KR100602334B1 - 플라즈마 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼레스 오토 클리닝(Waferless auto cleaning)을 이용한 플라즈마 세정 방법에 관한 것으로, 웨이퍼 식각후 폴리머계 이물이 잔류하는 플라즈마 반응로에 있어서, 상기 웨이퍼를 제거한 후 상기 플라즈마 반응로에 세정 가스를 주입하는 단계, 상기 세정 가스를 활성화시키어 플라즈마 세정 가스를 형성하는 단계, 상기 플라즈마 세정 가스를 이용하여 상기 폴리머계 이물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

플라즈마 식각 장치

Description

플라즈마 세정 방법{A PLASMA CLEANING METHOD}

도 1 은 종래기술의 플라즈마 세정 방법을 나타낸 도면

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 방법을 나타낸 도면

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20 : 플라즈마 챔버 21 : 정전척

22 : 플라즈마 반응로 23 : 플라즈마

24 : 폴리머계 이물 25 : 펌프

본 발명은 반도체 소자의 식각 공정에 관한 것으로, 특히 플라즈마 장치의 반응로 내측 표면에 형성된 폴리머계 이물을 제거하기 위한 플라즈마 세정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 세정법(plasma cleaning)은 반도체 기판상에 형성된 비휘발성 물질층을 건식 식각(dry etching)한 후 플라즈마 반응로(plasma reactor)의 내측 표면에 발생되는 폴리머계 이물을 제거하는 공정을 말한다.

즉 식각 공정 후 발생되는 웨이퍼 표면 및 챔버 내측의 이물들을 제거하기 위한 공정을 말한다.

한편 감광막(photoresist), 반사 방지막(Anti Reflective Coating), 메탈을 포함한 적층 막(stacked layer)들은 건식 식각을 이용하여 식각하며, 메탈은 Cl₂가스를 이용하여 식각하고 폴리실리콘은 SF₆가스를 이용하여 식각한다.

그리고 실리콘디옥사이드(SiO₂)는 CF₄를 이용하여 식각하고, 포토레지스트는 O₂를 이용하여 식각한다.

최근의 건식 식각 세정법(dry etching cleaning)은 카본계 이물(carbon-base residues)을 제거하는데 산소(O₂;Oxygen) 가스를 이용하고 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 종래기술에 따른 플라즈마 세정 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래기술의 플라즈마 세정 방법을 나타낸 도면이다.

즉 반도체 소자의 제조 공정 중 식각 공정으로 인해 발생되는 이물들, 즉 플라즈마 장치의 반응로의 내측 표면에 형성되는 폴리머계 이물(polymer resideus) (15)을 제거하기 위한 플라즈마 장치(10)를 도시하고 있다.

먼저 식각가스를 이용한 전도 물질층 예를 들면 게이트전극의 식각공정이 진행된 후, 플라즈마 장치의 반응로(12)의 측벽에는 감광성 이물 및 카본계 이물이 형성된다.

이 때 상기 반응로(12)는 정전척(Electro Static Chuck;ESC)(11)을 이용한다.

이와 같은 상기 폴리머계 이물(15)을 제거하기 위해 종래기술은 배어 웨이퍼 (13)를 이용하는데, 상기 정전척(11)의 상부에 배어 웨이1퍼(bare wafer)(13)를 안착하고, 가스 주입구를 통해 혼합 세정 가스(mixture of cleaning gas)를 주입한다.

이 때 혼합 세정 가스는 100[sccm]의 Cl₂ , 150[sccm]의 SF₆ 로 구성된다.

이어 700 watt의 TCP(transformer coupled plasma) 소오스 파워를 상기 반응로(12)에 공급하여 플라즈마 세정 가스(14)를 형성한다.

즉 상기 반응로(12)의 압력을 10[mTorr]로 유지한 상태에서, 상기 TCP 소오스 파워를 700 [W/cm²]로 공급하여 반응로(12)내에 플라즈마 세정 가스(14)를 유도하므로써 반응로(12) 측벽에 형성된 폴리머계 이물(15)이 플라즈마 세정 가스(14)와 반응한다.

이 때 상기 플라즈마(14)는 반응로(12)의 측벽에 형성된 폴리머계 이물들 (15)과 화학반응을 일으키어 휘발성 이물들을 형성한다.

이어 상기 휘발성 이물들은 상기 반응로(12)의 외측에 구비된 펌프(16)에 의해 외부로 배출된다.

이처럼 종래기술은 TCP 소오스 파워를 공급하여 플라즈마를 유도하고 배어 웨이퍼를 이용하여 반응로 측벽에 형성된 이물들을 제거한다.

그러나 상기와 같이 종래기술에 따른 플라즈마 세정 방법은 에이징(aging)으 로 오랜 시간 이용된 배어 웨이퍼의 오염때문에 반응로의 측벽에 폴리머계 이물이 증가되며, 또한 식각된 배어 웨이퍼의 쪼개짐(broken)으로 인해 반응로에 대한 추가 세정이 필요하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 특히 웨이퍼리스 오토 세정(waferless auto cleaning)을 이용하는 플라즈마 세정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 세정 방법은 웨이퍼 식각후 폴리머계 이물이 잔류하는 플라즈마 반응로에 있어서, 상기 웨이퍼를 제거한 후 상기 플라즈마 반응로에 세정 가스를 주입하는 단계, 상기 세정 가스를 활성화시키어 플라즈마 세정 가스를 형성하는 단계, 상기 플라즈마 세정 가스를 이용하여 상기 폴리머계 이물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 방법에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 방법을 나타낸 도면이다.

즉 본 발명의 실시예는 배어 웨이퍼를 이용하지 않고, 정전척(21)을 구비한 플라즈마 반응로(22)의 내측 표면에 형성된 폴리머계 이물(24)을 제거하는 방법을 제공한다.

상기와 같은 폴리머계 이물(24)은 플라즈마 반응로(21)내에서 플라즈마(O₂, Cl₂ 또는 SF₆ 플라즈마)를 이용하여 반도체 소자의 제조 공정 중 적층막을 건식 식각할 때 형성된다.

또한 상기 폴리머계 이물(24)은 메탈, 실리케이트(silicate), 염소, 유기물 (organics) 또는 이들의 혼합물(mixture)을 포함한다.

그리고 염소(chlorine;Cl₂), 산소(oxidizing gas;O₂)로부터 형성된 플라즈마는 플라즈마 반응로(22)의 내측 표면으로부터 폴리머계 이물(24)을 제거하는데 이용한다.

또한 반도체 소자의 제조에 있어서 Cl₂ 플라즈마를 이용하여 배리어 메탈을 포함한 적층막을 건식 식각할 때 폴리머 이물(24)을 완전히 제거하기 어렵기 때문에, 본 발명의 실시예는 SF₆ 플라즈마를 첨가하여 식각한다.

상기와 같은 건식 식각 폴리머계 이물(24)은 적층막과 포토레지스트를 순차적으로 식각할 때 생성되는 부산물들이다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 방법에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 정전척(21)을 구비한 플라즈마 식각 장치(20)에서 웨이퍼상에 적층된 HLD 산화막, 폴리실리콘(polysilicon), 텅스텐실리사이드(WSi), ARC(Anti Reflec tive Coating)을 건식 식각한다.

이 때 플라즈마 반응로(22) 내측 표면에 감광성 이물(photoresist-base residue) 및 텅스턴계 이물(tungsten-base residue)등 폴리머계 이물(24)이 형성된 다.

여기서 상기 감광성 이물은 적층막 패터닝을 위한 마스크로 이용되는 포토레지스트(photoresist)를 건식 식각하여 형성되고, 텅스턴계 이물(W_xF_y)은 텅스텐실리사이드층을 건식 식각하여 형성된다.

또한 상기 ARC를 건식 식각하여 카본계 이물(carbon-base residue)(C_xH_yO_z)이 형성된다.

이어 상기 플라즈마 반응로(22)의 내부를 비우고, 즉 정전척(21)상의 웨이퍼를 제거하고 플라즈마 세정 공정을 진행한다.

먼저 상기 플라즈마 반응로(22)내로 O₂, Cl₂, SF₆를 혼합한 세정 가스를 주입하고 상기 플라즈마 반응로(22)내의 압력을 10 [mtorr]로 유지한다.

이어 상기 10 [mtorr]의 압력을 유지하는 플라즈마 반응로(22)에 700 Watt의 에너지를 갖는 TCP 소오스 파워를 공급한 상태에서 세정가스 혼합물을 플로우시킨다.

여기서 상기 세정 가스 혼합물은 20%(20 sccm) 체적의 O₂ , 20%(20 sccm) 체적의 Cl₂ , 60%(60 sccm) 체적의 SF₆ 으로 구성된다.

그리고 상기 O₂ 는 종래기술에서는 사용하지 않았던 것으로 카본계 이물을 제거하기 위함이다.

이어 상기 활성화된 세정 가스는 플라즈마 세정 가스(23)로 변환되고, 상기 플라즈마 세정 가스(23)는 플라즈마 반응로(22)의 내측 표면과 반응한다.

여기서 상기 플라즈마 반응로(22)는 바이폴라(bipolar) 또는 유니폴라 (unipolar) 형태의 정전척(Electro Static Chuck;ESC)(21)을 이용하고, 상기 정전척(21)상부에 종래기술과 달리 배어 웨이퍼를 안착하지 않는다(waferless).

이어 상기 폴리머계 이물(24)과 플라즈마 세정가스(23)의 화학반응을 설명하면 다음과 같다.

① C_xH_yO_z(s) + O₂(g) → CO₂(g)↑ + H₂O(g)

② W_xF_y(s) + SF₆(g) → WF₆(g)↑ + S(g)

이 때 상기 ① 은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 공정에서 이루어지는 카본계 이물과 O₂ 플라즈마 세정 가스의 화학 반응을 나타내고 있다.

즉 O₂ 플라즈마 세정 가스는 상기 플라즈마 반응로(22)의 내측에 형성된 카본계 이물(C_xH_yO_z(s))과 반응하여 반응부산물인 CO₂(g) 와 H₂O 을 생성한다.

그리고 상기 ② 은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정 공정에서 이루어지는 텅스턴계 이물과 SF₆ 플라즈마 세정 가스의 화학 반응을 나타내고 있다.

즉 상기 SF₆ 플라즈마 세정 가스는 상기 플라즈마 반응로(22)의 표면에 형성된 텅스턴계 이물(W_xF_y)과 반응하여 반응 부산물인 WF₆(g) 와 S(g) 을 생성한다.

상기와 같이 형성된 휘발성 물질인 CO₂(g) 와 WF₆(g)는 플라즈마 반응로(22)의 외측에 구성되는 기계적 펌프(25)를 통해 밖으로 배출된다.

이와 같은 플라즈마 반응로(22)의 측벽에 형성된 이물의 세정 공정은 상기 플라즈마 반응로(22)에 존재하는 폴리머계 이물(24)의 양에 따라 일반적으로 15 분 ~ 30 분 정도의 시간을 요구된다.

또한 고체물질인 폴리머계 이물이 가스 형태로 변환되도록 화학 반응이 이루어지기 때문에, 플라즈마 반응로내에 어떠한 부산물도 존재하지 않도록 완전히 세정하는 것이 가능하다.

이와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 세정 방법은 세정 가스로 Cl₂/O₂/SF₆ 혼합물을 이용하므로써, 식각 공정중 발생하는 반응로 측벽의 폴리머계 이물을 효율적으로 제거할 수 있다.

또한 배어 웨이퍼를 이용하지 않으므로써 식각시 발생되는 배어 웨이퍼의 오염으로 인한 추가로 발생되는 폴리머계 이물을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 웨이퍼 식각후 폴리머계 이물이 잔류하는 플라즈마 반응로에 있어서,

   상기 웨이퍼를 제거한 후 상기 플라즈마 반응로에 O₂, Cl₂ 및 SF₆ 를 포함한 세정 가스를 주입하는 단계,

   상기 세정 가스를 활성화시키어 플라즈마 세정 가스를 형성하는 단계,

   상기 플라즈마 세정 가스와 상기 폴리머계 이물이 반응하여 발생된 반응부산물이 상기 반응로 밖으로 배출되는 단계를 포함하는 플라즈마 세정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 세정 가스는 20 sccm의 O₂ ,20 sccm의 Cl₂ ,60 sccm의 SF₆ 를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마 세정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마 반응로는 상기 폴리머계 이물을 세정하는 동안 10 mtorr의 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응 부산물은 CO₂ ,WF₆ 를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마 세정 방법은 상기 웨이퍼상에 형성된 폴리실리콘, 텅스텐실리사이드, ARC 와 감광막을 포함한 적층막을 건식 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정 방법.

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