発明の他の側面によれば、基板に形成された酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して、前記酸化層を副産物層に置換させる第１工程モジュールと、前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する第２工程モジュールと、を含む基板処理装置が提供される。
また、前記第１工程モジュールは、チャンバーと、前記チャンバーの内部に位置されるサセプタと、前記チャンバーの上部に前記第１工程ガスを供給する工程ガス供給部と、前記第１工程ガスをプラズマ状態に励起するプラズマ励起部と、を包むことができる。
また、前記第２工程モジュールは、工程チャンバーと、前記工程チャンバーの内部に位置され、下部電極とヒーターを有する基板支持部材と、前記工程チャンバーの上部にガスを供給するガス供給部材と、を包むことができる。
また、前記第１加熱温度は１００℃である。
また、前記第２加熱温度は２４０℃以上である。
本発明の一実施形態によれば、基板を効率的に処理できる基板処理装置及び基板処理方法が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、酸化層を効率的にエッチングできる基板処理装置及び基板処理方法が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、酸化層が除去された基板に保護層を形成できる基板処理装置及び基板処理方法が提供される。
以下、本発明の実施形態を添付された図面を参照してさらに詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形態に変形され、本発明の範囲が以下の実施形態に限定されることとして解釈されることはない。本実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供するものである。したがって、図面での要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている。
図１は第１工程モジュールを示す図面であり、図２は第２工程モジュールを示す図面である。
図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施形態による基板処理装置は第１工程モジュール１０及び第２工程モジュール２０を含む。
第１工程モジュール１０はチャンバー１００、サセプタ１１０、シャワーヘッド１２０、及びプラズマ励起部１３０を含む。
チャンバー１００は工程処理が遂行される空間を提供する。チャンバー１００はボディー１０１と密閉カバー１０２とを有する。ボディー１０１は上面が開放され、内部に空間が形成される。ボディー１０１の側壁には基板が出入する開口（図示せず）が形成され、開口はスリットドア（ｓｌｉｔ ｄｏｏｒ）（図示せず）のような開閉部材によって開閉されてもよい。開閉部材はチャンバー１００内で基板Ｗに対する処理が遂行される間に開口を閉鎖し、基板Ｗがチャンバー１００の内部に搬入される時とチャンバー１００外部へ搬出される時に開口を開放する。
ボディー１０１の下部壁には排気ホール１０３が形成される。排気ホール１０３は排気ライン１０４と連結される。排気ライン１０４を通じてチャンバー１００の内部圧力が調節され、処理工程で発生した反応副産物がチャンバー１００の外部へ排出される。
密閉カバー１０２はボディー１０１の上部壁と結合し、ボディー１０１の開放された上面を覆ってボディー１０１の内部を密閉させる。密閉カバー１０２の上端はプラズマ励起部１３０と連結される。密閉カバー１０２には拡散空間１０５が形成される。拡散空間１０５はシャワーヘッド１２０に近くなるほど、幅がだんだん広くなる。例えば、拡散空間１０５は逆漏斗形状を有する。
サセプタ１１０はチャンバー１００の内部に位置される。サセプタ１１０の上面には基板が置かれる。サセプタ１１０の内部には冷却流体が循環する冷却流路（図示せず）が形成される。冷却流体は冷却流路に沿って循環し、サセプタ１１０を冷却する。サセプタ１１０は、プラズマにより基板Ｗを処理する程度を調節するためにバイアス電源１１１から電力が印加される。バイアス電源１１１が印加する電力はラジオ周波数（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）電源でもよい。サセプタ１１０はバイアス電源１１１が供給する電力によってシース（ｓｈｅａｔｈ）を形成し、その領域で高密度のプラズマを形成して工程能力を向上させることができる。
サセプタ１１０の内部には加熱部材１１２が提供される。一例によれば、加熱部材１１２は熱線として提供される。加熱部材１１２は基板Ｗを予め設定された温度に加熱する。
シャワーヘッド１２０はボディー１０１の上部壁に結合される。シャワーヘッド１２０は円板状に、サセプタ１１０の上面と平行に配置されてもよい。シャワーヘッド１２０は表面が酸化処理されたアルミニウム材質で提供される。シャワーヘッド１２０には分配ホール１２１が形成される。分配ホール１２１は均一なラジカル供給を可能にするために同心の円周上に一定の間隔で形成される。拡散空間１０５から拡散されたプラズマは分配ホール１２１に流れ込む。この時、電子又はイオン等のような荷電粒子はシャワーヘッド１２０に閉じ込められ、酸素ラジカル等のように電荷を帯びていない中性粒子は分配ホール１２１を通過して基板Ｗへ供給される。また、シャワーヘッドは接地されて電子又はイオンが移動される通路を形成する。
プラズマ励起部１３０はプラズマを生成して、チャンバー１００へ供給する。プラズマ励起部１３０はチャンバー１００の上部に提供される。プラズマ励起部１３０は発振器１３１、導波管１３２、誘電体管１３３、及び工程ガス供給部１３４を含む。
発振器１３１は電磁気波を発生させる。導波管１３２は発振器１３１と誘電体管１３３とを連結し、発振器１３１から発生された電磁気波が誘電体管１３３の内部に伝達される通路を提供する。工程ガス供給部１３４はチャンバー１００の上部に工程ガスを供給する。工程が進行する過程にしたがって、工程ガスとして第１工程ガスが供給される。誘電体管１３３の内部へ供給された工程ガスは電磁気波によってプラズマ状態に励起される。プラズマは誘電体管１３３を経て拡散空間１０５へ流れ込む。
上述したプラズマ励起部１３０として電磁気波を利用する場合を例に挙げたが、その他の実施形態においては、プラズマ励起部１３０として誘導結合プラズマ励起部や容量結合プラズマ励起部が提供されてもよい。
第２工程モジュール２０は、工程チャンバー２１０、ガス供給部材２２０、基板支持部材２３０、ホローカソード２４０、バッフル２５０、下部電極２６０及び電力供給源２７１、２７２を含む。
工程チャンバー２１０は、その内部に基板処理工程を遂行する空間を提供する。工程チャンバー２１０の底面にはガスを排気するための排気口２１１が形成される。排気口２１１には、ポンプに設置された排気ライン２１２が連結されており、工程チャンバー２１０内の反応副産物を排出し、工程チャンバー２１０の内部を工程圧力に維持する。ガス供給部材２２０は工程チャンバー２１０の内部に基板処理工程に必要なガスを供給する。
基板支持部材２３０は工程チャンバー２１０の内部に位置する。支持部材２３０は基板Ｗを支持する。基板支持部材２３０には下部電極２６０が提供される。基板支持部材２３０には基板を加熱するためのヒーター２３４が提供される。基板支持部材２３０は固定されるか、或いは水平面上で回転又は上下垂直移動等が選択的に可能である。基板支持部材２３０は基板Ｗを支持できるように支持プレート２３１、駆動軸２３２、及び駆動器２３３を含む。基板Ｗは支持プレート２３１上に支持プレート２３１と平行に置かれる。支持プレート２３１の下部には駆動軸２３２の一端が連結され、駆動軸２３２の他端は駆動器２３３に連結される。駆動器２３３によって発生させた回転力は駆動軸２３２に伝達され、駆動軸２３２は支持プレート２３１と共に回転する。
ホローカソード（ｈｏｌｌｏｗ ｃａｔｈｏｄｅ）２４０は工程チャンバー２１０の内部に位置する。ホローカソード２４０にはガスが流動できるホール２４２が形成される。ホローカソード２４０の底面にはプラズマが生成される複数の下部溝２４１が形成される。
バッフル２５０はホローカソード２４０から離隔して位置する。バッフル２５０には複数の噴射口２５１が形成される。上部電力供給源２７１はホローカソード２４０に電力を印加し、下部電力供給源２７２は下部電極２６０に電力を印加する。そして、バッフル２５０は接地される。
ガス供給部材２２０は工程チャンバー２１０の内部の上側に位置し、ホローカソード２４０はガス供給部材２２０の下部に位置し、バッフル２５０はホローカソード２４０の下部に位置し、基板支持部材２３０は前記バッフル２５０の下部に位置する。
ガス供給部材２２０はガス流入部Ａへガスを供給する。ガス流入部Ａは工程チャンバー２１０の上面と工程チャンバー２１０の上部に具備されたホローカソード２４０との間の空間である。
ホローカソード２４０とバッフル２５０との間の空間は第１プラズマ生成部Ｂとして提供される。ガス流入部Ａから流入したガスは第１プラズマ生成部Ｂへ供給された後、ホローカソード２４０とバッフル２５０とによってプラズマ状態に励起される。
バッフル２５０と基板支持部材２３０との間の空間は第２プラズマ生成部Ｃとして提供される。第１プラズマ生成部Ｂで生成されたプラズマガスはバッフル２５０と下部電極２６０とによってさらにもう１度励起される。したがって、プラズマの密度は第２プラズマ生成部Ｃではさらに高く、かつ、均一になる。
上述したようにホローカソード２４０と下部電極２６０とには高周波電源が印加され、バッフル２５０は接地される。ホローカソード２４０で発生させたプラズマはバッフル２５０に形成された噴射口２５１を通過して基板支持部材２３０上に置かれた基板Ｗに向かう。この時、先に説明したバッフル２５０の付随的な機能によって、電子又はイオン等のような荷電粒子は、主にアルミニウム或いは陽極酸化されたアルミニウム材質であるバッフル２５０によって第２プラズマ生成部Ｃへの流入が遮断され、酸素ラジカル等のような電荷を帯びていない中性の粒子のみが基板支持部材２３０上の基板Ｗに到達して、基板Ｗを処理することができる。
他の実施形態において、上部電力供給源２７１は省略されてもよい。したがって、ガスはバッフル２５０と基板支持部材２３０との間の空間に誘導される電磁気場によってプラズマ状態に励起される。
上述した第２工程モジュール２０は誘導結合方式にプラズマを励起する場合を例に説明したが、第１工程モジュール１０と同様に電磁気波を利用してプラズマを励起するか、或いは容量結合方式によってプラズマを励起するようにしてもよい。
図３は本発明の一実施形態による基板処理段階を示すフローチャートであり、図４は本発明の一実施形態によって処理される基板を示す図面である。
図３及び図４を参照すれば、先ず、酸化層３１０が形成された基板Ｗが提供される（図３のＳ１０）。一例として、基板Ｗはベースをなすウエハー３００に絶縁層３０５が形成された状態である。基板Ｗには素子分離領域及び素子分離領域によって区画される活性領域が形成されている。そして、基板Ｗは絶縁膜の形成工程、絶縁膜にフォトレジストを利用してパターンを形成する工程、絶縁膜のエッチング工程、フォトレジスト除去のためのアッシング工程、及び洗浄工程が順次的になされた状態にある。ウエハー３００の一部には、絶縁層３０５をエッチングして形成した開口部３１５を通じて露出されることにより周りに残存する酸素と反応して自然酸化膜３１０が形成される。また、基板Ｗはパターンを形成するために、塗布工程、現像工程、エッチング工程、及び洗浄工程が遂行された状態である。そして、基板Ｗは洗浄工程が遂行された後、周りに残存する酸素と反応して自然酸化膜が形成された状態である。
第１工程モジュール１０は基板Ｗに第１工程処理を遂行する（図３のＳ２０）。先ず、工程ガス供給部１３４は第１工程ガスを供給する。第１工程ガスは水素、酸素、及びラジカル供給ガスを含む。ラジカル供給ガスはフッ素原子を含む化合物として提供される。例えば、ラジカル供給ガスは三フッ化窒素、四フッ化炭素、ジフルオロメタン（ｄｉｆｌｕｏｒｏ ｍｅｔｈａｎｅ）又はトリフルオロメタン（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ ｍｅｔｈａｎｅ）等として提供される。また、ラジカル供給ガスは三フッ化窒素、四フッ化炭素、ジフルオロメタン（ｄｉｆｌｕｏｒｏ ｍｅｔｈａｎｅ）、及びトリフルオロメタン（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ ｍｅｔｈａｎｅ）の中で２つ以上の混合ガスとして提供されてもよい。第１工程ガスはプラズマ励起部１３０によってプラズマ状態に励起された後、基板Ｗへ供給される。
図５は副産物層が形成された基板を示す図面である。
図５を参照すれば、プラズマ状態に励起された第１工程ガスは酸化層３１０と反応して副産物層３２０を形成する。具体的に、第１工程ガスは酸化層３１０と反応して、ヘキサフルオロ珪酸アンモニウム（Ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ）と水とを形成する。水は蒸気の状態で排気される。そして、ヘキサフルオロ珪酸アンモニウム（Ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ）は副産物層３２０として基板Ｗに残存する。
副産物層３２０は第２工程を通じて基板Ｗから除去される（図３のＳ３０）。第１工程が遂行された基板Ｗは第１工程モジュール１０から引き出された後、第２工程モジュール２０へ搬入される。第２工程で基板支持部材２３０に提供されるヒーター２３４は基板Ｗを設定温度に加熱する。副産物層３２０は基板Ｗが第１加熱温度以上に加熱されることによって基板Ｗから除去される。具体的に、副産物層３２０は１００℃以上に加熱されることによって酸性フッ化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）、アンモニア及び四フッ化シリコンに分解される。その中で、アンモニアと四フッ化シリコンは気体の状態でチャンバーから排出される。
基板Ｗの加熱過程で、追加の副産物が発生される。追加の副産物の中の１つは副産物層３２０の分解過程で発生した酸性フッ化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）である。また、加熱された基板Ｗに残存する酸化物は蒸気と反応して珪酸（ｓｉｌｉｃｉｃ ａｃｉｄ）層を形成することができる。このような追加の副産物は、副産物層３２０が分解される温度以上においても固体状で存在するため、基板Ｗにパーティクルを形成し得る。このような追加の副産物は、基板Ｗが第２加熱温度以上に加熱されることによって基板Ｗから除去することができる。第２加熱温度は追加の副産物の沸点の温度で提供される。珪酸（ｓｉｌｉｃｉｃ ａｃｉｄ）層の沸点は１５０℃である。また、酸性フッ化アンモニウムの沸点は２４０℃である。したがって、第２加熱温度は珪酸層と酸性フッ化アンモニウムを全て気体状態にすることが可能な温度である２４０℃とすることができる。温度の上昇による副産物層の除去効率の向上は、５００℃以上では極めて低いか、あるいは、ほとんどない。したがって、第２加熱温度を５００℃以下に調節することにより、工程処理によるエネルギー効率を向上できる。
図６は保護層が形成される過程の基板を示す図面であり、図７は図６のＤ領域を示す図面である。
図６及び図７を参照すれば、副産物層３２０が除去された基板Ｗは第３工程を通じて保護層が形成される（図３のＳ４０）。ガス供給部材２２０は工程チャンバー２１０の内部に水素提供ガスを供給する。水素提供ガスはアンモニアガス、水素ガス、メタンガス等のように水素原子を含むガスとして提供される。水素提供ガスがプラズマ状態に励起されることによって、基板Ｗの上部にプラズマ状態の水素が供給される。プラズマ状態の水素は基板Ｗと反応して基板Ｗの表面に保護層を形成する。
副産物層３２０が除去された基板Ｗの表面は化学的反応性が増加される。具体的に、基板Ｗから酸化層３１０が除去された部分にはダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）が形成される。即ち、基板Ｗの表面には化学的結合をしなかった最外殻電子を有する珪素原子が存在する。このような珪素原子は、基板Ｗから酸化層３１０を除去した後、後続する工程の進行の前に酸素と接触すると、自然酸化層３１０を形成する。
これに対して、本発明の一実施形態による基板処理装置によれば、基板Ｗの表面に保護層を形成するため、基板Ｗに自然酸化層３１０が形成されるのを防止することができる。特に、プラズマ状態の水素は化学的反応性が大きいダングリングボンドの珪素原子と反応する。
その他の実施形態による基板処理装置は、１つの工程モジュールとして提供されて、第１工程〜第３工程を順次的に遂行することができる。
以上の詳細な説明は本発明を例示するに過ぎない。また、前述した内容は本発明の望ましい実施形態を説明するものであり、本発明は多様な他の組み合せ、変更、及び環境下で使用することができる。即ち、本明細書に開示された発明の概念の範囲、前述した開示内容と均等な範囲及び／又は当業界の技術又は知識の範囲内で変更又は修正が可能である。前述した実施形態は本発明の技術的思想を具現するための最善の状態を説明することであり、本発明の具体的な適用分野及び用途において要求される多様な変更も可能である。したがって、以上の発明の詳細な説明は開示された実施状態に本発明を制限しようとするものではない。また、添付された請求の範囲は、他の実施状態も含むものであると解釈されなければならない。
１００ チャンバー、
１１０ サセプタ、
１２０ シャワーヘッド、
１３０ プラズマ励起部、
２１０ 工程チャンバー、
２３０ 基板支持部材、
２４０ ホローカソード、
２５０ バッフル。
１１０ サセプタ、
１２０ シャワーヘッド、
１３０ プラズマ励起部、
２１０ 工程チャンバー、
２３０ 基板支持部材、
２４０ ホローカソード、
２５０ バッフル。
Claims (13)
- 酸化層が形成された基板を提供する段階と、
前記酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して副産物層に置換させる段階と、
前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する段階と、を含む基板処理方法。 - 前記第１工程ガスは、水素ガス、酸素ガス及びラジカル供給ガスを含む請求項１に記載の基板処理方法。
- 前記ラジカル供給ガスは、フッ素原子を含む化合物である請求項２に記載の基板処理方法。
- 前記第１加熱温度は、前記副産物層である六フッ化珪酸アンモニウムが分解される温度である１００℃である請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板処理方法。
- 前記第２加熱温度は、２４０℃以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板処理方法。
- 前記第２加熱温度は、５００℃以下である請求項５に記載の基板処理方法。
- 前記副産物層が除去された後、プラズマ状態に励起された水素提供ガスを前記基板に供給して、前記酸化層が除去された前記基板に保護層を形成する段階をさらに含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の基板処理方法。
- 前記水素提供ガスは、アンモニアガス、水素ガス及びメタンガスの中の少なくとも１つを含む請求項７に記載の基板処理方法。
- 基板に形成された酸化層をプラズマ状態の第１工程ガスにより処理して、前記酸化層を副産物層に置換させる第１工程モジュールと、
前記副産物層が分解される温度である第１加熱温度以上であり、かつ、前記副産物層が分解される過程で発生する追加の副産物の沸点である第２加熱温度以上である温度に前記基板を加熱して、前記基板から前記副産物層を除去する第２工程モジュールと、を含む基板処理装置。 - 前記第１工程モジュールは、
チャンバーと、
前記チャンバーの内部に位置されるサセプタと、
前記チャンバーの上部に前記第１工程ガスを供給する工程ガス供給部と、
前記第１工程ガスをプラズマ状態に励起するプラズマ励起部と、を含む請求項９に記載の基板処理装置。 - 前記第２工程モジュールは、
工程チャンバーと、
前記工程チャンバーの内部に位置され、下部電極とヒーターとを有する基板支持部材と、
前記工程チャンバーの上部にガスを供給するガス供給部材と、を含む請求項９または請求項１０に記載の基板処理装置。 - 前記第１加熱温度は、１００℃である請求項９〜１１のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記第２加熱温度は、２４０℃である請求項９〜１２のいずれか１項に記載の基板処理装置。
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