KR102108111B1 - 퇴적물 제거 방법 및 가스 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
기판을 가열하고 산소 플라즈마에 노출하는 공정과, 기판을 불화 수소 가스와 알코올 가스의 혼합 가스의 분위기에 노출하고 또한 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 분압으로 하는 제 1 기간과, 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 분압보다 낮은 제 2 전압 또는 알코올 가스의 분압으로 하는 제 2 기간을 반복하는 사이클 처리 공정을 가지고, 사이클 처리 공정에서는, 기판에 대향하는 영역으로부터 혼합 가스를 기판으로 공급하고, 또한 기판의 중앙부를 포함하는 제 1 영역과, 제 1 영역의 외측의 제 2 영역으로부터의 혼합 가스의 단위 면적당 공급량을, 제 2 영역보다 제 1 영역을 많게 한다.
Description
본 발명은 퇴적물 제거 방법 및 가스 처리 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 장치의 제조 분야에서는, 반도체 웨이퍼 등의 기판에 성막 처리 또는 에칭 처리를 행하여, 원하는 패턴을 형성하는 것이 행해지고 있다. 이러한 반도체 장치의 제조 공정에서, STI(샐로우 트렌치 아이솔레이션) 프로세스를 실시하면, 패턴의 측벽 부분에 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 또는 SiOBr)의 퇴적물이 퇴적된다. 종래, 이러한 퇴적물의 제거는, 예를 들면 HF 단가스를 이용한 처리에 의해 행해지고 있었다.
그러나, 퇴적물의 조성 또는 결합 상태가 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘(예를 들면, 게이트 산화막)에 가까울 경우, 이들과의 선택비가 취해지지 않는다고 하는 문제가 있다. 또한, 퇴적물과 HF와의 반응(SiO2 ＋ 4HF → SiF4 ＋ 2H2O)에 의해 생성되는 부산물의 물이 반응을 가속하여 연쇄 반응을 일으켜, 퇴적물만이 아니라 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘이 깎이는 경우가 있다.
또한, 에칭 처리 후의 방치 시간이 길어지면, 퇴적물의 흡습 상태에 의존하여 수분의 영향이 미치기 때문에, 선택비가 더 나빠지는 경우가 있다고 하는 문제가 있다. 또한, 실리콘 기판 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하는 기술로서는, HF 증기 및 H2O 또는 알코올 증기를 사용하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 그러나, 이 기술은 자연 산화막을 제거하는 기술로, 패턴의 측벽 부분에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 기술은 아니다.
상술한 바와 같이, 종래에서는, 패턴에 퇴적된 퇴적물을 제거할 시, 퇴적물과 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘과의 선택비가 낮아, 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘이 데미지를 받는다고 하는 문제가 있었다. 또한, 에칭 처리 후의 방치 시간이 길어지면, 퇴적물의 흡습 상태에 의존하여 수분의 영향이 미치기 때문에, 선택비가 더 나빠진다고 하는 문제가 있었다.
또한, 퇴적물을 제거하는 속도에, 기판의 중앙부와 주연부에 차가 발생하기 쉬워, 기판의 면내에서의 처리의 균일성을 향상시키는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 종래의 사정에 대처하여 이루어진 것으로, 에칭 처리 후의 방치 시간의 장단에 관계없이, 효율적으로 퇴적물을 제거할 수 있고, 또한 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘에 대한 데미지를 억제하고 또한 균일하게 처리할 수 있는 퇴적물의 제거 방법 및 가스 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 퇴적물 제거 방법의 일태양은, 기판 상에 에칭에 의해 형성된 패턴의 표면에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 퇴적물 제거 방법으로서, 상기 기판을 가열하면서 산소 플라즈마에 노출하는 산소 플라즈마 처리 공정과, 상기 산소 플라즈마 처리 공정 후, 상기 기판을, 처리 챔버 내에서 불화 수소 가스와 알코올 가스의 혼합 가스의 분위기에 노출하고, 또한 상기 혼합 가스의 전압(全壓) 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압으로 하는 제 1 기간과, 처리 챔버 내를 배기하여 상기 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압보다 낮은 제 2 전압 또는 알코올 가스의 제 2 분압으로 하는 제 2 기간을 복수 사이클 반복하는 사이클 처리 공정을 구비하고, 상기 사이클 처리 공정에서는, 상기 기판에 대향하는 영역으로부터 상기 혼합 가스를 상기 기판으로 공급하고, 또한 상기 기판의 중앙부를 포함하고 상기 기판의 직경보다 작은 직경을 가지는 원형의 제 1 영역과, 상기 제 1 영역의 외측의 환상(環狀)의 제 2 영역으로부터의 상기 혼합 가스의 단위 면적당 공급량을, 상기 제 2 영역보다 상기 제 1 영역을 많게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스 처리 장치는, 기판을, 처리 챔버 내에서 불화 수소 가스와 알코올 가스의 혼합 가스의 분위기에 노출하고, 또한 상기 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압으로 하는 제 1 기간과, 처리 챔버 내를 배기하여 상기 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압보다 낮은 제 2 전압 또는 알코올 가스의 제 2 분압으로 하는 제 2 기간을 복수 사이클 반복하는 사이클 처리 공정을 실시하고, 상기 기판 상에 에칭에 의해 형성된 패턴의 표면에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 가스 처리 장치로서, 상기 기판에 대향하는 영역으로부터 상기 혼합 가스를 상기 기판으로 공급하고, 또한 상기 기판의 중앙부를 포함하고 상기 기판의 직경보다 작은 직경을 가지는 원형의 제 1 영역과, 상기 제 1 영역의 외측의 환상의 제 2 영역으로부터의 상기 혼합 가스의 단위 면적당 공급량이, 상기 제 2 영역보다 상기 제 1 영역이 많아지도록 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 에칭 처리 후의 방치 시간의 장단에 관계없이, 효율적으로 퇴적물을 제거할 수 있고, 또한 패턴 중의 구조물의 이산화 실리콘에 대한 데미지를 억제하고 또한 균일하게 처리할 수 있는 퇴적물의 제거 방법 및 가스 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 이용하는 플라즈마 처리 장치의 단면 개략 구성을 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 이용하는 가스 처리 장치의 단면 개략 구성을 도시한 도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 가스 처리 장치의 주요부 구성을 도시한 도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 공정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서의 압력의 변화의 상태를 나타낸 그래프이다.
도 6는 퇴적물 제거 가능한 압력, 메탄올 가스 유량, 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 이용하는 가스 처리 장치의 단면 개략 구성을 도시한 도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 가스 처리 장치의 주요부 구성을 도시한 도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 공정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서의 압력의 변화의 상태를 나타낸 그래프이다.
도 6는 퇴적물 제거 가능한 압력, 메탄올 가스 유량, 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 상세를 도면을 참조하여 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일실시예의 퇴적물 제거 방법에서의 산소 플라즈마 처리 공정에 사용하는 플라즈마 처리 장치(100)의 구성예를 모식적으로 도시한 종단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 이 플라즈마 처리 장치(100)는, 내부를 기밀하게 폐색 가능하게 이루어진 처리 챔버(101)를 구비하고 있다. 이 처리 챔버(101) 내에는 반도체 웨이퍼(기판)(W)를 재치(載置)하기 위한 스테이지(102)가 설치되어 있다. 스테이지(102)는 도시하지 않은 온도 제어 기구를 구비하고 있고, 스테이지(102) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 소정 온도로 유지할 수 있도록 되어 있다.
처리 챔버(101)는 예를 들면 쿼츠 등으로 구성되어 있고, 그 천장부에는 쿼츠제의 창(103)이 형성되어 있다. 그리고, 이 창(103)의 외측에는 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된 RF 코일(104)이 설치되어 있다. 창(103)의 부분에는, 산소 가스를 포함하는 소정의 처리 가스(예를 들면, O2 가스 단가스)를 처리 챔버(101) 내로 도입하기 위한 가스 도입부(105)가 설치되어 있다. 그리고, RF 코일(104)에 공급된 고주파의 작용에 의해, 가스 도입부(105)로부터 도입된 처리 가스의 플라즈마(P)를 발생시키도록 되어 있다.
창(103)의 하방에는, 플라즈마의 차폐와 가스의 분산을 행하기 위한 가스 확산판(106)이 설치되어 있고, 이 가스 확산판(106)을 거쳐 플라즈마 중의 라디칼이 분산된 상태로 스테이지(102) 상의 반도체 웨이퍼(W)로 공급되도록 되어 있다. 또한, 기판에 플라즈마를 작용시킬 경우, 직접 기판과 플라즈마를 접촉시켜도 되고, 또한 본 실시예와 같이, 리모트 플라즈마에 의한 처리, 즉 직접 기판과 플라즈마를 접촉시키는 것이 아니라, 기판과는 이간된 부위에서 발생시킨 플라즈마 중으로부터 인출된 라디칼을 기판에 작용시켜도 된다.
또한, 처리 챔버(101)의 저부에는 배기관(107)이 설치되어 있다. 이 배기관(107)은 도시하지 않은 진공 펌프 등에 접속되어 있고, 처리 챔버(101) 내를 소정의 압력으로 배기할 수 있도록 되어 있다.
도 2는, 본 발명의 일실시예의 퇴적물 제거 방법에서의 사이클 처리 공정에 사용하는 가스 처리 장치(200)의 구성예를 모식적으로 도시한 종단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이 이 가스 처리 장치(200)는, 내부를 기밀하게 폐색 가능하게 이루어진 처리 챔버(201)를 구비하고 있다. 이 처리 챔버(201) 내에는 반도체 웨이퍼(기판)(W)를 재치하기 위한 스테이지(202)가 설치되어 있다. 스테이지(202)는 도시하지 않은 온도 제어 기구를 구비하고 있고, 스테이지(202) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 소정 온도로 유지할 수 있도록 되어 있다.
처리 챔버(201)의 상부에는 처리 챔버(201) 내로 소정의 처리 가스(본 실시예에서는 HF 가스와 메탄올 가스와의 혼합 가스)를 도입하기 위한 가스 도입부(203)가 설치되어 있다. 또한, 가스 도입부(203)가 처리 챔버(201) 내에 개구되는 개구부(204)의 하방에는, 다수의 투공(205)이 형성된 가스 확산판(206)이, 스테이지(202)에 재치된 반도체 웨이퍼(W)와 대향하도록 설치되어 있다. 그리고, 이 가스 확산판(206)의 투공(205)으로부터, 즉 반도체 웨이퍼(W)와 대향하는 영역으로부터, 처리 가스를 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로 공급하도록 구성되어 있다.
이 가스 확산판(206)은, 도 3a에도 도시한 바와 같이, 직경 300 mm의 반도체 웨이퍼(W)에 대하여, 직경(d1)이 250 mm의 원형의 제 1 영역(206a) 내에 균일한 피치로 형성된 투공(205)을 가지고 있고, 제 1 영역(206a)보다 외측의 환상의 제 2 영역(206b)에는 투공(205)이 형성되어 있지 않은 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)와 대향하는 영역 중, 제 1 영역(206a)으로부터 공급되는 처리 가스의 단위 면적당 유량이, 제 2 영역(206b)으로부터 공급되는 처리 가스의 단위 면적당 유량(본 실시예에서는 0)보다 많게 되도록 되어 있다.
또한 도 3a에는, 제 1 영역(206a)과 제 2 영역(206b)의 경계를 나타내는 가상선을 일점 쇄선으로 도시하고 있다. 또한 도 3b에, 실질적으로 제 1 영역과 제 2 영역의 구별이 없고, 전체 면에 균일한 피치로 형성된 투공(215)을 가지는 가스 확산판(216)의 구성을 도시한다. 도 3a의 가스 확산판(206)에서의 투공(205)의 수와 도 3b에 도시한 가스 확산판(216)에서의 투공(215)의 수는 동수이며, 투공(205)은 예를 들면 28 mm 피치, 투공(215)은 예를 들면 40 mm 피치로 형성되어 있다. 또한, 가스 확산판(216)에서의 투공(215)이 배치되어 있는 영역의 직경(d2)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 345 mm로 되어 있다.
또한 도 3a, 도 3b에서, 제 1 영역(206a)의 직경(d1) 및 투공(215)이 배치되어 있는 영역의 직경(d2)이란, 그 영역 내의 모든 투공(205) 및 투공(215)이 내부에 포함되는 최소 직경의 원을 그렸을 때의 그 원의 직경을 나타내고 있다. 또한 도 3a, 도 3b에서 투공(205) 및 투공(215)의 수 및 피치는, 실제의 수 및 피치를 나타낸 것이 아니며, 생략하여 기재되어 있다.
또한 상기의 가스 확산판(206), 가스 확산판(216)을 이용했을 경우, 예를 들면 처리 가스 유량을 2800 sccm 정도로 하면, 가스 확산판(206), 가스 확산판(216)의 배압은 13.3 KPa(100 Torr) 정도가 된다. 한편, 반도체 웨이퍼(W)가 배치된 처리 챔버(201) 내의 압력은 665 Pa(5 Torr) 정도가 된다. 이와 같이, 가스 확산판(206) 및 가스 확산판(216)의 배압과 처리 챔버(201) 내의 압력 간에 큰 차가 있으므로, 가스 확산판(206) 및 가스 확산판(216)의 면내에서, 예를 들면 중앙부에 배치된 투공(205) 및 투공(215)이라도, 주연부에 배치된 투공(205) 및 투공(215)이라도, 각 투공(205) 및 투공(215)으로부터는 대략 균일한 유량으로 처리 가스가 토출된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 처리 챔버(201)의 저부에는 배기관(207)이 설치되어 있다. 이 배기관(207)은 도시하지 않은 진공 펌프 등에 접속되어 있고, 처리 챔버(201) 내를 소정의 압력으로 배기할 수 있도록 되어 있다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치(100) 및 가스 처리 장치(200)를 이용하여 본 실시예에서는, 다음과 같이 하여 퇴적물 제거 처리를 행한다.
도 4의 순서도에 나타낸 바와 같이, 전공정에서 에칭 처리가 행해지고(단계(301)), 소정의 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼에는, 패턴의 측벽 부분에 에칭 처리에 수반하는 반응 생성물이 퇴적된다. 예를 들면, STI(샐로우 트렌치 아이솔레이션) 프로세스를 실시하면, 패턴의 측벽 부분에 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 또는 SiOBr)의 퇴적물이 퇴적된다. 따라서, 본 실시예에서의 퇴적물 제거 처리에 의해, 패턴의 측벽 부분에 퇴적된 퇴적물을 제거한다.
상기한 에칭 처리(단계(301))는, 예를 들면 이하에 나타내는 2 단계의 에칭 처리로서 실시된다.
(단계(1))
압력 : 6.65 Pa(50 mTorr)
고주파 전력(주파수가 높은 고주파) / (주파수가 낮은 고주파) : 400 / 1500 W
에칭 가스 : HBr / NF3 / O2 = 400 / 75 / 5 sccm
스테이지 온도 : 110℃
시간 : 5 초
(단계(2))
압력 : 6.65 Pa(50 mTorr)
고주파 전력(주파수가 높은 고주파) / (주파수가 낮은 고주파) : 400 / 1400 W
에칭 가스 : HBr / NF3 / O2 = 350 / 32 / 19 sccm
스테이지 온도 : 110℃
시간 : 20 초
상기의 에칭 처리 후, 퇴적물 제거 처리에서의 산소 플라즈마 처리를 행한다(단계(302)). 이 산소 플라즈마 처리는, 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치(100) 등에 의해 실시할 수 있다. 이 퇴적물 제거 처리는, 상기 에칭 처리 후, 즉시 행해도 되고, 어느 정도의 방치 시간(예를 들면, 수시간에서 수일) 후에 행해도 된다.
이 플라즈마 처리 장치(100)에서의 산소 플라즈마 처리 공정은, 예를 들면 이하와 같이 실시한다. 즉, 산소 플라즈마 처리 공정에서는, 미리 소정 온도로 설정된 스테이지(102) 상에 반도체 웨이퍼(W)가 재치되고, 도시하지 않은 정전 척 등에 의해 흡착됨으로써 반도체 웨이퍼(W)가 소정 온도로 가열된 상태가 된다. 이 상태에서 가스 도입부(105)로부터 산소 가스를 포함하는 소정의 처리 가스가 도입되고, 또한 배기관(107)으로부터 배기가 행해져, 처리 챔버(101) 내가 소정 압력의 처리 가스 분위기가 된다. 그리고, RF 코일(104)에 고주파 전력이 인가됨으로써, 산소 가스의 유도 결합 플라즈마가 발생된다. 이 플라즈마 중의 이온은, 가스 확산판(106)에 의해 차폐되고, 전하를 가지지 않는 산소 라디칼이 분산된 상태로 스테이지(102) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 공급되고, 산소 라디칼의 작용에 의한 산소 플라즈마 처리가 행해진다.
이 산소 플라즈마 처리는, 에칭 처리 후의 방치 시간의 장단에 관계없이, 패턴 및 퇴적물의 흡습 상태를 일정하게 하기(탈수하기) 위하여 행하는 것이다. 이에 의해, 이후에 행하는 사이클 처리 공정에서, 흡습 상태의 차이에 의한 영향을 배제함으로써 패턴의 측벽에 퇴적된 퇴적물인 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 또는 SiOBr)을 제거할 수 있고, 또한 반응이 과잉이 되어 패턴 구조물인 게이트 산화막 등의 SiO2층이 데미지를 받는 것 등을 억제할 수 있다.
이 산소 플라즈마 처리에서는, 처리 가스로서 산소를 포함하는 가스 예를 들면, 산소 가스의 단가스 혹은 산소 가스와 질소 가스의 혼합 가스 등을 사용하고, 반도체 웨이퍼(W)의 가열 온도(스테이지 온도)는 예를 들면 200℃ ~ 300℃ 정도로 설정된다. 또한, 압력은 예를 들면 66.5 Pa(0.5 Torr) ~ 266 Pa(2 Torr) 정도로 이루어진다.
상기의 산소 플라즈마 처리 후, 퇴적물 제거 처리에서의 사이클 처리를 실시한다(단계(303 ~ 305)). 이 사이클 처리는, 도 2에 도시한 가스 처리 장치(200) 등에 의해 실시할 수 있다.
가스 처리 장치(200)에서의 사이클 처리 공정은, 이하와 같이 실시된다. 즉, 사이클 처리 공정에서는, 미리 소정 온도로 설정된 스테이지(202) 상에 반도체 웨이퍼(W)가 재치됨으로써 반도체 웨이퍼(W)가 소정 온도로 유지된 상태가 된다. 이 상태에서 가스 도입부(203)로부터 소정의 처리 가스(본 실시예에서는 HF 가스 ＋ 메탄올 가스)가 도입되고, 또한 배기관(207)으로부터 배기가 행해져, 처리 챔버(201) 내가 소정 압력의 처리 가스 분위기가 된다.
도 4의 순서도에 나타낸 바와 같이, 사이클 처리 공정에서는, 메탄올 가스의 분압을 제 1 분압으로 하는 제 1 기간(단계(303))과, 처리 챔버 내를 배기하여 메탄올 가스의 분압을 제 1 분압보다 낮은 제 2 분압으로 하는 제 2 기간(단계(304))을 복수 사이클 반복한다(단계(305)). 이와 같이 메탄올 가스의 분압을 변동시키는 방법으로서는, 예를 들면 이하와 같은 방법을 이용할 수 있다.
즉, 가스의 공급을 변화시켜, 예를 들면 제 1 기간에서는 소정 유량의 혼합 가스를 공급하고, 제 2 기간에서는 혼합 가스의 공급을 정지하고 소정 유량의 질소 가스 등을 공급하는 방법, 또는 제 1 기간에서는 소정 유량의 혼합 가스를 공급하면서 자동 압력 제어 장치(APC)로 처리 챔버 내를 소정 압력으로 유지하고, 제 2 기간에서는 자동 압력 제어 장치(APC)의 설정 압력을 낮게 또는 전개(全開)로 하여 진공 펌프로 전체 배기하여, 압력을 낮추는 방법 등이다. 본 실시예에서는, 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같이, 후자의 방법을 이용하여 제 1 기간과 제 2 기간을 설정한다.
이 때, 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 예를 들면 수십도(예를 들면 30℃) 이하의 저온으로 하는 것이 바람직하다. 또한 제 1 기간에서의 압력은, 예를 들면 665 Pa(5 Torr) ~ 1330 Pa(10 Torr) 정도가 바람직하고, 처리 가스는 HF 가스 ＋ 알코올 가스(본 실시예에서는 CH3OH 가스)의 혼합 가스를 사용한다.
이러한 사이클 처리에서 제 1 기간은, 혼합 가스의 작용에 의해 퇴적물이 제거될 수 있는 혼합 가스의 압력 또는 알코올 가스의 분압으로 설정한다. 또한 제 2 기간은, 혼합 가스의 압력 또는 알코올 가스의 분압을 저하시켜, 퇴적물이 제거되지 않고 제 1 기간 중에 퇴적물과 혼합 가스와의 반응에 의해 생성된 물질(H2O 등)을 배기하여 처리 챔버(201) 밖으로 배출하는 기간으로 한다. 이러한 제 1 기간 및 제 2 기간은 각각 5 초에서 20 초 정도로 하고, 이 사이클을 복수 회 반복하여 행한다.
그리고, 상기의 사이클 처리를 소정 횟수 반복한 후, 퇴적물 제거 처리가 종료된다(단계(306)).
이상과 같이, 본 실시예의 퇴적물 제거 방법에서는, 우선, 산소 플라즈마 처리에 의해 패턴 및 퇴적물의 흡습 상태를 에칭 처리 후의 방치 시간의 장단에 관계없이 일정하게 한다.
상기의 산소 플라즈마 처리를 행하면, HF 단가스에 의한 처리에서는 반응 촉진제로서 작용하는 H2O가 산소 플라즈마 처리에 의해 제거되기 때문에, 처리 결과가 안정되는 반면, 구조 중의 SiO2막과의 선택비를 확보하면서 퇴적물의 제거를 행하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 본 실시예에서의 사이클 처리에서는, HF 가스 ＋ 알코올 가스(본 실시예에서는 메탄올 가스)의 혼합 가스를 이용한다. 또한 이 경우, 반응에 의해 발생한 H2O량이 챔버 내에서 과잉이 되어, 패턴 구조물인 게이트 산화막 등이 데미지를 받거나 역반응에 의해 다시 퇴적이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 사이클 처리에 의해, 퇴적물의 제거가 행해지는 제 1 기간과, 퇴적물의 제거가 행해지지 않고 반응 생성물이 배기되는 제 2 기간을 반복하여 행함으로써 챔버 내의 H2O량이 과잉이 되는 것을 방지한다.
이에 의해, 패턴의 측벽에 퇴적된 퇴적물인 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 또는 SiOBr)을 제거할 수 있고, 또한 H2O에 의한 촉매 작용에 의해 반응이 과잉으로 진행되어, 패턴 구조물인 게이트 산화막 등의 SiO2층이 데미지를 받는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 가스 처리 장치(200)의 가스 확산판(206)은, 도 3a에 도시한 바와 같이, 직경 300 mm의 반도체 웨이퍼(W)에 대하여, 직경 250 mm의 원형의 제 1 영역(206a) 내에 균일한 피치로 형성된 투공(205)을 가지고, 제 1 영역(206a)보다 외측의 환상의 제 2 영역(206b)에는 투공(205)이 형성되어 있지 않은 구성으로 되어 있고, 반도체 웨이퍼(W)와 대향하는 영역 중, 제 1 영역(206a)으로부터 공급되는 처리 가스의 단위 면적당 유량이, 제 2 영역(206b)으로부터 공급되는 처리 가스의 단위 면적당 유량보다 많아지는 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 상기 퇴적물 제거 처리를 반도체 웨이퍼(W)의 면내에서 보다 균일하게 행할 수 있다.
즉, 예를 들면 도 3b에 도시한 바와 같이, 실질적으로 제 1 영역과 제 2 영역의 구별이 없고, 전체 면에 균일한 피치로 형성된 투공(215)을 가지는 가스 확산판(216)을 이용할 경우, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에서 퇴적물 제거 처리의 속도가 빨라지고, 주연부에서 느려지는 것과 같이 반도체 웨이퍼(W)의 면내에서의 처리 속도가 불균일해진다고 하는 현상이 일어난다. 또한 이러한 현상은, 반도체 웨이퍼(W)에 패턴이 형성되어 있을 경우에 발생하고, 반도체 웨이퍼(W)에 패턴이 형성되어 있지 않은 소위 베타막으로 에칭을 행했을 경우에는, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부보다 주연부에서의 에칭 속도가 높아진다고 하는 현상이 발생한다.
상기한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)에 패턴이 형성되어 있는 경우와 형성되어 있지 않은 경우에서 반대의 현상이 일어나는 것은, 특히 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에서는 반도체 웨이퍼(W) 상공의 가스 유속이 단부(端部)에 비해 느리고, 반응에 의해 발생한 H2O의 패턴 내부로부터의 배기가 효율적으로 행해지지 않게 되어 패턴 내 체류가 많아지는 결과, H2O에 의한 촉매 작용에 의해 반응이 진행되기 때문이라고 상정된다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대한 처리 가스의 단위 면적당 공급량을, 주연부에 대한 처리 가스의 단위 면적당 공급량보다 많게 하고, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부 상공에서의 속도를 빠르게 함으로써 중앙부의 패턴 내로부터의 H2O의 배출을 촉진함으로써, 처리의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 도 3a에 도시한 예에서는, 제 1 영역(206a)의 외측의 제 2 영역(206b)에 투공(205)을 배치하지 않는 구성으로 되어 있지만, 제 2 영역(206b)에 제 1 영역(206a)보다 적은 배치 밀도(단위 면적당 투공의 개수)로 투공(205)을 배치한 구성으로 해도 된다. 또한, 투공(205)의 배치 밀도는 바꾸지 않고, 제 1 영역(206a)과 제 2 영역(206b)에서의 처리 가스의 공급량을 독립적으로 바꿀 수 있는 구성으로 하여, 제 1 영역(206a)으로부터의 처리 가스의 단위 면적당 공급량을, 제 2 영역(206b)으로부터의 처리 가스의 단위 면적당 공급량보다 많게 하도록 해도 된다. 또한 제 1 영역(206a)의 직경(d1)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작게 할 필요가 있고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경의 90% 이하 70% 이상으로 하는 것이 바람직하며, 85% 이하 75% 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 또한, 제 2 영역(206b)에 투공(205)을 배치한 구성으로 했을 경우, 제 2 영역(206b)의 외경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크게 해도 된다.
실험예(1)로서, 에칭에 의해 패턴을 형성한 후 1 개월 방치한 반도체 웨이퍼에, 퇴적물 제거 프로세스를 실시했다. 우선, 산소 플라즈마 처리를 이하의 처리 조건에 의해 행했다.
압력 : 133 Pa(1 Torr)
고주파 전력 : 1000 W
에칭 가스 : O2 = 1980 sccm
스테이지 온도 : 250℃
시간 : 120 초
이어서, 사이클 처리를 이하의 처리 조건에 의해 행했다.
압력 : (931 Pa(7 Torr) 10 초 ⇔ 173 Pa(1.3 Torr) 10 초) × 6 사이클
HF / CH3OH = 2800 / 44 sccm
스테이지 온도 : 10℃
또한 상기의 사이클 처리에서의 압력의 설정은, 전술한 바와 같이, 제 1 기간에서는, APC의 압력 설정을 931 Pa(7 Torr)로 한 시간을 10 초 유지하고, 제 2 기간에서는, 처리 가스를 흘린 상태에서 APC를 전개로 한 상태를 10 초 유지한 것이며, 실제의 처리 챔버(201) 내의 압력의 변동은, 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같이 된다. 즉, APC가 전개의 상태로부터 APC의 압력 설정을 931 Pa(7 Torr)로 해도, 실제의 압력이 931 Pa(7 Torr)에 도달할 때까지 4 ~ 5 초 정도 걸린다. 또한, APC의 압력 설정을 931 Pa(7 Torr)로부터 전개로 하면 비교적 단시간에 압력이 173 Pa(1.3 Torr) 정도로 일정해진다.
여기서, 상기의 스테이지 온도 및 처리 가스의 유량의 조건에서는, 퇴적물 제거(퇴적물 박리)가 가능해지는 압력은 665 Pa(5 Torr) 정도가 된다. 따라서, 이 경우의 사이클 처리에서의 1 / 2 사이클의 시간은 5 ~ 20 초 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한 제 1 기간과 제 2 기간은, 반드시 동일하게 할 필요는 없고, 상이하게 해도 된다.
이상의 퇴적물 제거 공정을 행한 후의 반도체 웨이퍼를 SEM로 확대하여 관찰한 바, 패턴의 측벽부에 퇴적된 퇴적물이 제거되고, 또한 패턴 구조물인 게이트 산화막 등의 SiO2층이 데미지를 받지 않았다.
한편 비교예(1)로서, 실험예(1)에서의 산소 플라즈마 처리 후, HF 단가스로 실험예(1)와 동일한 가스 처리를 행한 바, 퇴적물은 거의 제거되지 않았다.
이어서, 퇴적물을 제거 가능해지는 처리의 조건을 조사한 결과에 대하여 설명한다. 우선, 처리 가스에서의 메탄올 가스 첨가량과 퇴적물의 박리력과의 관계를 조사한 바, 메탄올 가스를 첨가하지 않았던 경우에 퇴적물을 제거할 수 없었던 샘플에 대하여, 메탄올 가스를 100 sccm 첨가한 경우에는 퇴적물을 제거할 수 있었다. 또한, 메탄올 가스의 첨가량을 200 sccm로 늘리면, 퇴적물의 박리력이 증대하는 것을 확인할 수 있었다. 단, 이 실험은, 사이클 처리를 행하지 않고, 연속적으로 가스 처리를 행했기 때문에, 패턴의 구조물인 게이트 산화막이 깎여 데미지가 발생했다.
또한, 처리 가스의 압력과 퇴적물의 박리력과의 관계를 조사하기 위하여, 압력을 665 Pa(5 Torr), 1330 Pa(10 Torr), 1995 Pa(15 Torr)로 하여 샘플의 퇴적물의 제거를 행했다. 그 결과, 고압화함으로써, 퇴적물의 박리력이 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 단, 이 실험은, 사이클 처리를 행하지 않고, 연속적으로 가스 처리를 행했기 때문에, 패턴의 구조물인 게이트 산화막이 깎여 데미지가 발생했다.
또한, 온도와 퇴적물의 박리력과의 관계를 조사하기 위하여, 온도를 10℃, 30℃, 50℃로 하여 샘플의 퇴적물의 제거를 행했다. 그 결과, 저온화함으로써 퇴적물의 박리력이 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 단, 이 실험은, 사이클 처리를 행하지 않고, 연속적으로 가스 처리를 행했기 때문에, 패턴의 구조물인 게이트 산화막이 깎여 데미지가 발생했다.
상기의 결과로부터 종축을 압력, 횡축을 메탄올 가스 유량으로 한 도 6의 그래프에 나타낸 바와 같이, 각 처리 온도마다, 퇴적물의 제거가 진행하는 영역과 퇴적물의 제거가 진행하지 않는 영역을 구분하는 경계선을 구할 수 있다. 그리고, 이 경계선을 넘도록 처리 조건(전압 또는 메탄올 가스 유량 또는 이들 쌍방)을 변경하면, 사이클 처리에서의 퇴적물의 제거가 행해지는 제 1 기간과 퇴적물의 제거가 행해지지 않는 제 2 기간을 설정할 수 있다.
이어서, 퇴적물 제거 처리에서의 처리의 면내 균일성을 조사한 결과에 대하여 설명한다. 실험예(2)로서 라인 앤드 스페이스의 패턴이 형성되고 각 라인 간의 스페이스에 퇴적물이 퇴적된 반도체 웨이퍼(W)에 대하여, 상술한 퇴적물 제거 처리를, 도 3a에 도시한 가스 확산판(206)을 가지는 가스 처리 장치(200)를 이용하여 행하고, 라인 간의 스페이스의 깊이를 측정했다. 깊이의 측정은, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부, 중간부, 엣지로부터 30 mm의 위치, 엣지로부터 4 mm의 위치에서 행했다. 그 결과,
중앙부 = 107.2 nm
중간부 = 75.4 nm
엣지로부터 30 mm의 위치 = 74.1 nm
엣지로부터 4 mm의 위치 = 75.4 nm
가 되어, 중앙부와 엣지로부터 4 mm의 위치와의 깊이의 차는 31.8 nm가 되었다.
한편 비교예(2)로서, 라인 앤드 스페이스의 패턴이 형성되고 각 라인 간의 스페이스에 퇴적물이 퇴적된 반도체 웨이퍼(W)에 대하여, 상술한 퇴적물 제거 처리를, 도 3b에 도시한 가스 확산판(216)을 가지는 가스 처리 장치(200)를 이용하여 행하고, 라인 간의 스페이스의 깊이를 측정했다. 또한 가스 확산판(216)을 이용한 점 이외에는, 실험예(2)와 동일한 조건으로 퇴적물 제거 처리를 행했다. 깊이의 측정은, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부, 중간부, 엣지로부터 30 mm의 위치, 엣지로부터 4 mm의 위치에서 행했다. 그 결과,
중앙부 = 111.1 nm
중간부 = 71.4 nm
엣지로부터 30 mm의 위치 = 67.5 nm
엣지로부터 4 mm의 위치 = 66.2 nm
가 되어, 중앙부와 엣지로부터 4 mm의 위치와의 깊이의 차는 44.9 nm가 되었다.
상기의 결과로부터 명백한 바와 같이, 실험예(2)에서는, 비교예(2)에 비해 퇴적물 제거 처리의 면내 균일성이 상승되어 있는 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예 및 실험예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예 및 실험예에 한정되지 않고, 각종의 변형이 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 상기 실시예 및 실험예에서는, 알코올 가스로서 메탄올 가스를 사용한 경우에 대하여 설명했지만, 다른 알코올 가스, 예를 들면 에탄올 가스 또는 이소프로필 알코올 가스등을 사용해도 된다.
산업상의 이용 가능성
본 발명은, 반도체 장치의 제조 분야 등에서 사용할 수 있다. 따라서, 산업상의 이용 가능성을 가진다.
W : 반도체 웨이퍼
100 : 플라즈마 처리 장치
101 : 처리 챔버
102 : 스테이지
103 : 창
104 : RF 코일
105 : 가스 도입부
106 : 가스 확산판
107 : 배기관
200 : 가스 처리 장치
201 : 처리 챔버
202 : 스테이지
203 : 가스 도입부
204 : 개구부
205 : 투공
206 : 가스 확산판
207 : 배기관
100 : 플라즈마 처리 장치
101 : 처리 챔버
102 : 스테이지
103 : 창
104 : RF 코일
105 : 가스 도입부
106 : 가스 확산판
107 : 배기관
200 : 가스 처리 장치
201 : 처리 챔버
202 : 스테이지
203 : 가스 도입부
204 : 개구부
205 : 투공
206 : 가스 확산판
207 : 배기관
Claims (8)
- 기판 상에 에칭에 의해 형성된 패턴의 표면에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 퇴적물 제거 방법으로서,
상기 기판을 가열하면서 산소 플라즈마에 노출하는 산소 플라즈마 처리 공정과,
상기 산소 플라즈마 처리 공정 후, 상기 기판을, 처리 챔버 내에서 불화 수소 가스와 알코올 가스의 혼합 가스의 분위기에 노출하고, 또한 상기 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압으로 하는 제 1 기간과, 처리 챔버 내를 배기하여 상기 혼합 가스의 전압 또는 알코올 가스의 분압을 제 1 전압 또는 알코올 가스의 제 1 분압보다 낮은 제 2 전압 또는 알코올 가스의 제 2 분압으로 하는 제 2 기간을 포함하며, 상기 제 1 기간 및 상기 제 2 기간을 교대로 복수 사이클 반복하는 사이클 처리 공정을 구비하고,
상기 사이클 처리 공정에서는, 상기 기판에 대향하는 영역으로부터 상기 혼합 가스를 상기 기판으로 공급하고, 또한 상기 기판의 중앙부를 포함하고 상기 기판의 직경보다 작은 직경을 가지는 원형의 제 1 영역과, 상기 제 1 영역의 외측의 환상의 제 2 영역으로부터의 상기 혼합 가스의 단위 면적당 공급량을, 상기 제 2 영역보다 상기 제 1 영역을 많게 하고,
상기 산소 플라즈마 처리 공정은, 반복하여 수행되지 않으며, 상기 사이클 처리 공정을 수행하기 전에 상기 패턴 및 상기 퇴적물을 탈수하기 위하여 수행되는 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 직경이 상기 기판의 직경의 85% 이하인 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분압이, 상기 혼합 가스의 작용에 의해 상기 퇴적물을 제거 가능한 분압인 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 기간 및 상기 제 2 기간이 5 초 내지 20 초의 기간인 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 퇴적물이 실리콘 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 패턴이, 구조물로서 이산화 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 알코올 가스가 메탄올 가스인 것을 특징으로 하는 퇴적물 제거 방법. - 삭제
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