KR101870667B1 - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 처리 방법을 제공한다. 이 플라즈마 처리 방법은 기판을 공정챔버에 로딩한 후 무빙 핀에 의해 스테이지로 안착시키고, 제 1 가스라인을 통해 공정가스를 리모트 플라즈마 챔버에 주입하여 라디칼을 생성한다. 생성된 라디칼은 공정챔버 내부로 방출되어 기판 상에 형성된 산화막을 식각한다. 기판을 무빙 핀에 의해 공정챔버의 상부로 이동시켜 스테이지와 이격시키고, 스테이지의 온도를 150도 이상 가열한다. 그 후, 기판을 무빙 핀에 의해 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 {Substrate Processing Apparatus and Substrate Processing Methode}
본 발명은 기판 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리모트 플라즈마(Remote Plasma)를 이용한 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.
최근의 반도체 소자의 고집적화, 반도체 웨이퍼의 대구경화, 액정 디스플레이의 대면적화 등에 따라 에칭 처리나 성막 처리를 하는 처리 장치의 수요가 날로 증가하고 있다. 플라즈마 에칭 장치, 플라즈마 CVD 장치, 플라즈마 애싱 장치와 같은 플라즈마 처리 장치에 있어서, 생산량(Throughput)을 향상시키기 위하여 플라즈마의 고도화, 피처리물(반도체 웨이퍼, 글래스 기판)의 대면적화에 대한 대응 및 클린화 등의 실현이 중요 과제로 대두되고 있다.
리모트 플라즈마 방식의 플라즈마 에칭 장치는 플라즈마를 생성하는 리모트 플라즈마 생성기로부터 발생한 라디칼을 공정 챔버로 제공하여 스테이지 상에 놓인 기판 표면의 산화막을 애칭한다. 이때, 라디칼 반응 후 생성된 (NH4)2SiF6 물질이 고체 상태로 기판 상에 들뜬 상태로 잔존한다. 이를 제거하기 위하여 어닐 공정(anneal process)시에 스테이지를 가열하여 기판 상의 (NH4)2SiF6 물질을 제거한다. 그러나, 리모트 플라즈마에 의한 라디칼 반응 단계와 어닐 단계는 각각 다른 장치에서 수행될 뿐 아니라, 기판이 스테이지에 놓인 상태에서 가열을 진행하여, 라디칼 반응 후 생성된 (NH4)2SiF6 물질을 효율적으로 제거하지 못하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 리모트 플라즈마에 의한 반응 단계 및 어닐 단계의 공정 효율을 높일 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 일 실시예는 플라즈마 처리 장치의 처리 방법에 관한 것이다. 이 처리 방법은 기판을 공정챔버에 로딩한 후 스테이지로 안착시키는 단계, 플라즈마 라디칼을 사용하여 상기 기판 상에 형성된 산화막을 식각하는 단계, 상기 기판을 상기 공정챔버의 상부로 이동시켜 상기 스테이지와 이격시키는 단계, 상기 스테이지의 온도를 150도 이상 가열하는 단계, 및 상기 기판을 상기 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스테이지로 안착시키는 단계는 상기 스테이지의 온도를 20도 내지 40도로 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 산화막을 식각하는 단계는 상기 라디칼을 가스분배 플레이트를 통과시켜 상기 공정챔버 내부에 균일하게 방출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 어닐 공정을 수행하는 단계는 제 2 가스라인들을 통해 N2 가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예는 플라즈마 처리 장치의 처리 방법에 관한 것이다. 이 처리 방법은 공정챔버 내의 스테이지를 150도 이상 가열시키고, 이 온도를 유지한 상태에서 기판을 공정챔버 내로 로딩하는 단계, 상기 기판을 스테이지와 이격된 공간으로 이동시키는 단계, 플라즈마 라디칼을 사용하여 상기 기판 상에 형성된 산화막을 식각하는 단계, 및 상기 기판을 상기 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스테이지와 이격된 공간으로 이동시키는 단계는 상기 기판을 상기 스테이지와 상기 가스분배 플레이트 사이의 공간으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 산화막을 식각하는 단계는 상기 라디칼을 가스분배 플레이트를 통과시켜 상기 공정챔버 내부에 균일하게 방출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 어닐 공정을 수행하는 단계는 제 2 가스라인들을 통해 N2 가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 기존의 개별 장치에서 각각 수행하던 리모트 플라즈마에 의한 라디칼 반응 단계와 어닐 단계(anneal process)를 동일한 장치에서 수행함으로써, 공정 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 무빙 핀을 이용해 기판을 스테이지에 안착 또는 이격할 수 있도록 하여, 효율적인 라디칼 반응 단계를 수행할 수 있다. 또한 어닐 단계를 수행함에 있어, 상기 무빙 핀을 이용해 상기 기판을 상기 스테이지와 이격시킨 상태에서 상기 스테이지를 가열함으로써, 기존의 상기 기판을 스테이지 상에서 가열시켜 어닐 단계를 수행하는 것보다 공정 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법의 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법의 공정 흐름도이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 리모트 플라즈마 처리장치(100)가 제공된다. 상기 리모트 플라즈마 처리장치(100)는 공정챔버(110)를 구비한다. 상기 공정챔버(110) 내부에는 기판(wafer; 180)을 지지하는 스테이지(stage; 120)를 포함할 수 있다. 상기 스테이지(120)에 RF 전원(미도시)이 연결될 수 있다. 상기 RF 전원이 연결됨으로써 상기 공정챔버(110) 내에 생성된 플라즈마의 이온과 라디칼이 상기 기판(180)의 표면에 에너지를 가지고 충돌할 수 있다. 상기 공정챔버(110)의 바닥에는 펌프라인(190)이 연결될 수 있다. 상기 펌프라인(190)을 통해 플라즈마의 분자 또는 에칭 생성물이 배기될 수 있다.
상기 공정챔버(110) 내에 가스분배 플레이트(GDP; 130)가 제공된다. 상기 가스분배 플레이트(130)는 상기 스테이지(120)의 상부에, 상기 스테이지(120)에 대향하도록 상기 공정챔버(110) 내부에 위치할 수 있다. 상기 가스분배 플레이트(130)는 복수개의 분사공들을 가질 수 있다. 상기 분사공들을 통해 공정가스가 상기 공정챔버(110) 내부로 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 가스분배 플레이트(130)는 활성화되지 않은 공정가스를 제공받을 수 있으며, 또는 리모트 플라즈마 소스에 의해 활성화된 가스를 제공받을 수 있다. 상기 활성화된 가스는 라디칼 또는 이온화된 가스일 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(130)는 복수의 분할공간들로 구획될 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(130)는 각 분할공간으로 공정가스를 제공받기 위한 가스유입 포트들을 가질 수 있다. 상기 가스분배 플레이트(130)로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부(미도시)가 가스유입포트들 각각에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스분배 플레이트(130)의 측면에 냉각부(cooling path; 135)가 형성될 수 있다. 상기 냉각부(135)는 상기 가스분배 플레이트(130)의 온도를 조절하여 상기 리모트 플라즈마 소스에 의해 활성화된 가스에 의하여 상기 가스분배 플레이트(130)의 과열을 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 공정챔버(110) 상부에 리모트 플라즈마 챔버(140)가 제공될 수 있다. 상기 리모트 플라즈마 챔버(140)는 상기 공정챔버(110)와 연결되어 가스를 공급할 수 있다. 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 상에 제 1 가스라인(150)이 연결될 수 있다. 상기 제 1 가스라인(150)에서 공급된 가스들은 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 내에서 리모트 플라즈마 소스에 의해 활성화될 수 있다. 이로써, 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 내에 라디칼 또는 이온화된 가스가 형성될 수 있다.
상기 공정챔버(110) 상부에 제 2 가스라인들(160)이 연결될 수 있다. 상기 제 2 가스라인들(160)은 상기 가스분배 플레이트(130)의 상부에 위치하며, 상기 공정챔버(110)의 상부면에 형성될 수 있다. 상기 제 2 가스라인들(160)은 상기 기판(100)상에 반응 후 생성된 물질들을 제거하는 역할을 할 수 있다.
상기 공정챔버(110) 내부에 무빙 핀(170)이 제공될 수 있다. 상기 무빙 핀(170)은 상기 스테이지(120)를 관통하여 상기 공정챔버(110) 내부에서 상하로 움직일 수 있다. 상기 무빙 핀(170)이 상하로 움직임으로써 상기 스테이지(120) 상에 위치하는 상기 기판(180)을 상기 공정챔버(110)내에서 움직이게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 처리 장치(100)는 상기 리모트 플라즈마 반응 단계 및 어닐 단계(aneal process)를 동일한 장치 내에서 수행할 수 있다. 상기 플라즈마 처리 장치(100)는 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 기판(180)이 상기 공정챔버(110)내에서 상하로 이동함으로써 상기 리모트 플라즈마 반응 단계 및 어닐 단계(anneal process) 시에 상기 기판(180)의 위치를 조절할 수 있다. 이로써 상기 리모트 플라즈마 반응 단계 및 어닐 단계의 공정 효율을 극대화할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 처리장치의 동작을 설명하기 위한 단면도들이며, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 처리 방법의 공정 흐름도들이다.
본 발명의 실시예들을 첨부된 도면 도 1 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다.
(실시예 1)
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 기판(180)을 상기 공정챔버(110)에 로딩한 후 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 스테이지(120)로 안착시킨다.(도 4의 S11) 상기 스테이지(120)의 온도는 라디칼 반응에 의한 산화막을 제거하기에 유리하도록 설정할 수 있다. 일례로, 상기 스테이지(120)의 온도는 대략 20도 내지 40도일 수 있다. 상기 기판(180)이 상기 스테이지(120)에 안착된 후 상기 공정챔버(110)의 공정 압력을 제어할 수 있다. 그 후, 상기 제 1 가스라인(150)을 통해 공정가스를 상기 리모트 플라즈마 챔버(140)에 주입할 수 있다. 상기 공정가스는 NF3, NH3, He, 및 Ar 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 공정가스는 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 내에서 리모트 플라즈마 소스에 의해 활성화된 가스를 생성할 수 있다. 일례로, 상기 공정가스는 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 내에서 플라즈마 방전에 의해 라디칼을 생성할 수 있다. 생성된 상기 라디칼은 상기 가스분배 플레이트(130)를 통과하여 상기 공정챔버(110) 내부에 균일하게 방출될 수 있다. 상기 라디칼은 반응성 부식제(etchant)로 기능하여 상기 기판(180) 상에 형성된 산화막을 식각할 수 있다.(도 4의 S12) 상기 라디칼이 상기 기판(180) 상의 산화막을 식각한 후, 이 반응으로 생성된 물질이 고체 상태로 상기 기판(180) 상에 들뜬상태로 잔존할 수 있다. 일례로, 상기 반응으로 생성된 물질은 (NH4)2SiF6일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 리모트 플라즈마 소스에 의한 가스 반응 단계가 끝나면, 어닐 단계를 수행할 수 있다. 상기 어닐 단계를 수행하기 위해, 상기 기판(180)은 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 공정챔버(110)의 상부로 이동할 수 있다. 이로써 상기 기판(180)은 상기 스테이지(120)와 이격되어 위치할 수 있다.(도 4의 S13) 일례로, 상기 기판(180)은 상기 공정챔버(110) 내에서 상기 가스분배 플레이트(130)에 근접한 위치로 이동할 수 있다. 이 상태에서, 상기 기판(180) 상에 상기 라디칼 반응 후 잔존하는 물질을 제거하기 위해 상기 스테이지(120)의 온도를 150도 이상 가열시킬 수 있다.(도 4의 S14) 상기 스테이지(120)가 150도 이상 가열되면, 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120)에 안착시킬 수 있다. (도 1 참조, 도 4의 S15)
상기 기판(180)이 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 스테이지(120)와 이격된 상태에서 상기 스테이지(120)를 가열한 후 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120)에 안착시켜 어닐링(annealing)을 수행하면, 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120) 상에 안착시킨 상태에서 상기 스테이지(120)를 가열하여 어닐링을 수행하는 것보다 효율적으로 어닐 공정을 수행할 수 있다.
이 때, 상기 제 2 가스라인들(160)을 통해 N2 가스를 주입하여 상기 기판(180) 상에 형성된 물질을 제거할 수 있다.(도 4의 S16)
(실시예 2)
도 3을 참조하면, 상기 기판(180)을 상기 공정챔버(110) 내에 로딩시키기 전에, 상기 공정챔버(110) 내의 상기 스테이지(120)를 150도 이상 가열시키고, 이 온도를 유지한 상태에서 상기 기판(180)을 상기 공정챔버(110) 내에 이동시킨다.(도 5의 S21) 상기 공정챔버(110) 내에 들어온 상기 기판(180)은 상기 스테이지(120) 상에 안착시키지 않고, 상기 무빙 핀(170)에 의해 공정진행 위치로 이동시킬 수 있다.(도 5의 S22) 상기 공정진행 위치는 상기 공정챔버(110) 내부에서 상기 스테이지(120)와 이격되고, 상기 스테이지(120)와 상기 가스분배 플레이트(130) 사이의 공간일 수 있다. 상기 공정진행 위치는 상기 리모트 플라즈마 소스에 의해 생성된 상기 라디칼이 상기 기판(180) 상에 균일하게 방출되는 높이일 수 있으며, 상기 라디칼 반응이 유리하게 진행될 수 있는 높이로 조절될 수 있다.
상기 스테이지(120)를 150도 이상 가열한 상태에서, 상기 기판(180)이 상기 무빙 핀(170)에 의해 상기 스테이지(120)와 이격된 상태에서 상기 리모트 플라즈마 소스에 의해 활성화된 가스 반응 단계를 실시한다.
상기 제 1 가스라인(160)을 통해 공정가스를 상기 리모트 플라즈마 챔버(140)에 주입할 수 있다. 상기 공정가스는 NF3, NH3, He, 및 Ar 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 공정가스는 상기 리모트 플라즈마 챔버(140) 내에서 플라즈마 방전에 의해 라디칼을 생성할 수 있다. 생성된 상기 라디칼은 상기 가스분배 플레이트(130)를 통과하여 상기 공정챔버(110) 내부에 균일하게 방출될 수 있다.(도 5의 S24) 상기 라디칼은 반응성 부식제(etchant)로 기능하여 상기 기판(180) 상에 형성된 산화막을 식각할 수 있다.(도 5의 S23) 상기 라디칼이 상기 기판(180) 상의 산화막을 식각한 후, 이 반응으로 생성된 물질이 고체 상태로 상기 기판(180) 상에 들뜬상태로 잔존할 수 있다. 일례로, 상기 반응으로 생성된 물질은 (NH4)2SiF6일 수 있다.
상기 라디칼 반응 후 상기 기판(180) 상에 생성된 물질을 제거하기 위한 어닐 공정으로, 상기 무빙 핀(170)을 이용하여 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120) 상에 안착시킬 수 있다.(도 5의 S24) 상기 기판(180)이 상기 스테이지(120)와 이격된 상태에서 상기 스테이지(120)가 가열된 후, 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120)에 안착시켜 어닐링을 수행하면, 상기 기판(180)이 상기 스테이지(120) 가열에 의한 열적 영향을 받는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 상기 기판(180)을 상기 스테이지(120)상에 안착시킨 상태에서 상기 스테이지(120)를 가열하여 어닐링을 수행하는 것보다 효율적으로 어닐 공정을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 제 2 가스라인들(160)을 통해 N2 가스를 주입하여 상기 기판(180) 상에 형성된 물질을 제거할 수 있다.(도 5의 S25)
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 기판을 공정챔버에 로딩한 후 스테이지로 안착시키는 단계;
    플라즈마 라디칼을 사용하여 상기 기판 상에 형성된 산화막을 식각하는 단계;
    상기 기판을 상기 공정챔버의 상부로 이동시켜 상기 스테이지와 이격시키는 단계;
    상기 스테이지의 온도를 150도 이상 가열하는 단계; 및
    상기 기판을 상기 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 수행하는 단계;
    를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지로 안착시키는 단계는,
    상기 스테이지의 온도를 20도 내지 40도로 유지하는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화막을 식각하는 단계는,
    상기 라디칼을 가스분배 플레이트를 통과시켜 상기 공정챔버 내부에 균일하게 방출하는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐 공정을 수행하는 단계는,
    제 2 가스라인들을 통해 N2 가스를 주입하는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 공정챔버 내의 스테이지를 150도 이상 가열시키고, 이 온도를 유지한 상태에서 기판을 상기 공정챔버 내로 로딩하는 단계;
    상기 기판을 상기 스테이지와 이격된 공간으로 이동시키는 단계;
    플라즈마 라디칼을 사용하여 상기 기판 상에 형성된 산화막을 식각하는 단계; 및
    상기 기판을 상기 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함하되;
    상기 어닐 공정은
    상기 기판을 상기 공정챔버의 상부로 이동시켜 상기 스테이지와 이격시킨 상태에서 상기 스테이지의 온도를 상기 어닐 공정에 적합한 기설정 온도로 가열 한 후 상기 스테이지의 온도가 기설정 온도에 도달한 후에 상기 기판을 상기 스테이지에 안착시켜 어닐 공정을 진행하는 플라즈마 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스테이지와 이격된 공간으로 이동시키는 단계는,
    상기 기판을 상기 스테이지와 가스분배 플레이트 사이의 공간으로 이동시키는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 산화막을 식각하는 단계는,
    상기 라디칼을 가스분배 플레이트를 통과시켜 상기 공정챔버 내부에 균일하게 방출하는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 어닐 공정을 수행하는 단계는,
    제 2 가스라인들을 통해 N2 가스를 주입하는 단계를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
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