KR101787814B1 - 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판을 수용하는 처리 챔버와, 처리 챔버에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 유닛과, 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 갖는 가스 배기 유닛을 포함하는 기판 처리 장치를 이용하여, 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 처리 챔버 내의 기판 상에서 처리 가스를 반응시켜서 기판을 처리하는 기판 처리 방법에 제공된다. 상기 방법은, 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절한다.

Description

기판 처리 방법 및 기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING METHOD AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2013년 10월 17일에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-216556 호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 일본 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 기판에 처리를 실행하는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 제조 과정에서, 드라이 에칭 또는 웨트 에칭 대신에 미세화 에칭을 실행하는 방법으로서, 화학적 산화물 제거 처리(chemical oxide　removal; COR)라 불리는 방법이 주목받고 있다.
COR 처리로서는, 피처리체인 반도체 웨이퍼의 표면에 존재하는 실리콘 산화막(SiO2막)에, 플루오르화 수소(HF) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 흡착시키고, 이들을 실리콘 산화막과 반응시켜, 그때에 발생하는 불화실리콘 암모늄[(NH4)2SiF6; AFS)]을 주체로 하는 부생성물을 가열함으로써 승화시키는 에칭 프로세스가 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제 2005-39185 호 공보 및 일본 특허 공개 제 2008-160000 호 공보 참조).
또한, 최근에는, 이와 같은 COR의 기술을 응용하여, 폴리실리콘(poly-Si) 막 등의 실리콘(Si)을 F2 가스와 NH3 가스를 이용하여 에칭하는 것도 검토되고 있다. 이때에도, 동일한 부생성물이 발생하며, 이것을 가열하여 승화시킨다.
그렇지만, 상기와 같은 에칭 처리에서는 에칭의 균일성이 충분하지 않은 경우가 있다. 일반적으로, 에칭의 균일성을 개선하기 위해서는, 온도, 압력, 가스 비율이나 가스 도입 분포 등의 파라미터를 조정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 처리에서는, 이들 파라미터를 조정해도 에칭 균일성을 충분히 개선하는 것이 곤란하다는 것이 판명되었다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, COR 처리와 같은 분자량이 큰 부생성물이 발생하는 프로세스에 있어서, 충분한 처리 균일성을 확보할 수 있는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 검토한 결과, 처리 가스에 비해 분자량이 큰 부생성물이 발생하는 COR 처리와 같은 프로세스에 있어서는, 처리 챔버 내에 있어서의 부생성물의 존재가 처리의 균일성에 영향을 미치는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 이와 같은 처리의 균일성은 배기 장치에 이용되는 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조정하여, 처리 챔버 내에서의 부생성물의 비율을 변화시킴으로써 개선할 수 있는 것을 발견하였다.
본 발명에 따르면, 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 유닛과, 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 갖는 가스 배기 유닛을 포함하는 기판 처리 장치를 이용하여, 상기 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 상기 처리 챔버 내의 기판 상에서 처리 가스를 반응시켜서 기판을 처리하는 기판 처리 방법으로서, 상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판을 수용하도록 구성된 처리 챔버와, 상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하도록 구성된 처리 가스 공급 유닛과, 상기 처리 챔버 내의 압력을 자동적으로 제어하는 자동 압력 제어 밸브 및 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 구비하는 가스 배기 유닛과, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 자동 압력 제어 밸브를 이용하여 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 목적 및 특징은 첨부 도면과 함께 이하의 실시예에 대한 설명을 참조할 때 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 에칭 장치를 포함한 처리 시스템의 일 예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 처리 시스템에 탑재된 에칭 장치를 도시하는 단면도,
도 3은 에칭 장치의 가스 배기 유닛에 이용되는 터보 분자 펌프의 개략 구성을 도시하는 단면도,
도 4는 에칭 방법의 공정을 나타내는 흐름도,
도 5는 실험예에 있어서의 터보 분자 펌프의 회전 속도와 에칭량의 관계를 도시하는 도면,
도 6은 실험예에 있어서의 터보 분자 펌프의 회전 속도와 에칭 균일성(편차)의 관계를 도시하는 도면.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에 있어서는, 피처리 기판으로서, 표면에 실리콘 산화막을 갖는 반도체 웨이퍼(이하, 간략히 "웨이퍼"라 함)를 이용하고, 웨이퍼 표면의 실리콘 산화막을 HF 가스 및 NH3 가스를 이용하여 비 플라스마(non-plasma) 드라이 에칭하는 경우에 대해 설명한다.
<처리 시스템의 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 에칭 장치를 구비한 처리 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 처리 시스템(1)은, 피처리 기판으로서 웨이퍼(W)를 로딩 및 언로딩하는 로더 모듈(2)과, 로더 모듈(2)에 인접하여 마련된 2개의 로드록 챔버(3)와, 로드록 챔버(3)에 인접하여 마련된, 웨이퍼(W)에 대하여 PHT(Post　Heat　Treatment) 처리를 실행하는 열처리 장치(4)와, 열처리 장치(4)에 인접하여 마련된, 웨이퍼(W)에 대하여 에칭 처리로서 COR 처리를 실행하는 에칭 장치(5)와, 제어 유닛(6)을 포함한다. 로드록 챔버(3), 열처리 장치(4) 및 에칭 장치(5)는 이러한 순서로 일직선상에 배치되어 있다.
로더 모듈(2)은 웨이퍼(W)를 반송하는 제 1 웨이퍼 반송 기구(11)가 내부에 마련된 반송 챔버(12)를 포함한다. 제 1 웨이퍼 반송 기구(11)는, 웨이퍼(W)를 대략 수평 방향으로 보지하는 2개의 반송 아암(11a, 11b)을 갖고 있다. 반송 챔버(12)의 길이 방향의 측부에는 탑재 스테이지(13)가 마련되어 있다. 이 탑재 스테이지(13)에는, 각각 복수의 웨이퍼(W)를 수용 가능한 캐리어(C)(예컨대 3개)가 접속되어 있다. 또한, 웨이퍼(W)를 회전시켜서 편심량을 광학적으로 구하여 위치 맞춤을 실행하는 오리엔터(14)가 반송 챔버(12)에 인접하여 마련되어 있다.
로더 모듈(2)에 있어서, 웨이퍼(W)는 반송 아암(11a, 11b)에 의해 보지되며, 제 1 웨이퍼 반송 기구(11)에 의해 대략 수평면 내에서 직진 이동하거나 수직으로 이동하면서 소망의 위치에 반송된다. 그리고, 웨이퍼(W)는 탑재 스테이지(13) 상의 캐리어(C), 오리엔터(14), 로드록 챔버(3)에 대한 반송 아암(11a, 11b)의 진퇴에 의해 로딩 및 언로딩된다.
로드록 챔버(3)는 게이트 밸브(16)를 거쳐서 반송 챔버(12)에 연결되어 있다. 각 로드록 챔버(3) 내에는, 웨이퍼(W)를 반송하는 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)가 마련되어 있다. 또한, 로드록 챔버(3)는 사전결정된 진공도까지 진공 흡인 가능하다.
제 2 웨이퍼 반송 기구(17)는 다관절 아암 구조를 갖고 있으며, 웨이퍼(W)를 대략 수평 방향으로 보지하는 픽을 구비한다. 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)에 있어서는, 다관절 아암을 줄인 상태에서 픽이 로드록 챔버(3) 내에 위치하고, 다관절 아암을 연장함으로써 픽이 열처리 장치(4)에 도달하며, 다관절 아암을 추가로 연장함으로써 에칭 장치(5)에 도달한다. 이러한 방식으로, 웨이퍼(W)를 로드록 챔버(3), 열처리 장치(4) 및 에칭 장치(5) 사이에서 반송하는 것이 가능하게 되어 있다.
열처리 장치(4)는 챔버(20)를 갖는다. 열처리 장치(4)는 내부에 히터가 마련된 탑재대(도시하지 않음) 상에서 웨이퍼(W)를 사전결정된 온도로 가열한다. 챔버(20)는 게이트 밸브(22)를 거쳐서 로드록 챔버(3)에 연결되어 있다.
에칭 장치(5)는 챔버(40) 내에서 웨이퍼(W) 표면의 실리콘 산화막을 에칭한다. 챔버(40)는 게이트 밸브(54)를 거쳐서 열처리 장치(4)의 챔버(20)에 연결되어 있다. 에칭 장치(5)의 상세한 사항은 후술한다.
제어 유닛(6)은, 처리 시스템(1)의 각 구성부를 제어하는 마이크로프로세서(컴퓨터)를 구비한 프로세스 컨트롤러(91)를 포함한다. 프로세스 컨트롤러(91)에는, 오퍼레이터가 처리 시스템(1)을 관리하기 위해서 커멘드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나, 처리 시스템(1)의 가동 상황을 가시적으로 표시하는 디스플레이 등을 갖는 유저 인터페이스(92)가 접속되어 있다. 또한, 프로세스 컨트롤러(91)에는, 처리 시스템(1)에서 실행되는 각종 처리, 예컨대 후술하는 에칭 장치(5)에 있어서의 처리 가스의 공급이나 챔버 내의 배기 등을 프로세스 컨트롤러의 제어에 의해 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라 처리 시스템(1)의 각 구성부에 사전결정된 처리를 실행시키기 위한 제어 프로그램인 처리 레시피나, 각종 데이터 베이스 등이 저장된 기억 유닛(93)이 접속되어 있다. 레시피는 기억 유닛(93) 중의 적절한 기억 매체(도시하지 않음)에 기억되어 있다. 그리고, 필요에 따라서, 임의의 레시피를 기억 유닛(93)으로부터 불러내서 프로세스 컨트롤러(91)에 실행시킬 수 있다. 그에 따라, 프로세스 컨트롤러(91)의 제어 하에서 처리 시스템(1)에서의 소망의 처리가 실행된다.
이와 같은 처리 시스템(1)에서는, 표면에 에칭 대상인 실리콘 산화막이 형성된 웨이퍼(W)를 이용한다. 그와 같은 웨이퍼(W)를 복수매 캐리어(C) 내에 수납하여 처리 시스템(1)에 반송한다. 처리 시스템(1)에서는, 대기측의 게이트 밸브(16)를 개방하고, 로더 모듈(2)의 캐리어(C)로부터 제 1 웨이퍼 반송 기구(11)의 반송 아암(11a, 11b) 중 어느 하나에 의해 1장의 웨이퍼(W)를 로드록 챔버(3)에 반송하여, 로드록 챔버(3) 내의 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)의 픽에 인도한다.
그 후, 대기측의 게이트 밸브(16)를 폐쇄하고 로드록 챔버(3) 내를 진공 배기한다. 이어서, 게이트 밸브(54)를 개방하고, 픽을 에칭 장치(5)까지 연장하여 웨이퍼(W)를 에칭 장치(5)에 반송한다.
그 후, 픽을 로드록 챔버(3)로 되돌리고, 게이트 밸브(54)를 폐쇄한다. 후술하는 바와 같이, 에칭 장치(5) 내에서 HF 가스 및 NH3 가스에 의해 에칭 처리를 실행한다.
에칭 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(22, 54)를 개방하고, 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)의 픽에 의해 에칭 처리 후의 웨이퍼(W)를 열처리 장치(4)에 반송한다. 챔버(20) 내에 불활성 가스를 도입하면서, 히터에 의해 탑재대 상의 웨이퍼(W)를 가열한다. 그 결과, 에칭에 의해 생성된 부생성물이 제거된다.
열처리 장치(4)에서의 열처리가 종료된 후, 게이트 밸브(22)를 개방하고, 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)의 픽에 의해 탑재대 상의 에칭 처리 후의 웨이퍼(W)를 로드록 챔버(3)에 퇴피시킨다. 이어서, 제 1 웨이퍼 반송 기구(11)의 반송 아암(11a, 11b) 중 어느 하나에 의해 웨이퍼(W)를 캐리어(C)에 되돌린다. 이러한 방식으로, 1장의 웨이퍼의 처리가 완료된다.
<에칭 장치>
다음으로, 에칭 장치(5)에 대해 설명한다. 도 2는 에칭 장치(5)의 단면도이다. 에칭 장치(5)는 밀폐 구조의 챔버(40)와, 기판인 웨이퍼(W)를 대략 수평으로 한 상태로 탑재하는, 챔버(40)의 내부에 마련된 탑재대(42)와, 챔버(40)에 에칭 가스를 공급하는 가스 공급 유닛(43)과, 챔버(40) 내를 배기하는 가스 배기 유닛(44)을 포함한다.
챔버(40)는 챔버 본체(51)와 덮개(52)를 포함한다. 챔버 본체(51)는 대략 원통 형상의 측벽(51a)과, 바닥벽(51b)과, 상부 개구를 갖는다. 상부 개구는 덮개(52)로 폐쇄된다. 측벽(51a)과 덮개(52) 사이의 간극이 시일 부재(도시하지 않음)에 의해 밀봉되어, 챔버(40) 내의 기밀성이 확보된다. 제 1 가스 도입 노즐(61) 및 제 2 가스 도입 노즐(62)이 덮개(52)의 천정벽을 통해 챔버(40) 내로 삽입되어 있다.
측벽(51a)에는 웨이퍼(W)를 에칭 장치(5)의 챔버(40)에 로딩하거나 챔버(40)로부터 언로딩하는 통로인 반입출구(53)가 마련되어 있다. 이 반입출구(53)는 게이트 밸브(54)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다.
탑재대(42)는 평면에서 보아 대략 원형을 이루고 있으며, 챔버(40)의 바닥벽(51b)에 고정되어 있다. 탑재대(42)의 내부에는, 탑재대(42)의 온도를 조절하는 온도 조절기(55)가 마련되어 있다. 온도 조절기(55)는 온도 조절용 매체(예컨대 물 등)가 순환하는 관로를 구비하고 있다. 이와 같은 관로 내를 흐르는 온도 조절용 매체와의 열교환에 의해, 탑재대(42)의 온도가 조절되며, 나아가, 탑재대(42) 상의 웨이퍼(W)의 온도 제어가 이루어진다.
가스 공급 유닛(43)은 제 1 가스 도입 노즐(61) 및 제 2 가스 도입 노즐(62)에 각각 접속된 제 1 가스 공급 배관(71) 및 제 2 가스 공급 배관(72)을 포함한다. 가스 공급 유닛(43)은 추가로 제 1 가스 공급 배관(71) 및 제 2 가스 공급 배관(72)에 각각 접속된 HF 가스 공급원(73) 및 NH3 가스 공급원(74)을 포함한다. 또한, 제 1 가스 공급 배관(71)에는 제 3 가스 공급 배관(75)이 접속되고, 제 2 가스 공급 배관(72)에는 제 4 가스 공급 배관(76)이 접속되어 있다. 제 3 가스 공급 배관(75) 및 제 4 가스 공급 배관(76)에는, 각각 Ar 가스 공급원(77) 및 N2 가스 공급원(78)이 접속되어 있다. 제 1 내지 제 4 가스 공급 배관(71, 72, 75, 76)의 각각에는 유로의 개폐 동작 및 유량 제어를 실행하는 유량 제어기(79)가 마련되어 있다. 유량 제어기(79)는 예컨대 개폐 밸브 및 매스플로우 컨트롤러를 포함한다.
HF 가스 및 Ar 가스는 제 1 가스 공급 배관(71) 및 제 1 가스 도입 노즐(61)을 거쳐서 챔버(40) 내에 토출된다. NH3 가스 및 N2 가스는 제 2 가스 공급 배관(72) 및 제 2 가스 도입 노즐(62)을 거쳐서 챔버(40) 내에 토출된다. 또한, 샤워 플레이트를 이용하여 가스를 샤워 형상으로 토출할 수도 있다.
상기 가스 중 HF 가스와 NH3 가스는 에칭 가스이며, 이들은 챔버(40) 내에서 혼합된다. Ar 가스 및 N2 가스는 희석 가스이다. 챔버(40) 내에, 에칭 가스인 HF 가스 및 NH3 가스와, 희석 가스인 Ar 가스 및 N2 가스를 사전결정된 유량으로 도입한다. 챔버(40) 내를 사전결정된 압력으로 유지하면서, HF 가스 및 NH3 가스와 웨이퍼(W) 표면에 형성된 실리콘 산화막(SiO2)을 반응시킨다. 그에 따라, 부생성물로서 불화실리콘 암모늄(AFS)이 생성된다.
희석 가스로서는, Ar 가스 또는 N2 가스 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 또한, 다른 불활성 가스가 희석 가스로서 이용될 수도 있다. Ar 가스, N2 가스 및 다른 불활성 가스 중 2종 이상을 희석 가스로서 이용해도 좋다.
가스 배기 유닛(44)은 챔버(40)의 바닥벽(51b)에 형성된 가스 배기구(81)에 연결되는 가스 배기 배관(82)과, 챔버(40) 내의 압력을 제어하기 위한 자동 압력 제어 밸브(APC)(83)와, 터보 분자 펌프(84)와, 드라이 펌프(85)를 포함한다. 자동 압력 제어 밸브(APC)(83), 터보 분자 펌프(84) 및 드라이 펌프(85)는 가스 배기구(81)측으로부터 그 순서로 가스 배기 배관(82)에 마련되어 있다. 터보 분자 펌프(84)와 드라이 펌프(85) 사이에는 개폐 밸브(86)가 마련되어 있다. 드라이 펌프(85)는 러프 펌핑용의 보조 펌프이며, 터보 분자 펌프(84)가 진공도를 조정하는 메인 펌프이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 터보 분자 펌프(84)는 하우징(101)과, 하우징(101) 내에 중심축으로서 마련된 스테이터(102)와, 베어링(103)을 거쳐서 회전 가능하게 마련된 로터(104)와, 로터(104)의 상부에 마련된 다수의 동익(105)과, 하우징(101)의 상부에 마련된 다수의 정익(106)과, 로터(104)를 회전시키는 모터(107)를 포함한다. 하우징(101)의 천정벽에는 가스 유입구(108)가 마련되며, 하우징(101)의 측벽 하부에는 가스 배출구(109)가 마련되어 있다. 또한, 동익(105)은 인접하는 정익(106)과의 사이에 교호로 마련되어 있다.
따라서, 모터(107)에 의해 로터(104)가 회전되면, 동익(105)이 정익(106)에 대하여 고속으로 회전한다. 이에 의해, 챔버(40) 내의 가스가 가스 배기 배관(82) 및 가스 유입구(108)를 거쳐서 흡인되며, 가스 배출구(109)를 거쳐서 하류측의 가스 배기 배관(82)으로 배출된다. 이에 의해, 챔버(40) 내를 고 진공도로 배기할 수 있다. 또한, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도는 제어 유닛(6)의 명령에 근거하여 컨트롤러(87)에 의해 제어 가능하게 되어 있다. 또한, 제어 유닛(6)의 명령에 근거하지 않고, 오퍼레이터가 회전 속도를 조절하도록 해도 좋다.
챔버(40) 내의 압력을 계측하기 위한 압력계로서의 고압력용 및 저압력용의 2개의 캐패시턴스 마노미터(capacitance manometer ; 88a, 88b)가 챔버(40)의 측벽에 마련되어 있다. 자동 압력 제어 밸브(APC)(83)는 캐패시턴스 마노미터(88a, 88b)의 검출 압력을 기초로 동작하도록 구성되어 있다. 탑재대(42)의 표면 근처에는 온도 센서(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
이와 같이 구성된 에칭 장치에서는, 우선, 게이트 밸브(54)를 개방하고, 로드록 챔버(3) 내의 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)의 픽에 의해, 표면에 에칭 대상인 실리콘 산화막을 갖는 웨이퍼(W)를 반입출구(53)로부터 챔버(40) 내에 로딩하여, 탑재대(42)에 탑재한다. 그 후, 픽을 로드록 챔버(3)로 되돌리고, 게이트 밸브(54)를 폐쇄한다. 그에 따라, 챔버(40)가 기밀하게 밀봉된다. 그 상태에서, 에칭 처리를 실행한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 에칭 처리는 압력 조정 단계(단계 1), 에칭 단계(단계 2) 및 배기 단계(단계 3)를 포함한다.
단계 1의 압력 조정 단계에서는, 가스 공급 유닛(43)으로부터 NH3 가스와 N2 가스를, 제 2 가스 공급 배관(72) 및 제 2 가스 도입 노즐(62)을 거쳐서 챔버(40) 내에 도입하고, 자동 압력 제어 밸브(APC)(83)에 의해 가스 배기량을 제어하면서 터보 분자 펌프(84)에 의해 챔버(40) 내를 배기하여, 챔버(40) 내의 압력 조정을 실행한다. 또한, 드라이 펌프(85)는 유지보수 등을 위한 대기압 상태에서의 러프 펌핑에 이용된다. 연속적으로 처리를 실행하고 있는 동안, 드라이 펌프(85)는 터보 분자 펌프(84)의 백업 펌프로서, 터보 분자 펌프(84)의 배압을 낮추는 목적으로 항상 가동된다.
단계 2의 에칭 단계에서는, 압력 조정 단계 후, NH3 가스와 N2 가스에 더하여 HF 가스 및 Ar 가스를, 제 1 가스 공급 배관(71) 및 제 1 가스 도입 노즐(61)을 거쳐서 챔버(40) 내에 도입하여 에칭을 실행한다. 이때, 자동 압력 제어 밸브(APC)(83)에 의해 챔버(40) 내를 사전결정된 압력으로 제어하면서, 터보 분자 펌프(84)에 의한 배기를 계속한다.
이와 같이, 챔버(40) 내에 HF 가스 및 NH3 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 표면의 실리콘 산화막이 불화수소 가스의 분자 및 암모니아 가스의 분자와의 화학 반응에 의해 에칭된다. 이때, 불화실리콘 암모늄(AFS)을 주체로 하는 부생성물이 웨이퍼(W)의 표면에 보지된다.
단계 3의 배기 단계에서는, 에칭 단계가 종료된 후, 챔버(40) 내에 Ar 가스 또는 N2 가스를 도입하면서, 터보 분자 펌프(84)에 의해 챔버(40) 내를 배기한다.
에칭 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(54)를 개방하고, 제 2 웨이퍼 반송 기구(17)의 픽에 의해 탑재대(42) 상의 에칭 처리 후의 웨이퍼(W)를 챔버(40)로부터 언로딩한다. 그 후, 상술한 바와 같이, 웨이퍼(W)를 열처리 장치(4)의 챔버(20)로 반송하여, 웨이퍼(W)에 부착된 부생성물을 승화시킨다.
그런데, COR 처리는, HF 가스와 NH3 가스를 실리콘 산화막과 반응시켜서, AFS를 주체로 하는 분자량이 큰 부생성물을 생성시킨다. 그러므로, 이와 같은 부생성물이 기화하여 챔버(40) 내에 존재하면, 에칭 가스인 HF 가스와 NH3 가스가 챔버(40) 내에서 확산하는데 방해가 된다. 따라서, 온도, 압력, 가스 비율이나 가스 도입 분포 등의 파라미터를 조정해도 에칭 균일성을 개선하는 것이 곤란해진다.
본 실시형태에서는, 에칭 균일성을 개선하기 위해, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도에 주목했다. 일반적으로, 터보 분자 펌프는 회전 속도를 조절할 수 있도록 되어 있지만, 이는 배기량을 초기 조정하기 위한 것이다. 통상적으로는 회전 속도를 최대값으로 설정하고 있으므로, 에칭의 균일성을 개선하기 위해 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절한다고 하는 발상은 존재하지 않았다.
그러나, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 조절하는 것에 의해서, 부생성물을 포함한 가스비를 변경할 수 있는 것이 판명되었다. 즉, 터보 분자 펌프의 회전 속도가 높아지면, 가스 흡인량이 증가한다. 이때, 가벼운 분자, 즉 분자량이 작은 분자가 무거운 분자, 즉 분자량이 큰 분자보다 상대적으로 끌어당기기 쉬워져, 분자량이 큰 분자의 비율이 높아진다. 한편, 회전 속도가 낮아지면, 가스 흡인량은 감소하는 반면에, 분자량이 작은 분자의 비율이 높아진다. 따라서, 본 실시형태와 같이, 에칭 가스인 HF 가스와 NH3 가스보다 분자량이 큰 AFS를 주체로 하는 부생성물이 생성되는 경우에는, 종래와 같이, 터보 분자 펌프의 회전 속도를 최대로 하여 에칭 처리를 실행하면, 분자량이 큰 부생성물의 비율이 상대적으로 높아지게 되어, HF 가스와 NH3 가스가 균일 확산하기 어려워진다.
그러므로, 본 실시형태에서는, 챔버(40) 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 조절하여, 에칭 가스와 부생성물의 비율을 변화시킴으로써, 에칭의 균일성을 조절한다. 챔버 내의 압력은 자동 압력 제어 밸브(APC)에 의해 제어되기 때문에, 이와 같이 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 변화시켜서 가스 흡인량을 변동시켜도 챔버 내의 압력은 변하지 않는다.
구체적으로는, 종래와 같이 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 최대로 하지 않고, 부생성물의 비율이 상대적으로 낮아져 균일한 에칭이 실행되는 사전결정된 값까지 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 감소시킴으로써, 에칭의 균일성을 개선한다. 이때, 부생성물의 비율이 상대적으로 낮아지기 때문에 에칭량도 증가한다. 그러므로, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도는 보다 낮은 값으로 조절하는 것이 바람직하다.
이때, 처리 레시피에 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 파라미터로서 부가하여, 각 레시피마다 미리 구한 최적의 회전 속도를 기억시켜 둔다. 그러한 최적 회전 속도에 근거하여 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 또는, 오퍼레이터가 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 최적값이 되도록 조절할 수도 있다.
종래에는 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도가 에칭 균일성의 파라미터로서 이용되지 않았다. 그러나, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 파라미터로서 이용함으로써, 종래 에칭의 균일성을 얻는 것이 곤란했던 조건 하에서도, 소망의 에칭 균일성을 얻을 수 있다.
그런데, 에칭 단계에서는, 이와 같이, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 최대값보다 낮은 사전결정된 회전 속도로 설정한다. 그러나, 배기 단계에서는 자동 압력 제어 밸브(APC)를 전면 개방으로 하여 단시간 내에 배기할 필요가 있다. 이 때문에, 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 올려서 흡인력을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 에칭 단계가 종료될 때까지는 터보 분자 펌프(84)의 회전 속도를 에칭의 균일성이 얻어지는 값으로 조절하고, 배기 단계에서는 회전 속도를 극히 상승시키는 것이 바람직하다. 배기 단계에서는 회전 속도를 최대로 하는 것이 가장 바람직하다.
<실험예>
다음으로, 본 발명의 효과를 확인한 실험예에 대해 설명한다.
본 실험예에서는, 도 2에 도시하는 구성의 에칭 장치를 이용하여, 실리콘 기판 상의 실리콘 산화막을 HF 가스 및 NH3 가스에 의해 에칭했다. 이때, 챔버 내의 압력이 600mTorr가 되도록 자동 압력 제어 밸브(APC)에 의해 제어하고, 터보 분자 펌프의 회전 속도를 변화시켰다. 다른 에칭 조건은, 탑재대 온도: 75℃, HF 가스 유량: 200sccm, NH3 가스 유량: 200sccm, Ar 가스 유량: 100sccm, N2 가스 유량: 0sccm으로 했다.
도 5는 터보 분자 펌프의 회전 속도와 에칭량의 관계를 도시하는 도면이다. 도 6은 터보 분자 펌프의 회전 속도와 에칭 균일성(편차)의 관계를 도시하는 도면이다. 양 도면은 모두 챔버 내의 압력을 함께 도시하고 있다.
도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 챔버 내의 압력이 변하지 않음에도 불구하고, 터보 분자 펌프의 회전 속도가 감소함에 따라서, 에칭량이 증가하고, 에칭의 편차가 감소(에칭 균일성이 증가)한다. 터보 분자 펌프의 회전 속도가 최대값, 즉 33000rpm인 경우, 에칭량이 11.8nm, 편차가 3.8%이었다. 회전 속도가 22000rpm인 경우에는 에칭량이 12.2nm, 편차가 3.0%이었다. 회전 속도가 16000rpm일 때는 에칭량이 12.2nm, 편차가 2.4%이었다.
<본 발명의 다른 적용>
본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 일 없이 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 에칭 가스로서 HF 가스 및 NH3 가스를 이용하여 실리콘 산화막을 에칭하는 경우에 대해 나타냈다. 그러나, F2 가스 및 NH3 가스를 이용하여 실리콘을 에칭하는 경우도 마찬가지로, 에칭 가스보다 분자량이 큰 AFS를 주체로 하는 부생성물이 생성되어, 상기 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 불소, 수소 및 질소를 함유하는 에칭 가스를 이용하여 실리콘 함유막을 에칭하고, 에칭 가스보다 분자량이 큰 AFS를 주체로 하는 부생성물이 생성되는 경우에는, 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명은 HF 가스 및 NH3 가스를 이용하여 실리콘 산화막을 에칭하는 경우, 또는 F2 가스 및 NH3 가스를 이용하여 실리콘을 에칭하는 경우에 한정하지 않으며, 에칭 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에 적용 가능하다. 또한, 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 한, 성막 등의 다른 처리에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
상기 실시형태의 장치는 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 에칭 방법은 다양한 장치에 의해 실시할 수 있다. 또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용한 경우에 대해 나타냈지만, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정하지 않으며, LCD(액정 디스플레이)로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.
본 발명은 상기의 실시형태와 관련하여 도시 및 기술되었지만, 당업자라면 하기의 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 일탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 가능함을 이해할 것이다.
1 : 처리 시스템 2 : 로더 모듈
3 : 로드록 챔버 4 : 열처리 장치
5 : 에칭 장치 6 : 제어 유닛
11 : 제 1 웨이퍼 반송 기구 17 : 제 2 웨이퍼 반송 기구
40 : 챔버 42 : 탑재대
43 : 가스 공급 유닛 44 : 가스 배기 유닛
82 : 가스 배기 배관 83 : 자동 압력 제어 밸브
84 : 터보 분자 펌프 101 : 하우징
102 : 스테이터 104 : 로터
105 : 동익 106 : 정익
107 : 모터 108 : 가스 유입구
109 : 가스 배출구 W : 반도체 웨이퍼

Claims (15)

  1. 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 유닛과, 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 갖는 가스 배기 유닛을 포함하는 기판 처리 장치를 이용하여, 상기 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 상기 처리 챔버 내의 기판 상에서 처리 가스를 반응시켜서 기판을 처리하는 기판 처리 방법에 있어서,
    상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 처리 가스와 상기 부생성물의 비율을 변경하기 위하여 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하는 단계를 포함하는
    기판 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보 분자 펌프의 회전 속도는 최대값보다 낮은 값으로 조절되는
    기판 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    처리 가스를 이용하여 물체를 처리하는 처리 단계와,
    처리 챔버 내를 배기하는 배기 단계를 추가로 포함하고,
    상기 처리 단계에서는, 상기 처리 챔버 내의 압력을 상기 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하며,
    상기 배기 단계에서의 터보 분자 펌프의 회전 속도는 상기 처리 단계에서의 터보 분자 펌프의 회전 속도보다 높게 설정되는
    기판 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 챔버 내의 압력, 기판 탑재대의 온도 및 처리 가스의 압력을 포함하는 처리 조건에 따라서, 각각의 사전결정된 처리 챔버 내 압력값에 대응하는 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해두고, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해둔 회전 속도로 조절하면서 상기 처리를 실행하는
    기판 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리는, 상기 처리 가스로서 에칭 가스를 이용하여 사전결정된 막을 에칭하는 에칭 처리인
    기판 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 불소, 수소 및 질소를 함유하고, 상기 사전결정된 막은 실리콘 함유막이며, 상기 부생성물은 불화실리콘 암모늄을 주체로 하여 형성되는
    기판 처리 방법.
  7. 기판을 내부에 수용하도록 구성된 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하도록 구성된 처리 가스 공급 유닛과,
    상기 처리 챔버 내의 압력을 자동적으로 제어하는 자동 압력 제어 밸브 및 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 구비하는 가스 배기 유닛과,
    상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 자동 압력 제어 밸브를 이용하여 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 처리 가스와 상기 부생성물의 비율을 변경하기 위하여 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하는
    기판 처리 장치.
  8. 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 있어서,
    상기 명령은, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 제 1 항에 기재된 기판 처리 방법이 상기 기판 처리 장치에 의해 실행되게 하는
    기억 매체.
  9. 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 유닛과, 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 갖는 가스 배기 유닛을 포함하는 기판 처리 장치를 이용하여, 상기 처리 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 상기 처리 챔버 내의 기판 상에서 처리 가스를 반응시켜서 기판을 처리하는 기판 처리 방법에 있어서,
    상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 처리 챔버 내의 압력, 기판 탑재대의 온도 및 처리 가스의 압력을 포함하는 처리 조건에 따라서, 각각의 사전결정된 처리 챔버 내 압력값에 대응하는 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해두고, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해둔 회전 속도로 조절하면서 상기 처리를 실행하는
    기판 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 터보 분자 펌프의 회전 속도는 최대값보다 낮은 값으로 조절되는
    기판 처리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    처리 가스를 이용하여 물체를 처리하는 처리 단계와,
    처리 챔버 내를 배기하는 배기 단계를 추가로 포함하고,
    상기 처리 단계에서는, 상기 처리 챔버 내의 압력을 상기 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하며,
    상기 배기 단계에서의 터보 분자 펌프의 회전 속도는 상기 처리 단계에서의 터보 분자 펌프의 회전 속도보다 높게 설정되는
    기판 처리 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리는, 상기 처리 가스로서 에칭 가스를 이용하여 사전결정된 막을 에칭하는 에칭 처리인
    기판 처리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 불소, 수소 및 질소를 함유하고, 상기 사전결정된 막은 실리콘 함유막이며, 상기 부생성물은 불화실리콘 암모늄을 주체로 하여 형성되는
    기판 처리 방법.
  14. 기판을 내부에 수용하도록 구성된 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버에 처리 가스를 공급하도록 구성된 처리 가스 공급 유닛과,
    상기 처리 챔버 내의 압력을 자동적으로 제어하는 자동 압력 제어 밸브 및 상기 처리 챔버 내를 배기하는 터보 분자 펌프를 구비하는 가스 배기 유닛과,
    상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 처리 가스의 반응에 의해 처리 가스보다 분자량이 큰 부생성물이 생성되는 경우에, 상기 자동 압력 제어 밸브를 이용하여 상기 처리 챔버 내의 압력을 사전결정된 값으로 유지하면서, 상기 터보 분자 펌프의 회전 속도를 조절함으로써, 처리의 균일성을 조절하고,
    상기 처리 챔버 내의 압력, 기판 탑재대의 온도 및 처리 가스의 압력을 포함하는 처리 조건에 따라서, 각각의 사전결정된 처리 챔버 내 압력값에 대응하는 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해두고, 터보 분자 펌프의 회전 속도를 미리 구해둔 회전 속도로 조절하면서 상기 처리를 실행하는
    기판 처리 장치.
  15. 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 있어서,
    상기 명령은, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 제 9 항에 기재된 기판 처리 방법이 상기 기판 처리 장치에 의해 실행되게 하는
    기억 매체.
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