KR100386713B1 - 웨이퍼 세척 스퍼터링 방법 - Google Patents
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Abstract
천연 실리콘 산화물의 층을 제거하기 위하여 실리콘 웨이퍼를 프리클린 하는 방법은 약 3 밀리토어 이하로 챔버의 압력을 유지하는 동안에, 상기 챔버의 캐소드에 세척되어 부착될 웨이퍼를 포함하는 플라즈마 에칭 챔버에 아르곤과 산소의 혼합물을 플라즈마 에칭 챔버에 부가하는 것을 포함한다. 상기 산소는 단일 결정 실리콘 웨이퍼의 실리콘 원자가 아니라 플라즈마의 실리콘 원자와 반응하기 위하여 부가된다. 낮은 압력에서 플라즈마 산소의 존재는 웨이퍼 전체에 안정된 플라즈마 발생 및 균일 에칭을 보장한다.
Description
본 발명은 실리콘 웨이퍼 세척의 개선된 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 증착 단계 바로 전에 실리콘 웨이퍼로부터 천연 실리콘 산화물을 제거하는 개선된 방법에 관한 것이다.
재료층이 예를 들면, 금속층과 같은 실리콘 웨이퍼에 물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착에 의해 증착될 때, 실리콘 웨이퍼의 표면은 웨이퍼가 공기에 노출된 후 웨이퍼 위에 형성되는 천연 실리콘 산화물 예를 들면, 약 30Å 두께의 얇은 층을 제거하기 위해 가공되어야 한다. 만약 이 천연 산화물층이 제거되지 않는다면, 연속해서 증착된 박막은 산소로 오염될 것이고, 따라서 상기 증착된 박막은 실리콘 표면에 잘 부착되지 않는다.
사전세척(preclean) 챔버라 불리는 진공 플라즈마 에칭 챔버에서 천연 실리콘 산화물을 제거하는 것이 통상적이다. 불소를 포함한 가스와 같은 반응성 에천트(etchant) 가스가 실리콘 산화물을 에칭하지만, 불소 잔여물은 챔버 벽과 실리콘 웨이퍼의 표면을 오염시킨다. 따라서, 바람직하게 실리콘 산화물은 아르곤 플라즈마의 충격에 의해 제거되고. 이는 적정한 증착 바로전에 스퍼터링 효과를 통하여 산화물을 에칭한다. 상기 아르곤은 화학적으로 불활성이고, 그래서 웨이퍼를 오염시키지 않는다.
현재 멀티챔버(multichamber) 진공 가공 시스템은 중앙 웨이퍼 이송 챔버에 접속된 다수의 세척 및 가공 챔버를 포함하고, 상기 중앙 웨이퍼 이송 챔버는 시스템에서 가공될 웨이퍼를 공급하는 하나 또는 그 이상의 로드 로크(load lock) 챔버에 접속되어 있다. 그러한 시스템은 메이덴의 미국 특허 제 4,951,601호에 기술되어 있고, 본 명세서에 참조를 위해 인용된다. 제 1도는 유용한 시스템(10)에 대한 구성을 나타낸다. 밀봉된 메인 하우징(12)은 밀봉된 진공 로드 로크 챔버(14)를 한정하는 측면벽(13)을 갖는다. 웨이퍼 이송 챔버(12)의 웨이퍼 이송 로봇(80)은 외부 로드 로크 챔버(26, 28)로부터 가공될 웨이퍼(15)를 가져와서, 사전세척 챔버(22)에 상기 웨이퍼(15)를 이송한다. 슬릿(slit) 밸브(38)는 기공 챔버(16,18, 20, 22)로부터 진공 로드 로크 챔버(14)를 분리한다. 각각의 챔버(16, 18, 20, 22)는 슬릿 밸브(38)에 의해 밀봉될 수 있는 개구부(36)를 갖는다. 챔버(22)에서 스퍼터링 에칭후에, 웨이퍼(15)는 금속층의 증착을 위해 사전세척 챔버(22)에서 가공 챔버(18)로 전송된다. 부가적인 가공 및 후처리(post) 증착 챔버(20, 22)는 진공 로드 로크 챔버(12)에 접속될 수 있다. 웨이퍼(15)는 언제나 진공하에 남아 있고, 그래서 가공 스텝 사이에 재오염될 수 없다.
약 3밀리토르(mT) 이하의 매우 낮은 압력하에서 실리콘 웨이퍼의 에칭 균일성이 매우 좋기 때문에, 3mT 또는 그 이하 및 바람직하게는 약 1mT의 압력에서 사전세척 에칭 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 그러나, 그러한 낮은 압력하에서 매우 적은 가스 분자가 존재하기 때문에 챔버에서 플라즈마를 유지하는 것이 매우 어렵다. 플라즈마는 4mT 이상의 압력에서 쉽게 유지될 수 있으나, 산화물 에칭 균일성은 웨이퍼 전체에서 에칭 균일성이 약 15-25% 변화하게 때문에 그렇게 낮은 압력에서 수용할 수 없을 정도로 낮아진다.
그럼에도 불구하고, 낮은 압력에서 에칭한 후, 시간 경과에 따라 재료의 축적이 사전세척 챔버의 벽과 고정물에 여전히 발생한다. 시간 경과에 따라 챔버에서 플라즈마 발생의 효율이 감소하는 것을 알았다.
그래서, 본 발명은 양호한 에칭 균일성과 효율을 유지할 수 있도록 매우 낮은 챔버 압력을 사용하여 사전세척 챔버에서 플라즈마 발생의 효율을 개선시키는 것을 목적으로 한다.
실리콘은 실리콘 웨이퍼로부터 천연 실리콘 산화물층을 스퍼터링 에칭한 후에 사전세척 챔버의 벽에 증착된다. 상기 벽위의 실리콘 박막 및 에칭 챔버의 고정물이 챔버에 결합된 RF 전력을 감소시키고, 그럼으로써 챔버에서 플라즈마 발생 효율을 감소시킨다. 이 실리콘 증착은 피할 수 있으며, 산소가 플라즈마를 형성하기 위해 사용된 아르곤에 부가될 때 매우 낮은 챔버 압력에서 인정된 플라즈마가 유지될 수 있다. 산소는 챔버내 스퍼터링되지 않은 실리콘과 반응하여 실리콘 산화물을 형성한다. 챔버의 벽에 증착되는 실리콘 산화물은 플라즈마 에칭 챔버에 결합된 RF 전력을 감소시키지는 않는다. 챔버에 결합된 RF 전력이 실리콘 증착에 의해 소비되지 않기 때문에, 캐소드 바이어스 전압이 안정되게 있고 플라즈마는 심지어 약 1mT 정도의 매우 낮은 압력에서도 유지된다.
본 사전세척 에칭 가공이 수행될 수 있는 플라즈마 에칭 챔버가 제 2도에 도시되어 있다. 제 2도에서 사전세척 챔버(100)가 2개의 부분으로 분리되는데, 상기 2개의 부분은 세척되어야 될 벽(117)이 지지 전극(119)에 지지되는 스프터링 부분(118)과 플라즈마 발생 부분(123)이다. 챔버(100)는 전극(119) 주위에 배출 채널(124)을 갖고, 채널(124)은 밸브(127)를 통하여 고압 진공 펌프(126)에 접속된다. 아르곤 가스 공급 장치(129)는 플라즈마 발생 부분(123)에 공급된다.
챔버(100)에 접속되는 2개의 전력 소스가 있다. 제 1 RF 발생기(121)가 RF 정합 네트워크(122)를 통하여 기판 지지 전극(119)에 접속된다. 적절히 제 1 RF 발생기(121)는 13.56MHz의 RF 에너지를 지지 전극(119)에 제공한다. 이 파워 소스는 아래에 기술되어 있듯이 플라즈마가 플라즈마 발생부분(123)에서 점화된 후 켜지고, 플라즈마에서 발생된 아르곤 이온들을 끌어당긴다. 아르곤 이온들은웨이퍼(117)의 표면에 부딪쳐 천연 산화물층을 스퍼터링 제거 또는 에칭을 한다.
제 2 RF 발생기(138)는 예를 들면, 코일(136)에 접속된 400kHz 전력 공급 장치이다. 상기 제 2 RF 발생기(138)는 플라즈마 발생 부분(123)에 플라즈마를 형성하기 위해 전력을 공급한다. 상기 전력 공급 장치는 플라즈마에 유도 결합되어 있다. 플라즈마 전력의 역할은 플라즈마에서 이온 밀도를 증가시키는 것이다.
약 1mT의 챔버 압력에서, 스피터링 에칭율은 분당 약 300Å이다. 그래서, 실리콘 웨이퍼에 천연 산화물층을 스퍼터링 제거하는데 약 10초 가량 걸린다. 그러나, 산화물층의 모두가 제거되었는지를 확인하기 위하여, 일반적으로 스프터 에칭이 그 포인트를 초과하여 계속되고 약 100Å 두께의 실리콘층이 역시 스퍼터링 에칭된다. 에칭 챔버의 벽에 증착된 것은 이러한 실리콘이다.
실리콘 기판으로부터 에칭된 이 재료의 일부는 배출 채널(124)을 통하여 챔버(100)으로부터 배출될 것이지만, 그것의 일부는 사전세척 챔버(100)내의 벽과 고정물에 증착될 것이다.
에칭 챔버의 벽에 증착된 재료가 유전체인 실리콘 산화물일 때, 그것은 챔버에 전력 공급을 방해하지 않고, 캐소드 바이어스 전압은 여전히 일정하다. 그러나 실리콘이 챔버 벽에 증착될 때, 플라즈마에 결합된 RF 전력이 감소되고 캐소드 DC 바이어스 전압이 떨어지고, 이로써 스퍼터링 에칭율을 감소된다. 실리콘에서 전력 소비는 벽에서 온도 상술에 의하여 증가된다. 캐소드 DC 바이어스 전압이 너무 낮을 때, 상기 플라즈마는 특히 고 스퍼터링 에칭 균일성이 요구되는 매우 낮은 압력에서 소멸된다.
그래서, 아르곤 플라즈마 전구체 가스에 산소의 부가는 두 가지 목적을 달성하다. 첫째로, 플라즈마에서 산소는 기판으로부터 스퍼터링된 실리콘과 반응하여 실리콘 산화물을 형성한다. 실리콘 산화물이 실리콘보다는 사전처리 에칭 챔버벽에 증착하기 때문에 그리고 실리콘 산화물이 챔버에 결합된 전력을 소비하지 않기 때문에, 캐소드 바이어스 전압은 여전히 일정하다. 1mT의 낮은 압력에서 플라즈마를 유지하고자 하는 두 번째 목적이 달성된다.
아르곤에 부가된 산소의 량은 임계치가 아니고, 적어도 약 5부피%의 산소의 량이 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 요구된다. 아르곤이 산소보다 더 우수한 스퍼터링 가스이기 때문에, 플라즈마 전구체 가스에 제공되는 소정의 아르곤을 가지는 것이 바람직하다. 일반적으로 아르곤내 약 5부피% 내지 약 95부피%의 산소량이 플라즈마 전구체 가스 스트림을 형성하기 위하여 사용된다.
일반적으로, 만약 실리콘 기판의 표면으로부터 실리콘 산화물을 제거하기를 원한다면, 기판 표면에 이론적으로 재증착할 수 있는 실리콘 산화물이 형성되기 때문에 플라즈마 가공 과정에 산소를 부가할 수 있는지 분명하지 않다. 그러나 챔버에서 온도가 사전처리 과정동안 낮기 때문에, 일반적으로 약 200-500℃, 실리콘과 산소는 표면에서 실리콘 산화물을 증착하기 위하여 재결합하지 않고, 스퍼터링 에칭이 실리콘 산화물 증착에 우선한다. 더욱이 실리콘 기판에 높은 반응성에 아닌 단일 결정 실리콘 기판으로 단단히 결합되어 있기 때문에, 기판에서 실리콘이 플라즈마에서 산소 이온과 쉽게 반응하지 않는다. 오히려, 플라즈마에서 산소 이온이 플라즈마에 있는 자유 실리콘 원자 또는 이온과 우선적으로 반응한다. 결과 실리콘산화물은 웨이퍼에 스퍼터링 에칭되기 보다는 챔버 배출 시스템을 통하여 배출되거나 인접한 벽과 고정물에 증착된다.
본 발명은 아래 대조표준과 예에 의하여 더 상세히 기술될 것이고, 그러나 아래의 상세한 기술에만 제한된다는 것은 의미하지 않는다.
대조표준 A
제 2도의 사전처리 챔버에서, 상기 챔버는 적어도 4mT의 압력에서 유지되고, 반면 아르곤 가스는 약 60sccm의 흐름율로 챔버로 흐른다. 6인치 실리콘 웨이퍼는 실리콘 산화물의 약 30Å을 제거하기 위하여 에칭되고 실리콘의 약 100Å 오버 에칭을 수행하기 위하여 에칭된다. 에칭율은 220Å/min이다. 에칭 길이는 웨이퍼 전체에 수용하기 힘든 만큼 높은 19.79%의 높은 표준 오차로 160Å에서 327Å까지 변한다. 두께 변화 맵이 제 3도에 도시된다.
예 1
대조 표준 A의 진행은 챔버에 공급되는 가스가 아르곤 5sccm과 산소 3sccm의 혼합인 것을 제외하고는 반복된다. 에칭율은 285Å/min이고, 웨이퍼 전체의 두께 변화는 6.2%일뿐이다. 웨이퍼 두께 변화 맵이 제 4도에 나타나 있다.
대조표준 B
예 1의 진행이 5sccm 아르곤만이 챔버에 공급되는 것을 제외하고 반복된다. 스퍼터링 에칭율이 614Å/min이지만, 플라즈마는 유지될 수 없다. 두께 변화의 맵이 제 5도에 나타나 있다.
본 발명이 어떤 특정 실시예에 의해 기술되고 그리고 챔버, 다른 진공 시스템의 구성, 사전처리 챔버, 불활성 가스 및 산소가 포함된 가스가 구성될 수 있고, 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 청구된 청구범위의 범위에 의해 제한되지 않는다.
제 1도는 반도체 웨이퍼를 가공하기 위한 다양한 챔버가 진공 상태로부터 웨이퍼를 제거하지 않고 수행될 수 있는 진공 시스템의 평면도.
제 2도는 본 세척 가공을 수행하기 위한 사전세척 플라즈마 에칭 챔버의 개략도.
제 3도 내지 제 5도는 웨이퍼 전체의 두께 균일성의 맵.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
121 : RF 발생기 122 : RF 정합 네트워크
126 : 고압 진공 펌퍼 129 : 아르곤 가스 공급 장치
Claims (4)
- 실리콘 웨이퍼의 표면으로부터 천연 실리콘 산화물을 제거하는 방법에 있어서,a) RF 전력 공급장치에 접속된 진공 챔버의 캐소드위에 실리콘 웨이퍼를 배치하는 단계 ;b) 약 3밀리토르 이하로 상기 챔버의 압력을 유지하는 단계 ;c) 상기 챔버에 아르곤과 산소 혼합물을 제공하는 단계 ;d) 상기 챔버에 플라즈마를 형성하여 상기 플라즈마에 존재하는 산소가 스퍼터링된 실리콘 원자와 반응하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 스퍼터링 에칭 중에 기판의 온도는 약 500℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 아르곤과 산소의 혼합물은 약 5 내지 95부피%의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 플라즈마는 상기 진공 챔버의 플라즈마 부분에 유도 결합된 400kHz 전력 공급 장치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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