KR100279208B1 - 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치_ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치에 관한 것으로서, 냉각기(25) 및 가열기(29)에 의해 온도가 조절되는 진공의 챔버(21) 내부에서 무수 불화수소와 함께 물 또는 알콜류의 증기 등의 공정가스를 분사하여 기판(W)의 식각이 이루어지도록 하는 장치에 있어서: 상기 챔버(21) 내에서 공정가스 및 비활성가스를 공급받도록 장착되고, 하부가 개방되는 최소한의 독립공간을 형성하는 반응기(22); 상기 반응기(22)의 하부를 개폐하도록 상하운동 가능하게 장착되고, 상하운동 가능한 받침대(42)를 개재하여 기판(W)을 수용하는 다이(32); 그리고 상기 반응기(22) 내부로 각각의 공정가스를 보내는 가스관(23)(24)과, 반응 후 가스를 외부로 유도하는 배기관(36) 등의 배관부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 불화수소물을 사용한 증기상 공정에서 주요 부품의 부식에 의한 내구성 저하를 방지하는 효과가 있다.

Description

반도체 기판의 박막 제거용 식각장치(ETCHING APPARATUS FOR REMOVING THIN FILM ON WAFER)
본 발명은 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치(etching apparatus for removing thin film on wafer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불화수소물을 사용한 증기상 공정에서 주요 부품의 부식에 의한 내구성 저하를 방지하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치에 관한 것이다.
통상적으로 반도체 제조 공정 중 기판(웨이퍼) 위에 형성된 박막을 제거하기 위해서는 습식 식각공정이 많이 사용되어 왔다. 이러한 공정의 예로는 기판 표면의 산화막 식각을 위해서 불산 용액에 기판을 담그는 방법이나 기판에 불산 용액을 분사시키는 방법이 있다. 이러한 습식공정은 식각 처리 후 기판에 묻은 잔류 용액을 제거하기 위한 초순수를 사용한 세척공정과 이를 건조시키기 위한 건조공정 등이 추가로 요구된다.
그러므로, 공정 도중에 주변 오염에 노출되기 쉽고, 용액 내에 존재하는 중금속이나 입자 등과 같은 불순물들에 의해서 표면이 오염될 가능성이 매우 높다는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라 공정에 사용된 막대한 습식 세정액의 폐처리도 주요 문제점으로 부각되고 있다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해서는 액체를 사용하는 습식공정 보다는 가스를 사용하는 건식공정의 활용이 필요하게 되었다. 특히, 무수 불화수소 가스와 물이나 알콜 증기를 사용한 산화막의 증기상 식각공정을 그 대표적인 예로 들 수 있는 바, 무수 불화수소는 반응가스로 사용되는 반면 물이나 알콜 증기는 산화막 식각공정에서 촉매 작용을 하여 식각 반응을 촉진시킨다. 이 경우 알려진 반응식은 다음과 같다.
4HF + SiO2→ SiF4+ 2H2O
HF는 산화막과 반응하여 SiF4와 H2O를 생성한다. 여기서 HF와 산화막과의 직접적인 반응 속도는 매우 느리고, H2O 혹은 알콜 증기를 첨가시켜 HF와 이온화시킬 때 반응 속도가 빨라지게 되는 것으로 알려져 있다. 즉, 식각 반응의 주 반응물은 HF2 -이온임을 의미한다.
2HF + H2O → HF2 ++ H3O-
그러므로, 종래의 증기상 산화막 식각공정은 불화수소 용액을 증기상으로 반응기로 공급하여 반응기내의 기판에서 표면의 산화막을 식각하거나, 혹은 무수 불화수소와 알콜 증기를 공급하여 반응기내의 기판에서 표면의 산화막을 식각하는 방법 등을 그 특징으로 하고 있다. 이러한 증기상 공정은 종래의 습식공정의 단점들을 개선할 수 있다.
그러나 이러한 공정에서 문제점은 반응 가스로 사용되는 불화수소가 부식성이 매우 강하여 반응기, 가스라인, 배기라인, 그 밖의 금속 부품들을 부식시켜서 그 수명 및 성능 유지에 치명적인 악영향을 미친다는 것이다. 특히, 반응을 촉진시키기 위해서 첨가시키는 H2O 혹은 알콜 증기 그리고 반응시 발생하는 H2O 는 이러한 부식에 촉진제 역할을 할 수 있다. 또한 기판 표면 위의 산화막 식각시 SiF4와 H2O 가 재 반응하여 실리카 형태의 잔유물을 발생하거나 산화막의 종류에 따라서는 특히 불순물이 함유된 산화막들 예를들면 BSG, PSG 그리고 BPSG 등에서는 불순물이 잔유물 형태로 기판 표면에 잔류하는 문제가 발생한다. 이의 제거를 위해서는 부득이 초순수에 의한 세척 과정이 필요로 되는 경우도 있다. 또한, 이러한 증기상 식각공정은 화학반응이 용이하여 초기 가스 공급시에도 반응이 진행되므로 공정 조건에 도달하는 시간이 공정의 재현성이나 정확도에 영향을 줄 수 있음도 고려하여야 한다. 결국 증기상 공정에서도 상기의 문제점들에 대한 개선 방안이 반드시 필요로 되는 실정이다.
이에 따라 본 발명은 반응기를 내식성 재료인 알루미나를 사용하고, 반응가스와 증기의 유입로를 완전히 분리하고, 반응기의 부피를 최소화하여 공정 조건에 도달하는 초기 시간을 최소화하고, 플라스마를 이용한 이온화 공정을 도입하여 증기의 사용을 억제하고, 반응가스의 배기시 산화막으로 구성된 트랩을 통과시켜 미 반응물을 제거하는 등의 방법으로 불화수소물을 사용한 증기상 공정에서 주요 부품의 부식에 의한 내구성 저하를 방지하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치 주변의 전체적 배관 상태를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 장치의 내부를 부분 단면으로 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 가스 분산기로서, 도 3a는 정단면도이고 도 3b는 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
20 : 식각장치 21 : 챔버
22 : 반응기 23, 24 : 가스관
25 : 냉각기 26 : 트랩
27, 28 : 공압 실린더 29 : 가열기
30 : 분산기 31 : 고정판
32 : 다이 33 : 컬럼
35 : 냉각수관 36 : 배기관
37, 38 : 구동판 39 : 코일
42 : 받침대 47, 48 : 벨로우즈
52 : O-링 57, 58 : 구동축
67, 68 : 베어링 W : 기판
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치는 냉각기(25) 및 가열기(29)에 의해 온도가 조절되는 진공의 챔버(21) 내부에서 무수 불화수소와 함께 물 또는 알콜류의 증기 등의 공정가스를 분사하여 기판(W)의 식각이 이루어지도록 하는 장치에 있어서: 상기 챔버(21) 내에서 공정가스 및 비활성가스를 공급받도록 장착되고, 하부가 개방되는 최소한의 독립공간을 형성하는 반응기(22); 상기 반응기(22)의 하부를 개폐하도록 상하운동 가능하게 장착되고, 상하운동 가능한 받침대(42)를 개재하여 기판(W)을 수용하는 다이(32); 그리고 상기 반응기(22) 내부로 각각의 공정가스를 보내는 가스관(23)(24)과, 반응 후 가스를 외부로 유도하는 배기관(36) 등의 배관부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에서 상기 반응기(22) 내부에는 공정가스를 분산하기 위한 복수의 홀(30c)을 지니는 분산기(30)가 장착된다.
또, 본 발명에서 상기 배관부재 중 가스관(23)(24)은 무수 불화수소 및 증기류를 분리하여 도입하기 위해 동심의 이중관을 사용한다.
또, 본 발명에서 상기 반응기(22) 상측으로 가스관(23)(24) 상에는 증기류를 사용하지 않고 무수 불화수소를 이온화시키기 위해 RF 파워를 가하여 반응가스를 이온화시키는 코일(39)이 설치된다.
또, 본 발명에서 상기 배관부재 중 배기관(36) 상에는 미 반응한 무수 불화수소 가스의 부식성을 제거하도록 산화막으로 채워진 트랩(26)이 장착된다.
또, 본 발명에서 상기 반응기(22), 가스관(23)(24), 다이(32) 등 공정가스가 접하는 부분은 알루미나 등 내식성이 우수한 소재로 성형한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치 주변의 전체적 배관 상태를 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 장치의 내부를 부분 단면으로 나타내는 구성도이다.
도 1에서, 본 발명의 식각장치(20)는 부호 G1으로 나타내는 반응 촉진용 솔벤트(H2O 또는 알콜류 등으로 대체 가능), 부호 G2로 나타내는 공정가스인 무수 불화수소, 부호 G3으로 나타내는 희석 용도의 비활성가스(Inert gas)가 공급되도록 배관된다. 미설명 부호 11은 솔벤트 통, 부호 12는 유량제어기, 부호 13은 개폐밸브, 부호 14는 스로틀 밸브, 부호 15는 펌프, G4는 배기가스를 나타낸다.
이러한 공정가스들은 각각의 유량제어기(12)를 통하여 적정 유량으로 식각장치(20)에 이송된다. 특히 솔벤트를 사용하는 경우에는 증기용 유량제어기(12)를 사용한다. 공정가스 중 솔벤트와 무수 불화수소는 서로 만나면 부식성이 더욱 강해지므로 가스도입부가 서로 분리되도록 한다. 식각장치(20) 내의 공정 압력은 부호 14의 스로틀(throttle) 밸브에 의해서 조작된다. 이와 같은 밸브(13)(14)들과 펌프(15)를 이용하여 적정 공정 조건을 수행함으로써 식각장치(20)에서 기판의 산화막을 제거할 수 있다.
도 2에서, 본 발명의 반응기(22)는 하부가 개방되는 최소한의 독립공간을 형성하고, 상기 챔버(21) 내에서 공정가스 및 비활성가스를 공급받도록 장착된다. 챔버(21)의 외주면에 접합되는 부호 21a의 플랜지는 기판(W)의 출입을 위한 용도이고, 부호 21b의 플랜지는 전선의 배선을 위한 용도이고, 부호 21c의 플랜지는 비활성가스의 공급을 위한 용도이다. 비활성가스는 일정 유량으로 보내져 챔버(21) 내의 부식을 방지한다.
또, 본 발명에 따르면 상하운동 가능한 받침대(42)를 개재하여 기판(W)을 수용하는 다이(32)가 상기 반응기(22)의 하부를 개폐하도록 상하운동 가능하게 장착된다. 반응기(22)와 다이(32)는 O-링(52)을 이용하여 챔버(21)와의 기밀이 유지되도록 한다. 산화막 식각 반응에 적정한 공정 온도를 맞추어 주기 위해 사용되는 냉각기(25) 및 가열기(29)는 다이(32)의 하단부 아래로 설치된다. 이를 이용한 공정온도의 조절범위는 10 - 350℃ 로 한다. 냉각기(25)는 냉각수의 순환을 위한 냉각수관(35)과 배관된다.
챔버(21)의 하단에는 컬럼(33)을 개재하여 고정판(31)이 장착되고, 고정판(31)에는 부호 28의 공압 실린더가 장착되고, 그 공압 실린더(28)는 부호 38의 구동판(38)과 연결되고, 그 구동판(38)에는 부호 27의 공압 실린더가 장착되고, 그 공압 실린더(27)는 부호 37의 구동판(37)과 연결된다. 상부의 공압 실린더(27)의 작용력을 받는 상부의 구동판(37)은 부호 67의 베어링 및 부호 47의 벨로우즈를 개재하여 장착되는 부호 57의 구동축을 통하여 받침대(42)에 연결되고 일체로 상하운동한다. 하부의 공압 실린더(28)의 작용력을 받는 하부의 구동판(38)은 부호 68의 베어링 및 부호 48의 벨로우즈를 개재하여 장착되는 부호 58의 구동축을 통하여 다이(32)에 연결되고 일체로 상하운동한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 반응기(22) 내부로 각각의 공정가스를 보내는 가스관(23)(24)과, 반응 후 가스를 외부로 유도하는 배기관(36) 등의 배관부재가 포함된다. 가스관(23)(24)은 부호 23a 및 24a로 나타내는 각각의 관이음을 지니는데, 무수 불화수소 및 증기류를 분리하여 도입하기 위해 챔버(21) 내부에서는 동심의 이중관 구조로 배관된다. 도 1의 펌프(15)와 연결되는 배기관(36) 상에는 미 반응한 무수 불화수소 가스의 부식성을 제거하도록 산화막으로 채워진 트랩(26)이 설치된다.
이때 반응기(22) 상측으로 가스관(23)(24) 상에는 증기류를 사용하지 않고 무수 불화수소를 이온화시키기 위해 RF 파워를 가하여 반응가스를 이온화시키는 코일(39)이 설치된다. RF 파워를 이용하여 전기적 파괴에 의해 생성되는 플라즈마 가스는 가스의 종류에 따라 차이는 있으나 대체로 강한 화학반응을 일으킬 수 있다. 플라즈마를 발생하는데 사용되는 RF 전력은 기판(W)의 온도 및 그에 따른 기판(W)의 식각작용에 영향을 미치므로 시행착오를 통하여 적절히 선정한다.
또한 반응기(22), 가스관(23)(24), 다이(32) 등 공정가스가 접하는 부분은 알루미나 등 내식성이 우수한 소재로 성형한다. 가스관(23)(24)과 같이 구조가 간단하고 높은 기계적 강도를 요하지 않는 배관부재는 세라믹을 사용하는 것도 가능하다. 다이(32) 및 받침대(42)에 상하운동을 전달하는 구동축(57)(58)은 알루미나 또는 흑연(graphite)으로 제작한다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 분산기로서, 도 3a는 정단면도이고 도 3b는 평면도이다.
본 발명에서는 반응기(22)의 부피를 최소로 하여 반응가스가 잔류하는 시간을 단축하는 장점도 있으나 반응가스가 고르게 분산되기 어려운 단점도 있다. 그러므로 가스 분산기(30)를 설치함으로써 산화막 식각 반응의 균일도를 향상시킬 수 있다. 분산기(30)는 반구형체(30a) 및 플랜지(30b)로 이루어지고 반응기(22) 내에서 가스관(23)(24)의 하단부에 플랜지(30b)를 이용하여 장착된다. 도시에서 반구형체(30a) 상에 점선으로 나타내는 것처럼 가스 분사를 위한 홀(30c)을 균일한 간격으로 복수의 열로 형성시켜 줌으로서 공정가스를 반응기(22) 내로 고르게 분산시킬 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 장치의 작동을 설명한다.
식각될 기판(W)이 석영보트 등에 넣어진 상태로 플랜지(21a)를 통하여 반응기(22)로 들어가 받침대(42)에 로딩된 다음 챔버(21)는 진공상태로 된다. 이때 받침대(42)는 공압 실린더(27), 베어링(67), 벨로우즈(47) 및 구동축(57)등에 의해 상향 운동을 수행하고, 다이(32)는 공압 실린더(28), 베어링(68), 벨로우즈(48) 및 구동축(58) 등에 의해 열려져 있다가 기판(W)이 들어와 받침대(42)에 안착 후 닫히게 된다. 그러면 반응기(22)는 챔버(21) 내에서 분리된 공간을 형성하는데, O-링(52)은 반응기(22)의 기밀성을 보장한다.
공정가스 G1은 부호 23a에서 부호 23의 가스관을 통하여 반응기(22) 내로 주입되고, 공정가스 G2는 부호 24a에서 부호 24의 가스관을 통하여 반응기(22) 내로 주입된다. 이러한 두 공정가스는 서로 만나고 분산기(30)에 의해서 적절히 반응기(22) 내로 분사된다. 이때 적은 양의 산소도 첨가된다.
상기의 공정에서 공정가스 도입시 외측의 가스관(24)으로 들어오는 공정가스 G2(무수 불화수소)는 코일(39)에 RF 파워를 가하여 줌으로써 플라즈마화시킬 수 있다. 플라즈마화된 공정가스 G2는 반응기(22) 상단부 위에 있는 코일(39)에 의해서 반응기(22) 내에서도 계속적으로 플라즈마 상태를 유지하게 된다. 이때 RF 에너지에 의해 강한 불소화물이 생성되는데, 이러한 불소는 거의 대부분의 실리콘 화합물과 반응하므로 기판(W)의 식각이 수행되도록 한다. 이때 플라즈마의 발생 시점이 공정의 시작 시점이 되도록 한다.
이 과정에서 분산기(30)는 RF 파워를 단락시키고 이온화된 입자의 농도를 감소시켜 기판(W) 주위에 반응력이 강한 중성물질이 존재하게 함으로써 기판(W) 위의 산화막을 제거하는 식각반응이 균일하게 진행되도록 한다.
반응 후 공정가스는 다이(32)의 받침대(42) 측면과 하단부에 형성되어 있는 채널에서 배기관(36) 및 트랩(26)을 거쳐 배기된다. 기판(W)의 식각시 발생하는 반응물질은 모두 기체이므로 진공펌프로 쉽게 배출된다. 여기서 미 반응된 무수 불화수소는 내부에 산화막 층으로 구성된 트랩(26)에 의해서 반응이 더욱 진행되어 무수 불화수소의 농도가 낮아지게 된다. 그러므로 트랩(26) 내의 산화막은 반응속도가 빠른 doped oxide(예컨대 PSG, BSG, 혹은 BPSG 등)가 효과적이다.
본 발명에 의하여 새롭게 제안된 불화수소를 사용한 산화막 건식식각 장치 및 공정법에 의해서 종래의 장치 및 공정법이 갖는 문제점들이 개선되는 바, 내식성이 우수한 알루미나를 반응기 재질로 사용하고, 공정가스 중 불화수소와 증기를 이중관을 사용하여 완전히 분리하여 도입하고, 반응 후 잔여 가스가 산화막으로 구성된 트랩을 통과하도록 함으로써 금속재료의 부식 문제를 해결하였다.
이로 인하여 장치의 수명, 성능 유지가 향상될 뿐만 아니라 안정성이 크게 증대되게 되었다.
또한, 반응기의 부피를 최소화하여 공정 조건에 도달하는 초기 시간을 최소화함으로써 초기 반응 시간에 의한 악영향을 최소화하고 공정의 재현성을 향상시키게 되었다. 뿐만 아니라 진공 챔버와 반응기를 분리한 이중 구조를 고안함으로써 독성 가스의 유출에 의한 위험을 배제할 수 있게 되었다.
또한, 플라즈마를 이용한 이온화 공정의 도입으로 증기의 사용을 피할 수 있어서 증기의 사용에 따른 부식성 증가 문제를 근본적으로 해결하였고, 반응 생성물인 SiF4와 H2O 등의 재 반응으로 인한 잔류물 발생 가능성을 배제할 수 있게 되었고, 플라즈마의 발생 시점이 공정의 시작 시점이 되게 함으로써 공정 조건에 도달하는 초기 시간의 악영향을 배제할 수 있어서 공정 재현성을 향상시킬 수 있고, 산화막 종류에 따른 식각 선택비를 감소시킬 수 있어서 콘택홀에서의 자연산화막 제거 공정 등에 더욱 효과적으로 활용할 수 있게 되었다.
결국 플라즈마에 의한 이온화 공정을 이용함으로써 공정 성능이 크게 향상되고 특히 고진공 공정에 매우 적합하게 되었다.

Claims (6)

  1. 냉각기(25) 및 가열기(29)에 의해 온도가 조절되는 진공의 챔버(21) 내부에서 무수 불화수소와 함께 물 또는 알콜류의 증기 등의 공정가스를 분사하여 기판(W)의 식각이 이루어지도록 하는 장치에 있어서:
    상기 챔버(21) 내에서 공정가스 및 비활성가스를 공급받도록 장착되고, 하부가 개방되는 최소한의 독립공간을 형성하는 반응기(22);
    상기 반응기(22)의 하부를 개폐하도록 상하운동 가능하게 장착되고, 상하운동 가능한 받침대(42)를 개재하여 기판(W)을 수용하는 다이(32); 그리고
    상기 반응기(22) 내부로 각각의 공정가스를 보내는 가스관(23)(24)과, 반응 후 가스를 외부로 유도하는 배기관(36) 등의 배관부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(22) 내부에는 공정가스를 분산하기 위한 복수의 홀(30c)을 지니는 분산기(30)가 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관부재 중 가스관(23)(24)은 무수 불화수소 및 증기류를 분리하여 도입하기 위해 동심의 이중관을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응기(22) 상측으로 가스관(23)(24) 상에는 증기류를 사용하지 않고 무수 불화수소를 이온화시키기 위해 RF 파워를 가하여 반응가스를 이온화시키는 코일(39)이 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관부재 중 배기관(36) 상에는 미 반응한 무수 불화수소 가스의 부식성을 제거하도록 산화막으로 채워진 트랩(26)이 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(22), 가스관(23)(24), 다이(32) 등 공정가스가 접하는 부분은 알루미나 등 내식성이 우수한 소재로 성형하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 박막 제거용 식각장치.
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