KR100896863B1 - Ｓｔｉ 공정을 위한 챔버 세정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 STI 공정을 위한 챔버 세정 장치 및 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명에서는 반도체 소자 제조를 위한 STI 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버내 플라즈마 건식 세정에 있어서, STI 트렌치 식각 공정에 따라 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 경우, 건식 세정을 통해 배출되는 부산물의 배기가스양을 모니터링하여 부산물의 배기가스양이 세츄레이션되어 미리 설정된 기준값 이하로 유지되는 시점에 건식 세정을 종료하도록 함으로써 챔버 내에서 과도하게 건식 세정이 수행되는 것을 방지할 수 있다.

플라즈마, 챔버, STI, 건식 세정, 파티클

Description

ＳＴＩ 공정을 위한 챔버 세정 장치 및 방법{CHAMBER DRY CLEANING APPARATUS FOR STI PROCESS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조를 위한 STI(Shallow Trench Isolation) 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼(wafe) 단위 또는 롯트(lot) 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버(chamber)내 플라즈마 건식 세정(plasma dry cleaning)에 있어서, 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물(by-product)이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 배기가스양이 세츄레이션(saturation)되는 시점을 검출하여 챔버 세정 시간을 정확히 조절할 수 있도록 하는 STI 공정을 위한 챔버 세정 장치 및 방법에 관한 것이다.

근래 들어 반도체 장치의 집적화가 거듭 진행됨에 따라 반도체 장치의 소자분리특성을 향상시키기 위하여, 소자 분리 구조로서 STI 구조가 이용되어 왔다. 상기 STI 구조는 반도체 기판에 일정한 깊이를 갖는 트렌치를 형성하고 상기 트렌치에 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)으로 산화막을 증착한 후, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정으로 불필요한 산화막을 식각하여 소자 분리막을 형성하는 기술로, 종래 반도체 기판 상에 두꺼운 산화 막을 선택적으로 성장시켜 소자 분리막을 형성하는 로커스(Local Oxidation of Silicon: LOCOS)구조에 비해 소자분리특성이 우수하고 그 전유면적도 작아 현재 고집적도 반도체 장치에 대부분 사용되고 있다.

한편, 위와 같은 STI 구조를 위해서는 챔버내 유입된 웨이퍼상 STI 형성 영역에 하드 마스크(hard mask)를 이용하여 트렌치를 식각하는 공정을 수행하게 되는데, 하드 마스크를 이용한 실리콘 기판의 트렌치 식각시 발생되는 폴리머(polymer)는 포토레지스트(photo resist : PR)에서 유도되는 부산물(by-product) 폴리머와는 달리 그 성질이 소프트(soft)하여 파티클 소스(particle source)로 작용하는 문제점이 있었다.

이를 위해 웨이퍼에 대한 STI 트렌치 식각 공정이 수행된 챔버는 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위로 RF 플라즈마에 의한 건식 세정(dry cleaning)이 수행되도록 하여, 챔버 내부 벽에 형성되는 하드 마스크의 부산물을 제거하도록 하고 있으나, 플라즈마를 이용한 건식 세정에 대한 정확한 시간 조절이 어려우며, 챔버내 과도한 건식 세정이 발생하는 경우 챔버 내부 분위기가 변형되어 STI 공정조건이 변화되어 소자의 신뢰성에 영향을 미치는 문제점이 있었다.

즉, STI 트렌치 식각 공정이 수행되는 챔버 내부의 물질은 대부분 Al₂O₃ 로 루어져 있는데, 플라즈마에 의한 과도한 건식 세정이 수행되는 경우 챔버 내부의 물질이 Al₂O₃에서 Al_xO_y로 변형된다. 이로 인해, 플라즈마의 재결합(re-combination) 증가에 따른 식각 가스 비율(etchant ratio)의 변화가 초래되어 웨이퍼상 STI 트렌치 프로파일(profile)이 정확히 형성되도록 제어하는 것이 어려우며, 또한 챔버내 과도한 건식 세정으로 변형된 Al_xO_y물질이 조각으로 웨이퍼상으로 떨어질 수 있어 파티클로 작용하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 STI 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버내 플라즈마 건식 세정에 있어서, 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 배기가스양이 세츄레이션되는 시점을 검출하여 챔버 세정 시간을 정확히 조절할 수 있도록 하는 STI 공정을 위한 챔버 세정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 STI 트렌치 식각시 챔버 세정 방법으로서, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정 후, 챔버 내부에 대해 플라즈마 건식 세정을 수행하는 단계와, 상기 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 부산물의 배기가스양을 모니터링하는 단계와, 상기 부산물의 배기가스양이 점점 감소하여 미리 설정된 기준값 이하로 세츄레이션되는 시점에 상기 플라즈마 건식 세정을 완료하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 STI 트렌치 식각시 챔버 세정 장치로서, 챔버 내부의 세정시 사용될 플라즈마 가스를 공급하는 가스 공급기와, 상기 챔버 내부의 플라즈마 건식 세정 수행 시 상기 플라즈마 가스에 의해 세정되어 배출되는 부산물의 배기가스양이 미리 설정된 기준값 이하로 되는 시점을 검출하는 EOP 검출부와, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정 후 상기 가스 공급기를 통해 챔버내 상기 플라즈마 가스를 유입시키며, 상기 EOP 검출부를 통해 상기 부산물의 배기가스양이 점점 감소하여 미리 설정된 기준값 이하로 세츄레이션되는 시점에 상기 플라즈마 건식 세정을 완료하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에서는 반도체 소자 제조를 위한 STI 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버내 플라즈마 세정에 있어서, STI 트렌치 식각 공정에 따라 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 배기가스양을 모니터링하여, 부산물의 배기가스양이 세츄레이션되어 미리 설정된 기준값 이하로 유지되는 시점에 건식 세정을 종료하도록 함으로써 챔버내에서 과도하게 건식 세정이 수행되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 과도한 플라즈마 건식 식각으로 인한 챔버 분위기 변화로 발생하는 공정조건 변화를 최소화하며, 부산물에 의한 파티클 발생도 예방할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 구체적인 핵심 기술요지를 살펴보면, 반도체 소자 제조를 위한 STI 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버내 플라즈마 세정에 있어서, STI 트렌치 식각 공정에 따라 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 배기가스양을 모니터링하여, 부산물의 배기가스양이 세츄레이션되어 미리 설정된 기준값 이하로 유지되는 시점에 건식 세정을 종료하도록 함으로써 챔버내에서 과도하게 건식 세정이 수행되는 것을 방지시키는 기술을 통해 본 발명에서 이루고자 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 STI 공정을 위한 챔버 세정 장치의 구성을 도시한 것이다. 이하, 위 도 2를 참조하여 STI 트렌치 식각 및 플라즈마 건식 세정을 위한 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 챔버(100)는 웨이퍼 지지대(106)로 STI 트렌치 식각을 위한 웨이퍼(104) 유입시 웨이퍼(104) 표면에 플라즈마에 의한 STI 트렌치 식각 공정이 수행되는 장소로써, 공정 가스가 유입되는 공정 가스 유입포트(102)와 배기 가스가 배출되도록 펌핑라인(110)과 연결되는 배기포트(108)를 구비한다.

가스 공급기(101)는 웨이퍼(100)상 STI 트렌치 식각을 위해 필요한 가스를 제공하는 장치로, STI 트렌치 식각을 위한 가스로 HBr, Cl₂, O₂, N₂, Ar, CF₄ 등의 가스를 챔버(100)내로 공급하며, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위 별 STI 트렌치 식각 공정이 완료된 후에는, 챔버(100)내 플라즈마 건식 세정을 위한 가스로 실리콘 기반 부산물을 효과적으로 식각하는 CF₄ 가스에 O₂ 가스를 첨가하여 "F" 농도를 높게 하여 공급한다.

진공펌프(116)는 펌핑 작용을 통해 챔버(100) 내부 압력을 감압하여 공정 조건에 적합한 소정의 진공 분위기를 형성한다. EOP(End of Plasma) 검출부(112)는 챔버(100) 내부의 벽에 부착되는 부산물들을 제거하기 위한 플라즈마 건식 세정 시 배기가스로 배출되는 부산물의 양이 미리 설정된 기준 값 이하로 되는 것을 검출한다.

이때, EOP 검출부(112)는 부산물로 배출되는 가스의 파장(wavelength)값이 입력되어 해당 가스의 배출양을 검출하게 되며, 본 발명에서와 같이 CF₄ 가스를 이용한 플라즈마 세정의 경우 배출되는 가스의 성분이 SiF인 것을 감안하여 SiF의 파장인 444, 640, 777nm 가 선택될 수 있다. 또한 SiF 가스의 인텐시티(intensity)가 매우 높은 경우에는 해당 가스의 파장 중심 값에서 벗어난 값을 취할 수도 있는데, 예를 들어 444nm에서 벗어나 있는 4368Å으로 선택되기도 한다.

제어부(114)는 챔버(100)내 유입된 한 장의 웨이퍼 또는 한 롯트 별 STI 트렌치 식각 공정이 완료되어 플라즈마 건식 세정이 수행되는 경우, 가스 공급기(101)를 통해 챔버(100)내 플라즈마 건식 세정을 위한 CF₄ 가스를 유입시킨 후, EOP 검출부(112)를 통해 챔버내 건식 세정 수행에 따라 배출되는 부산물 가스의 양이 기준값 이하로 되는지 검출하여 플라즈마 건식 세정 시간을 정확히 조절함으로써, 플라즈마 가스에 의한 과도한 건식 세정이 이루어지지 않도록 하여 챔버 분위기가 변경되는 것을 방지시킨다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 STI 트렌치 식각 공정이 수행되는 챔버내 플라즈마 건식 세정 시간을 정확히 조절하는 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 챔버(100)내로 STI 트렌치 식각을 위한 웨이퍼(104)가 유입되어 웨이퍼 지지대(104)에 놓여지는 경우 가스 공급기(101)를 통해 STI 식각을 위한 HBr, Cl₂, O₂, N₂, Ar, CF₄ 등의 공정가스가 챔버(100) 내로 유입되어 STI 트렌치 식각이 수행된다(S200).

이때, 상기 STI 트렌치 식각은 HBr, Cl₂, O₂, N₂, Ar, CF₄ 등의 가스를 이용하여 단일 스텝(one step) 또는 멀티 스텝(multi step)으로 진행되며, 일반적으로 블랙쓰루(breakthrough: BT) 단계에서는 CF₄ 가스를 사용하며, 메인식각(main etch) 단계에서는 HBr, Cl₂, O₂, N₂를 이용한다. Ar 가스는 블랙쓰루나 메인식각 단계에 모두 사용 가능하지만 가스의 종류를 적게 사용하는 것이 안정적인 공정이라는 일반적인 인식으로 대개는 많이 사용하지 않는다. 이어, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정이 완료된 후에는 미리 설정된 일정 시간동안 챔버내 벽을 세정하는 플라즈마 건식 세정을 수행하게 된다(S202).

한편, 위와 같은 STI 트렌치 식각 공정에서 HBr+Cl₂가 메인식각 가스로 작용하며, O₂ 나 N₂는 트렌치의 프로파일(주로 톱/바틈 코너 라운딩) 개선용으로 사용하는데, 이때 발생하는 부산물은 Si_xCl_yBr_z의 형태로 된다.

이에 따라 상기 플라즈마 건식 세정 공정에서는 챔버내 플라지마 건식 세정을 위한 가스로 실리콘 기반 부산물을 효과적으로 식각하는 CF₄ 가스에 O₂ 가스를 첨가하여 "F" 농도를 높여 사용함으로써 부산물로 SiF가스가 배출되도록 한다.

이때, 종래에는 배기가스로 배출되는 부산물의 양을 측정하는 것이 아니라 미리 설정된 일정 시간동안 일률적으로 세정을 수행함에 따라 챔버(100)내 과도한 식각이 발생하게 되어 챔버(100)내 분위기가 변화되며, 이에 따라 STI 공정 조건이 변화하게 되어 정확한 프로파일 형성 제어가 어려우며, 또한 부산물이 웨이퍼상으로 떨어져 파티클로 작용되는 문제점이 있었음을 전술한 바와 같다.

이에 따라 본 발명에서는 EOP 검출부(112)를 통해 부산물인 SiF의 배기가스의 양을 계속 모니터링(monitoring)하여(S204) 미리 설정된 기준 이하로 되는지 여부를 검출함으로써, 플라즈마 건식 세정이 완료되는 시점을 정확히 검출하게 된다(S206).

이때 EOP 검출부(112)에서는 상기한 바와 같이 부산물로 배출되는 가스의 미리 입력된 파장값을 통해 해당 가스의 배출양을 검출하게 되며, 예를 들어 본 발명에서와 같이 CF₄ 가스를 이용한 플라즈마 세정의 경우 배출되는 가스의 성분이 SiF 인 것을 감안하여 입력된 SiF의 파장인 444, 640, 777nm 값을 통해 해당 가스의 배출량을 검출한다. 상기에서 파장값은 SiF 가스의 인텐시티가 매우 높은 경우에는 해당 가스의 파장 중심 값에서 벗어난 값을 취할 수도 있는데, 예를 들어 444nm에서 벗어나 있는 4368Å으로 선택되기도 한다.

즉, 위와 같이 EOP 검출부(112)를 통해 검출되는 부산물의 배기가스 양은 도 3에서 도시된 그래프와 같이 나타날 수 있는데, 제어부(114)는 상기 도 3에서 보여지는 바와 같이 EOP 검출부(112)를 통해 검출되는 배기가스양이 점점 줄어들어서 일정한 양으로 세츄레이션되는 시점(T1)을 건식 세정이 완료된 시점이 인식하여 플라즈마 건식 세정을 종료시킴으로써(S208), 챔버(100)내 플라즈마 건식 세정이 과도하게 수행되는 것을 방지시키게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 반도체 소자 제조를 위한 STI 트렌치 식각 공정시, 웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정후 진행되는 챔버내 플라즈마 건식 세정에 있어서, STI 트렌치 식각 공정에 따라 챔버 내부의 벽에 형성된 부산물이 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 경우, 건식 세정을 통해 배출되는 부산물의 배기가스양을 모니터링하여 부산물의 배기가스양이 세츄레이션되어 미리 설정된 기준값 이하로 유지되는 시점에 건식 세정을 종료하도록 함으로써 챔버내에서 과도하게 건식 세정이 수행되는 것을 방지할 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 STI 공정을 위한 챔버 세정 장치 블록 구성도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 STI 공정을 위한 챔버내 플라즈마 건식 세정 처리 흐름도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 세정에 의한 배기가스양 모니터링 그래프 예시도.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

100 : 챔버 101 : 가스 공급기

104 : 웨이퍼 106 : 웨이퍼 지지대

112 : EOP 검출부 114 : 제어부

Claims (6)

1. STI 트렌치 식각시 챔버 세정 방법으로서,

   웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정 후, 챔버 내부에 대해 플라즈마 건식 세정을 수행하는 단계와,

   상기 플라즈마에 의해 세정되어 배출되는 부산물의 배기가스양을 모니터링하는 단계와,

   상기 부산물의 배기가스양이 점점 감소하여 미리 설정된 기준값 이하로 세츄레이션되는 시점에 상기 플라즈마 건식 세정을 완료하는 단계

   를 포함하는 챔버 세정 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. STI 트렌치 식각시 챔버 세정 장치로서,

   챔버 내부의 세정시 사용될 플라즈마 가스를 공급하는 가스 공급기와,

   상기 챔버 내부의 플라즈마 건식 세정 수행 시 상기 플라즈마 가스에 의해 세정되어 배출되는 부산물의 배기가스양이 미리 설정된 기준값 이하로 되는 시점을 검출하는 EOP 검출부와,

   웨이퍼 단위 또는 롯트 단위별 STI 트렌치 식각 공정 후 상기 가스 공급기를 통해 챔버내 상기 플라즈마 가스를 유입시키며, 상기 EOP 검출부를 통해 상기 부산물의 배기가스양이 점점 감소하여 미리 설정된 기준값 이하로 세츄레이션되는 시점에 상기 플라즈마 건식 세정을 완료하도록 제어하는 제어부

   를 포함하는 챔버 세정 장치.
5. 삭제
6. 삭제

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