KR100719801B1 - 반도체 장비의 내식성 강화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 장비의 내식성 강화 방법에 관한 것으로, (a)알루미늄 용기 내부에 부식성 성분으로 불소성분(F)만을 함유한 기체를 고온에서 용기내로 유입시키는 단계; (b)유입된 기체와 용기 내부를 구성하는 금속을 반응시켜 AlF3 와 같은 내식성 금속불화물을 미리 형성시키는 단계; (c)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계; 및 (d)Cl2 및 ClF3 등 염소성분(Cl)을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 장비의 내식성 강화 방법은 클리닝 기체를 이용하여 자체 보호막을 형성시킴으로서 효율적으로 금속의 부식을 막을 수 있으며, 증착 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
반도체 공정, 불화물, 내식성

Description

반도체 장비의 내식성 강화방법{Method of Strengthening corrosion resistance of semiconductor device}
도 1a는 Ti-F 시스템의 깁스 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프.
도 1b는 Ti-Cl 시스템의 깁스 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프.
도 1c는 Al-Cl 시스템의 깁스 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프.
도 1d는 Al-F 시스템의 깁스 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프.
도 1e는 Ni-F 시스템의 깁스 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 장비의 내식성 강화방법을 나타내는 도면.
본 발명은 반도체 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 공정시 사용되는 장비의 내식성을 강화하는 방법에 관한 것이다.
반도체 증착 공정에 있어서 많은 금속 증착 공정에서 알루미늄(Al)등의 금속 소재의 용기와 샤워헤드, 또한 알루미늄을 포함한 질화알루미늄(AlN) 등의 히터를 사용하고 있다.
종래 기술에 있어서는 공정의 일정한 주기가 되면 용기 내부의 오염을 제거 하기 위하여 ClF3, 염소(Cl2) 등의 부식성 기체를 흘려 넣는다. 이 때, 타이타늄(Ti), 질화타이타늄(TiN), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 금속이 제거가 되어 용기 내부 부품위에 증착된 금속성분을 제거하여 다시 초기상태의 깨끗한 상태로 돌릴 수 있지만, 이러한 부식기체들은 용기를 이루는 재질도 부식을 시키므로, 정확한 종료 시점(end point)를 설정하기가 쉽지 않고, 고온에서는 반응속도가 높아서, AlN 히터 등의 핵심부품의 표면을 손상시키는 단점이 있다.
일례로, Ti/TiN CVD 증착 공정에서는 AlN 히터를 흔히 쓰는데, 이러한 히터 손상을 막기 위하여 600℃ 이상의 온도에서 300℃ 내외로 온도를 낮추어 ClF3으로 장시간 클리닝(cleaning)을 하고 다시 온도를 올리는 등의 비효율적인 프로세스를 하고 있다.
또한 염소나 불소를 함유하는 기체를 이용한 반도체 공정의 클리닝 공정에 있어서 알루미늄 등의 금속을 함유한 소재의 용기, 샤워헤드, 히터는 부식이 되기 쉬우므로 클리닝시의 반도체 소자로의 원하지 않는 금속성분의 유입 및 과부식에 의한 시스템의 손상 등이 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상기된 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 알루미늄 성분이 고체형태의 내식성이 있는 불화물을 형성시키는 원리를 이용하여 알루미늄 등의 금속성분 및 이를 포함하는 질화물, 산화물 재질의 부품에 내식성을 부여하고, 이를 활용하여 고온에서도 자유롭게 염소, 불소 등의 기체를 이용한 클 리닝(cleaning)을 하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 반도체 장비의 내식성 강화 방법은 (a)알루미늄 용기 내부에 염소성분을 함유하지 않고, 불소성분(F)만을 함유한 기체를 고온에서 용기내로 유입시키는 단계; (b)상기 (a)단계의 결과로서 유입된 기체와 용기 내부를 구성하는 금속을 반응시켜 내식성 금속불화물을 미리 형성시키는 단계; (c)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계; 및 (d)염소성분(Cl)을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 반도체 장비의 내식성 강화 방법은 (a)표면이 티타늄 합금인 용기 내부에 알루미늄 소스를 동시에 또는 순차적으로 유입하여 TiAl 또는 TiAlN을 증착시키는 단계; (b)염소 또는 불소 함유 기체로 티타늄 성분만을 에칭하는 단계; (c)상기 (b)단계에서 잔류하는 알루미늄 성분을 이용하여 불화막을 형성하는 단계; (d)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계; 및 (e)염소성분(Cl)을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
일반적으로 많은 금속은 염소(Cl)와 고온에서 반응하여 기체형태의 반응생성물을 형성한다.
도 1a에서 도 1e는 각각 Ti-F, Ti-Cl, Al-Cl, Al-F 및 Ni-F 시스템의 깁스(Gibbs) 자유에너지 곡선을 나타내는 그래프로서, 화학반응의 표준 깁스 에너지를 계산하면 반응이 이루어지는 여부를 알 수 있다. 표준 깁스 에너지 차이는 0 이하의 음수일 때 반응이 일어나며, 그 수치가 클수록 반응이 일어나는 정도가 더욱 크다고 할 수 있다.
물론, 실제의 화학반응에 있어서는 기체의 분압이나 속도론 등의 다양한 변수가 있지만 금속과 염소, 불소 등의 반응은 특별한 화학반응의 속도론적인 제약이 없이 고온에서 반응이 잘 일어나서 반도체공정의 에칭 등의 많은 공정에서 이미 경험적으로도 확인되고 있다. 따라서 열역학적인 반응에 대한 이러한 평가의 정확성은 아주 높은 편이다.
도 1a를 참고하면 티타늄(Ti)은 가장 아래쪽에 표시한 반응으로 약 340℃ 이상에서 가장 안정한 TiF4(g)의 기체 반응생성물을 형성하며, 염소(Cl)와도 도 1b에 나타낸 바와 같이 가장 안정한 TiCl4(g)의 기체 반응 생성물을 만든다.
또한 도 1c과 같이 알루미늄(Al)의 경우도 염소와 고온에서 AlCl3(g) 또는 Al2Cl6(g)를 형성시킨다.
이러한 기체생성물을 형성시키면 반응의 결과로 지속적으로 금속성분이 제거가 되기 때문에 실제적인 에칭현상이 생기며 질화 알루미늄(AlN) 히터의 경우에도 부식이 일어나게 된다.
그런데, 염소 성분과는 달리, 불소 화합물의 경우, 도 1d, 1e에서 나타나는 것 같이 AlF3(s), NiF2(s) 등의 고체화합물이 가장 안정된 반응생성물일 때에는 먼저 생긴 고체화합물이 추가적인 불소 이온이나 금속 양이온의 확산을 막는 보호막 역할을 하여서, 에칭을 막을 수 있다.
따라서 이러한 현상을 이용하면, 용기 내부의 내식성 부품을 효과적으로 보호할 수 있는 방법이 가능하다.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 장비의 내식성 강화 방법의 순서를 나타내는 것으로서 (a)용기 내부에 불소성분(F)만을 함유한 기체를 용기내로 유입시키는 단계, (b)유입된 기체와 용기 내부를 구성하는 금속을 반응시켜 내식성 금속불화물을 미리 형성시키는 단계, (c)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계, 그리고 (d)염소성분을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계로 구성된다.
상기 도 2의 구성요소에 의거하여 본 발명에 의한 반도체 장비의 내식성 강화 방법을 상세히 설명하기로 한다.
우선 (a)단계에서는 용기 내부에 F2, NF3 등의 염소성분을 함유하지 않고, 부식성 성분으로 불소성분(F)만을 함유한 기체를 고온에서 용기내로 유입시킨다.
(b)단계에서는 (a)단계의 결과로서 유입된 기체와 용기 내부를 구성하는 금속을 반응시켜 AlF3 와 같은 내식성 금속불화물을 사전에 형성시킨다.
이 경우 내식성 금속불화물에 의한 불화막을 형성시키는 공정을 강화시키기 위하여 (b)단계 이전에 플라즈마를 이용하여 용기 내부에 유입된 불소 성분을 함유하는 기체를 활성화시키는 단계를 더 포함시킬 수 있다.
용기 내부를 구성하는 금속이 알루미늄 또는 니켈과 같이 고온에서 고체 불화막을 형성시키는 재질인 경우, F2, NF3 등과 같은 불소(F)를 함유하는 기체를 용기에 유입하여 직접 불화시키켜 내식성 불화물을 형성할 수 있다.
만일 용기 내부를 구성하는 재질이 알루미늄과 같이 자체적으로 내식성 불화물을 형성하지 않는 금속이거나, 질화 알루미늄(AlN)과 같이 AlF3 등의 불화물 형성시 표면이 매끄럽지 않고 요철을 발생시키거나 분말을 형성할 가능성이 있는 경우에는 별도의 알루미늄, 니켈(Ni)을 증착하거나, 또는 이를 포함한 질화물을 증착한 뒤 이를 이용하여 내식성 불화물을 형성할 수도 있다.
이의 주요한 예로, Ti/TiN 등의 증착을 위한 용기에 사용되는 AlN 히터 위에 직접 F2, NF3를 불어 넣을 경우 AlF3을 형성하면서 표면에 분말이 생겨서 히터가 손상을 입을 수 있다.
이때, TiN 증착시 트리메틸 알루미늄(Trimetyl Aluminium; TMA) 등의 알루미늄 함유 기체를 용기 내부에 소량 불어넣으면 TiAlN이 히터 위에 증착되는데, 이 때, ClF3을 용기에 넣어주면 티타늄(Ti) 성분은 염소나 불소 성분과 함께 제거되고 접착력과 내식성이 우수한 AlF3 막이 히터 위에 증착되어 이 후의 공정에서 안정된 내식성을 가지게 된다.
이러한 방법은 용기 내에서 기존 증착하던 막 성분에 알루미늄 성분을 추가하여 활용한 예이며, 보다 본격적으로 유사한 형태로 AlCl3 등의 기타 알루미늄 성분과 불소 성분을 용기 내부에 유입하여 증착하는 방법도 가능하다.
(c)단계에서는 반도체 기판에 금속을 증착한다.
(d)단계에서는 Cl2 또는 ClF3 등과 같이 염소(Cl)성분을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝한다.
용기 내부 금속 또는 금속 질화막의 금속성분이 티타늄(Ti)과 같이 알루미늄과 3원계 합금을 이루는 경우, 티타늄(Ti)의 예를 들면, 금속 또는 금속 질화막 증착시 티타늄(Ti) 소스와 알루미늄(Al) 소스를 함께 또는 순차적으로 유입하여 TiAl 또는 TiAlN을 증착시킨 후, 염소(Cl) 또는 불소(F) 함유 기체로 티타늄 성분만을 에칭하면서 잔류하는 알루미늄 성분을 이용하여 안정된 불화막을 형성할 수 있다.
이 경우 금속성분이 티타늄에 한하지 않고, 알루미늄과 합금을 이루는 다른 성분의 금속막 및 질화막에도 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
본 발명에 따른 반도체 장비의 내식성 강화 방법은 반도체 반응용기 및 부품에 금속 및 금속질화물 위에 고온에서 안정한 고체를 이루는 불화막을 생성시킴으로써, 고온에서의 염소(Cl) 함유기체의 고온에서의 클리닝을 가능하게 하여 시스템의 내구성을 높이고, 또한 증착시간을 단축하여 공정 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 반도체 장비의 용기 및 용기 내부 부품의 내식성을 강화하는 방법에 있어서,
    (a)용기 내부에 염소(Cl)성분을 함유하지 않고, 불소(F)성분을 함유한 기체를 고온에서 용기 내로 유입시키는 단계;
    (b)상기 (a)단계의 결과로서 유입된 기체와 용기 내부를 구성하는 금속을 반응시켜 내식성 금속불화물을 미리 형성시키는 단계;
    (c)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계; 및
    (d)염소(Cl)성분을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계 이전에 불화막을 형성시키는 공정을 강화시키기 위하여 플라즈마를 이용하여 용기 내부에 유입된 불소 성분을 함유하는 기체를 활성화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기 내부를 구성하는 금속이 고온에서 고체 불화막을 형성시키는 재질인 경우, 불소(F)성분을 함유하는 기체를 용기에 유입하여 직접 불화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용기 내부를 구성하는 금속은 알루미늄(Al) 또는 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용기 내부를 구성하는 금속이 고온에서 고체 불화막을 형성시키지 않는 재질인 경우 불화막을 형성시키는 금속성분을 함유하는 기체와 불소 성분을 함유하는 기체를 동시에 또는 순차적으로 유입하여, 불화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  6. 반도체 장비의 티타늄(Ti)을 포함하는 용기 및 용기 내부 부품의 내식성을 강화하는 방법에 있어서,
    (a)용기 내부에 티타늄(Ti) 소스와 알루미늄(Al) 소스를 동시에 또는 순차적으로 유입하여 TiAl 또는 TiAlN을 증착시키는 단계;
    (b)염소(Cl) 또는 불소(F) 함유 기체로 티타늄 성분만을 에칭하는 단계;
    (c)상기 (b)단계에서 잔류하는 알루미늄 성분을 이용하여 불화막을 형성하는 단계;
    (d)반도체 기판에 금속을 증착하는 단계; 및
    (e)염소(Cl)성분을 함유하는 기체를 용기 내부로 유입시켜 증착온도를 유지하면서 용기 내의 불화막을 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 티타늄은 알루미늄과 3원계 합금을 이루는 다른 성분으로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 내식성 강화 방법.
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