KR100558550B1 - 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 관한 것으로서, 즉 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 있어서, 플라즈마 이온 주입 공정이 완료되어 웨이퍼를 반응 챔버의 내부로부터 인출시키면 반응 챔버의 내부로 NF3 가스를 주입하여 순수한 NF3 가스 또는 NF3 플라즈마가 반응 챔버 내부의 포스포러스 폴리머와 반응하면서 기상화시켜 원활하게 배출되도록 하는 포스포러스가 인-시튜 세정에 의해 제거될 수 있도록 함으로써 포스포러스의 제거 효율이 대폭적으로 향상되도록 하는 동시에 PN 공정과 동일한 공정 조건에서 인-시튜 세정을 하게 되므로 작업의 대폭적인 편의를 제공하게 되는 동시에 재차 PN 공정을 수행하는데 따른 시간의 단절을 최소화하여 PN 공정의 효율을 극대화시키도록 한다.
ＮＦ3, 인-시튜 세정, 하부전극, 포스포러스
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 세정 공정의 흐름도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 세정 공정의 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 포스포러스 제거율을 도시한 도표.
본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체의 캐패시터를 형성하는 과정에서 특히 하부 전극을 형성하는 공정 수행 중 발생되어 반응 챔버 내부에 고착되는 포스포러스 폴리머를 간단히 세정 가스를 이용하여 보다 빠르고 간편하게 세정할 수 있도록 하는 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조에서의 세정은 제품의 수율에 직접적인 영향을 미치게 되므로 대단히 중요한 요소 중에 하나이다.
이러한 세정은 직접적으로 웨이퍼를 세정하는 경우와 공정이 수행되는 반응 챔버를 세정하는 두가지 경우로 볼 수가 있는데 이중 웨이퍼 세정은 공정 수행 중에 이루어지도록 하는 반면 반응 챔버의 세정은 일정 주기를 두고 정기적으로 수행하도록 하고 있다.
다시 말해 반응 챔버의 세정은 우선 공정 진행이 중단되게 한 상태에서 반응 챔버를 개방시켜 습식세정을 하는 경우도 있고, 이와는 달리 미국특허 제6,274,058호와 제5,254,176호와 제5,647,953호 및 한국공개특허 제2000-051251호와 같이 세정 가스를 이용하여 반응 증착물 내지는 부산물들이 제거되게 하기도 한다.
한편 반도체의 구조에서 캐패시터는 크게 하부전극과 유전막과 상부전극으로 이루어진다. 이때 하부전극은 통상 도핑된 실리콘막, 전도성 있는 금속막, 금속 산화막, 금속 질화막 또는 금속 산화 질화막 등과 같은 스토리지 폴리 실리콘을 사용하며, 표면에는 반구형 입자층이 형성되도록 하여 유효 표면적이 증가되게 함으로써 전체 커패시턴스가 증가되도록 한다. 이때 반구형 입자층은 HSG(Hemi-Spherical Grain) 실리콘막을 형성시키는 방법을 사용할 수 있다.
반구형 입자층을 형성한 스토리지 폴리 실리콘에는 전면에 걸쳐 불순물 이온 즉 포스포러스(phosphorus)를 주입하여 하부전극에서의 불순물 농도가 증가되도록 한다. 현재 포스포러스를 하부전극에 주입하는 방법에는 열적 PHA(Phosphrous anneal)와 플라즈마 PHA가 있다. 열적 PHA는 기상의 PH3 가스를 반응 가스로 하여 열에너지에 의해 포스포러스 이온들이 내부로 확산되도록 하는 방식이고, 플라즈마 PHA는 기상의 PH3 가스에 플라즈마를 인가하여 PH3 가스를 분해시키고, 분해된 이온들에게 방향성을 부여하여 하부전극의 내부로 포스포러스 이온들이 확산되도록 하는 방식인 바 현재는 플라즈마 PHA에 의해 포스포러스를 주입하는 방식이 주로 적용되고 있다.
하부전극에 포스포러스가 주입되고 나면 하부전극에는 일단 산화막을 형성하고, 이 산화막에는 다시 질화막이 형성되도록 한다.
이와 같이 해서 하부전극이 형성되면 이후 유전체막을 형성하고 다시 그 위에 상부전극을 형성하여 캐패시터를 제조하게 된다.
이때 하부전극의 산화막은 자연 산화막으로 형성할 수도 있으나 포스포러스의 주입 직후 동일한 반응 챔버에서 연속적으로 산화막을 형성시킬 수도 있으며, 특히 포스포러스의 주입으로부터 질화막을 형성하는 공정은 동일한 반응 챔버에서 인-시튜(in-situ)로 진행하는 것이 진공 상태를 지속적으로 유지하면서 공정 수행을 유지할 수가 있어 가장 바람직하다.
상기와 같이 포스포러스의 주입에서부터 질화막 형성에 이르는 공정을 수행하게 되는 반응 챔버는 플라즈마 이온 주입 챔버로서, 포스포러스 주입을 위해 제공되는 소스는 PH3 플라즈마이며, 질화막 형성을 위해 제공되는 소스는 NH3 플라즈마인 바 이들 연속해서 이루어지게 되는 공정을 PN(Phosphorus Nitridation)공정이라고도 한다.
캐패시터에서의 하부전극을 형성하는 방법에 대해서는 이미 본 출원인의 선 등록발명인 특허등록 제0297722호(반도체 소자의 커패시터 제조방법)를 통해서 자세히 제시한 바 있다.
한편 캐패시터를 형성 시 특히 포스포러스를 주입하는 과정에서 주입되는 포스포러스 이온 외에 미처 웨이퍼에 주입되지 못한 포스포러스는 반응 챔버의 내부에 증착되어 파티클의 원인이 되기도 한다. 즉 반응 챔버에 주입되는 포스포러스는 PH3 가스로서 주입되어 반응 챔버의 내부에서 튜브나 보트나 보트 캡 또는 배기관 등에 증착되고, 공정의 진행 횟수가 증가할수록 증착된 포스포러스의 두께가 늘어나면서 일정 이상이 되면 일부가 떨어져 나와 공정 수행 중인 웨이퍼에 치명적인 공정 오류를 유발시키게 되는 원인이 된다.
따라서 포스포러스를 주입하는 공정을 수행하는 반응 챔버에서는 이렇게 미주입되어 반응 챔버의 내부에 증착되는 폴리머들을 제거하기 위하여 현재는 일정 주기마다 습식 세정을 하도록 하고 있다.
하지만 습식 세정을 통한 포스포러스의 제거는 제거 효율이 떨어질 뿐만 아니라 세정 작업 이후에도 여전히 고착되어 있는 잔류물이 있어 재차 공정이 수행되면서 공정 오류의 원인이 되기도 하고, 특히 주기적으로 자주 세정을 실시해야 하므로 설비 가동율이 떨어져 제품 생산성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 PN공정을 수행하면서 일정 주기로 반응 챔버의 내부로 세정 가스를 공급함으로써 반응 챔버의 내부에 증착된 포스포러스 폴리머와 세정 가스의 화학 반응에 의해 포스포러스 폴리머를 기상화하여 제거할 수 있도록 하는 세정 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 있어서, 플라즈마 이온 주입 공정이 완료되어 웨이퍼를 반응 챔버의 내부로부터 인출시키는 단계와; 상기 반응 챔버의 내부로 NF3 가스를 주입하는 단계와; 및 상기의 단계를 통해서 상기 반응 챔버 내부의 포스포러스 폴리머를 기상화시켜 배출하는 단계로서 수행되도록 하는 것이다.
또한 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 있어서, 플라즈마 이온 주입 공정이 완료되어 웨이퍼를 반응 챔버의 내부로부터 인출시키는 단계와; 상기 반응 챔버의 내부로 NF3 가스를 주입하는 단계와; 상기 반응 챔버에 RF 파워를 인가하여 NF3 플라즈마를 형성하는 단계와; 상기의 NF3 플라즈마에 의해 상기 반응 챔버 내부의 포스포러스 폴리머를 기상화시켜 배출하는 단계로서 수행되게 할 수도 있다.
본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치에서의 하부 전극을 형성하기 위한 PN 공정 수행에 의한 부산물로서 발생되는 포스포러스 폴리머를 인-시튜 건식 세정에 의 해 제거할 수 있도록 하는 것이다.
이때 반응 챔버의 내부로 공급되는 세정 가스로는 NF3 가스를 이용하는 것이 가장 두드러진 특징이다.
물론 NF3 가스는 반도체 제조 장치에서 다양한 반응 챔버의 세정에 주된 세정 가스로서 이미 사용되고 있기는 하나 특히 아래의 표에서와 같이 고형의 포스포러스 폴리머와의 원활한 반응성을 갖고 있어 가장 효과적이라 할 만하다.
(표 1)
| 온도(K) | H(KJ) | G(KJ) |
| 298.1 | -299 | -468.2 |
| 300 | -298.8 | -469.2 |
| 400 | -282.8 | -528.4 |
| 500 | -265 | -592 |
| 600 | -246.1 | -659 |
| 700 | -226.1 | -729.3 |
| 800 | -204.8 | -802.6 |
| 855.3 | -192.4 | -844.3 |
위의 표에서는 NF3 가스와 고형의 포스포러스의 반응에 대한 열역학 계산 결과를 도시한 것인 바 온도별 엔탈피 에너지(enthalpy energy)와 가역반응(gibbs free energy)애 대한 결과로서, 이때의 NF3 가스와 포스포러스와의 반응은 가역반응이 음의 값으로 나오고 있으므로 두 물질간 반응이 자발적으로 이루어지고 있음을 의미하고 있다.
이와 함께 하기의 표에서는 NF3 가스와 고형의 포스포러스의 반응 온도에 따른 주요 생성물들 및 이들의 몰(mol)수 변화에 대한 열역학 계산 결과를 보여주고 있다.
(표 2)
상기의 표를 통해 NF3 가스와 포스포러스 반응의 주요 생성물은 모두 가스 상태의 N2와 PF3임을 확인할 수가 있으며, 하기의 식과 같이 변화됨을 알 수가 있다.
2NF3 + 2P →N2 + 2PF3
이때 반응 온도에 다른 주요 생성물들의 몰수 변화는 거의 없으므로 결국 NF3 가스와 포스포러스 반응 시 반응 챔버의 온도와는 전혀 관계가 없음을 알 수가 있다.
또한 상기의 표를 통해 알 수 있는 바와 같이 포스포러스를 제거하는 데에는 NF3 가스가 가장 적당할 뿐만 아니라 저온에서도 포스포러스의 제거가 가능함을 알 수가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
(실시예 1)
도 1에서와 같이 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치에서의 반응 챔버 내에 증착되어 있는 포스포러스 폴리머를 세정하는 방법에 대한 것이다.
반응 챔버를 세정하기 위해서는 우선 플라즈마 이온 주입 공정이 완료되어야만 한다. 다시 말해 PN 공정을 수행하는 횟수 등의 일정한 기준을 마련하여 일정 주기에서 공정 수행이 중단되도록 한다.
공정 중단은 반응 챔버에서 이미 공정이 완료된 웨이퍼를 내부로부터 인출시킨 직후 웨이퍼의 로딩이 중단되도록 하는 것이다.
이와 같은 단계는 인-시튜 세정을 위한 준비 단계이며, 이러한 상태에서 반응 챔버의 내부에 NF3 가스가 주입되도록 한다.
반응 챔버의 내부로 NF3 가스가 주입되면 이 NF3 가스와 이미 반응 챔버의 내부에서 여러 부위에 증착되어 있는 포스포러스 폴리머와 반응하면서 포스포러스 폴리머를 기상화시키고, 이러한 기상의 포스포러스는 반응 챔버의 배기 라인을 통해서 배출이 된다.
이러한 과정을 통해 포스포러스를 제거하는 반응 챔버에의 주입할 NF3 가스의 유량은 약100㏄~1000㏄가 되도록 하며, 세정 중 반응 챔버의 온도는 NF3 가스와 포스포러스간 열역학 계산 결과에서도 보았듯이 상호 반응에 전혀 영향을 미치지 않으므로 본래 PN 공정 수행의 공정 온도인 약 100℃~700℃로서 유지되도록 하고, 다만 내부의 압력은 배기 라인을 통하여 NF3 가스와의 반응에 의해 기상화된 포스포러스의 배출이 용이하도록 약 20torr~10torr가 되도록 하는 것이 보다 바람직하다.
한편 본 실시예에서와 같이 반응 챔버에 NF3 가스만을 주입하여 NF3 가스와 직접 포스포러스 폴리머가 반응하도록 하는 데에는 다소 반응 시간이 영향을 미치므로 충분한 시간을 갖고 NF3 가스와 포스포러스가 반응하도록 하는 것이 가장 바람직하다.
(실시예 2)
도 2에서와 같이 본 실시예에서 반응 챔버를 세정하기 위하여 우선 플라즈마 이온 주입 공정이 일시 종료되도록 한 후 NF3 가스를 반응 챔버에 주입하는 것은 전술한 실시예에서와 동일하다.
다시 말해 PN 공정을 수행하는 횟수 등의 일정한 기준을 마련하여 일정 주기에서 공정 수행이 잠시 중단되도록 하고, 반응 챔버에서 이미 공정이 완료된 웨이퍼를 내부로부터 인출시킨 직후 더 이상 웨이퍼를 로딩시키지 않는 상태에서 반응 챔버의 내부에 NF3 가스가 주입되도록 한다.
이와 같이 NF3 가스가 주입될 때 반응 챔버에는 RF 파워를 인가하여 NF3 플라즈마가 생성되도록 한다.
반응 챔버의 내부에서 생성되는 NF3 플라즈마가 포스포러스 폴리머를 기상화시키고, 이러한 기상의 포스포러스는 반응 챔버의 배기 라인을 통해서 배출이 된다.
한편 본 실시예에서도 포스포러스를 제거하는 반응 챔버에의 주입할 NF3 가스의 유량은 약100㏄~1000㏄가 되도록 하며, 세정 중 반응 챔버의 온도는 NF3 가스와 포스포러스간 열역학 계산 결과에서도 보았듯이 상호 반응에 전혀 영향을 미치지 않으므로 본래 PN 공정 수행의 공정 온도인 약 100℃~700℃로서 유지되도록 하고, 다만 내부의 압력은 배기 라인을 통하여 NF3 플라즈마와의 반응에 의해 기상화된 포스포러스의 배출이 용이하도록 약 20torr~10torr가 되도록 하는 것이 보다 바람직하다.
또한 본 실시예에서 반응 챔버에 인가되어 NF3 플라즈마를 생성하게 되는 RF 파워는 약100W~500W로서 유지되도록 하되 다만 전기한 실시예에서와 마찬가지로 NF3 플라즈마와 포스포러스 폴리머가 반응하는 데에는 다소 반응 시간이 영향을 미치므로 충분한 시간을 갖고 반응하도록 하는 것이 가장 바람직하다.
특히 본 실시예에서는 단순히 가스상태의 NF3를 이용할 때보다 NF3 플라즈마를 이용할 때 더욱 낮은 반응 챔버의 온도에서도 보다 높은 포스포러스 제거 효과를 기대할 수가 있다.
따라서 도 3에서와 같이 NF3 플라즈마를 이용하여 300℃에서 약 3시간 가량 을 세정하였을 때 포스포러스가 약 95%이상 제거됨을 확인할 수가 있다.
그리고 단순히 NF3 가스를 이용할 때보다는 NF3 플라즈마를 이용할 때의 포스포러스 제거 효과가 높다는 것을 알 수가 있다.
이상의 실시예들을 통해 본 발명은 우선 습식 세정이 아닌 건식 세정을 하면서 인-시튜 세정이 가능토록 하므로 세정 작업이 대단히 간편해지도록 한다.
또한 종전의 습식 세정에 비해서 세정 효율이 대폭 향상되고, 특히 포스포러스 세정을 위해 PN 공정을 중단시키게 되는 시간을 최소화할 수가 있다.
한편 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다는 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 PN 공정을 수행한 직후 일시적으로 공정 수행을 종료한 상태에서 간단히 반응 챔버의 내부로 세정 가스인 NF3 가스를 주입하여 이 NF3 가스와 포스포러스 폴리머 또는 NF3 플라즈마와 포스포러스 폴리머의 반응에 의해 포스포러스가 인-시튜 세정에 의해 제거될 수 있도록 함으로써 포스포러스의 제거 효율이 대폭적으로 향상되도록 한다.
또한 본 발명은 PN 공정과 동일한 공정 조건에서 인-시튜 세정을 하게 되므로 작업의 대폭적인 편의를 제공하게 되는 동시에 재차 PN 공정을 수행하는데 따른 시간의 단절을 최소화하게 되므로 PN 공정의 효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
Claims (9)
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- (정정)플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법에 있어서,플라즈마 이온 주입 공정이 완료되면 웨이퍼를 반응 챔버의 내부로부터 인출시키는 단계와;상기 반응 챔버의 내부로 NF3 가스를 주입하는 단계와;상기 반응 챔버에 RF 파워를 인가하여 NF3 가스와의 반응에 의해 NF3 플라즈마를 형성하는 단계와;상기의 NF3 플라즈마가 상기 반응 챔버 내부에 증착되어 있는 포스포러스 폴리머와의 화학적 반응에 의해 상기 포스포러스 폴리머를 기상화시키도록 하여 배출되도록 하는 단계:로서 수행되는 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 NF3 가스의 주입 유량은 약 100㏄~1000㏄로 되는 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 반응 챔버에서의 세정 중 내부 온도는 100℃~700℃ 인 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 반응 챔버에서의 세정 중 내부 압력은 20torr~10torr인 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 반응 챔버에 인가되는 RF 파워는 약 100W~500W인 플라즈마 이온 주입 장치의 포스포러스 세정방법.
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