KR20010004243A - 반도체 제조 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법 - Google Patents

반도체 제조 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 생산 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 장비의 플라즈마 챔버 크리닝 방법에 관한 것이며, 공정의 복잡도 및 클리닝 공정 중의 2차적인 오염을 최소화하면서 ESC의 손상을 방지할 수 있는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 전형적인 플라즈마 챔버 클리닝 및 WAC 공정의 장점을 결합시킨 기술로, 클리닝용 웨이퍼가 있는 상태에서 낮은 바이어스 파워(1∼800W)를 적용한 인-시츄(In-Situ) 플라즈마 챔버 클리닝을 실시함으로써 ESC의 손상 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼에 미치는 플라즈마 영향을 최소화하는 동시에 챔버 내벽에 대한 클리닝 효과를 극대화시킴으로써 장비의 습식 클리닝 주기를 현저히 증가시킬 수 있어 식각 장비 뿐만 아니라 플라즈마를 이용한 증착 장비의 챔버 클리닝에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술은 식각 장비의 공정 진행 프로그램 중 식각 레시피(Recipe) 생성 단계에서 식각공정 진행 직후의 단계에 인-시츄(In-Situ) 플라즈마 클리닝 단계를 첨가함으로써 하드웨어의 변경 없이 용이하게 적용할 수 있다.

Description

반도체 제조 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법{A method for cleaning plasma chamber of semiconductor fabrication appratus}
본 발명은 반도체 생산 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 장비의 플라즈마 챔버 크리닝 방법에 관한 것이며, 4세대 64M DRAM과 같은 0.22㎛급 이상의 고집적 반도체 제조 공정에서 폴리머 형성을 이용한 폴리실리콘 플러그 형성 공정이나 폴리실리콘 에치백(polysilicon etchback) 공정 등과 같이 공정 진행 중 다량의 폴리머가 발생하는 공정에서 효과적으로 적용할 수 있다.
반도체 생산 장비 중 플라즈마 장비에서는 폴리머를 유발하는 환경에서 장시간 공정을 진행함에 따라 플라즈마 챔버 내벽에 폴리머가 증착되게 된다. 특히, 폴리실리콘 식각 장비에서는 스퍼터링에 의한 식각 특성으로 인해 다량의 Si 함유 폴리머가 챔버 내부에 역증착되어 심각한 파티클 문제를 유발하게 된다.
이러한 파티클 문제를 해결하기 위하여 반도체 생산을 위한 플라즈마 장비는 챔버 내벽에 부착된 폴리머를 제거하기 위하여 통상 주기적으로 습식 클리닝을 실시해 주어야 한다. 이러한 습식 클리닝은 장시간의 시간을 요하므로 생산성에 큰 지장을 초래한다. 이에 따라, 플라즈마 장비의 습식 클리닝 주기를 늘리기 위해 습식 클리닝에 비해 간단한 플라즈마 챔버 클리닝 공정을 실시하고 있다.
종래에는 장비가 일정 웨이퍼 진행 장수나 RF 온-타임(ON-TIME)이 경과했을 때 클리닝용 웨이퍼를 사용하여 일정 시간 동안 플라즈마를 이용하여 챔버를 클리닝하는 전형적인 건식 클리닝법이 적용되었다.
그러나, 현재 0.22㎛급 DRAM의 폴리실리콘 콘택 패드 및 전하저장 전극 콘택 패드의 형성에 적용되고 있는 폴리실리콘 플러그 식각 공정이나, 폴리실리콘 플러그 형성시 레지듀(Residue)나 스트링거(Stringer) 발생 방지를 위하여 폴리실리콘 플러그 증착후 토폴로지(Topology) 완화 공정으로 적용되고 있는 전면 폴리실리콘 스퍼터링 식각 공정 등과 같이 다량의 폴리머가 발생하는 공정을 진행하는 장비에 종래의 플라즈마 챔버 클리닝을 적용할 경우, 클리닝용 웨이퍼 자체가 식각되어 2차적인 폴리머 제공원으로 작용함으로써 효과적인 챔버 클리닝을 실현하기 어려울 뿐만 아니라 클리닝용 웨이퍼의 사용이 필수적이기 때문에 식각 공정 진행중 인-시츄(In-SITU)로 플라즈마 클리닝을 적용할 수 없어 공정 단순화 측면에서 큰 단점이 있었다.
이러한 종래기술의 단점을 보완한 챔버 클리닝 신기술로써 최근에 적용되고 있는 WAC(waferless auto plasma cleaning) 공정은 챔버 내에 웨이퍼가 없는 상태에서 플라즈마 클리닝이 수행되기 때문에 최소 런 웨이퍼(run wafer) 1장 주기마다 플라즈마 클리닝을 적용할 수 있어 클리닝용 웨이퍼의 사용으로 인한 2차적인 파티클 제공원을 원천적으로 차단하였으며, 또한 런 진행 중간 중간에 지속적으로 플라즈마 클리닝을 적용할 수 있어 효과적인 챔버 클리닝 및 공정 단순화를 동시에 만족할 수 있게 되었다. 실제로 WAC 공정의 경우 60초의 플라즈마 턴-온 시간으로 챔버 내벽의 폴리머를 만족할 만한 수준으로 제거하고 있다.
그러나, WAC 공정은 웨이퍼 없이 정전척(electrostatic chuck, ESC)이 노출된 상태에서 플라즈마 클리닝이 진행되기 때문에 제로 바이어스 파워(zero bias power)가 인가되더라도 WAC 공정이 지속적으로 적용될 경우, 심각한 ESC의 손상(Damage) 문제가 유발될 수 있는데, 현재의 방법으로는 ESC의 손상 정도를 정확하게 실시간으로 모니터링(Monitoring) 할 수 없어 ESC의 손상으로 인한 공정 불안정이 야기될 수 있으며, 결국 고비용의 ESC를 자주 교체해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 공정의 복잡도 및 클리닝 공정 중의 2차적인 오염을 최소화하면서 ESC의 손상을 방지할 수 있는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 폴리실리콘 에치백 공정에 상기 일 실시예의 챔버 공정을 적용한 경우 베어(bare) 실리콘 웨이퍼의 슬롯(slot)에 따른 추가된 파티클 수를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명을 폴리실리콘 플러그 형성 공정에 적용한 경우의 주사전자현미경(SEM) 사진.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법은, 플라즈마 챔버 내에서 해당 공정을 진행하는 제1 단계와, 상기 해당 공정을 마친 런 웨이퍼를 언로드 하지 않은 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내벽에 증착된 폴리머를 제거하기 위한 플라즈마 클리닝을 실시하되, 바텀 바이어스 파워를 1∼800W로 설정하여 실시하는 제2 단계를 포함하여 이루어진다.
즉, 본 발명은 전형적인 플라즈마 챔버 클리닝 및 WAC 공정의 장점을 결합시킨 기술로, 클리닝용 웨이퍼가 있는 상태에서 낮은 바이어스 파워(1∼800W)를 적용한 인-시츄(In-Situ) 플라즈마 챔버 클리닝을 실시함으로써 ESC의 손상 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼에 미치는 플라즈마 영향을 최소화하는 동시에 챔버 내벽에 대한 클리닝 효과를 극대화시킴으로써 장비의 습식 클리닝 주기를 현저히 증가시킬 수 있어 식각 장비 뿐만 아니라 플라즈마를 이용한 증착 장비의 챔버 클리닝에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술은 식각 장비의 공정 진행 프로그램 중 식각 레시피(Recipe) 생성 단계에서 식각공정 진행 직후의 단계에 인-시츄(In-Situ) 플라즈마 클리닝 단계를 첨가함으로써 하드웨어의 변경 없이 용이하게 적용할 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
우선, 일련의 폴리실리콘 에치백 공정을 진행하고, 그 웨이퍼가 챔버 내에 있는 상태에서 챔버 내벽에 증착된 다량의 Si 함유 폴리머를 제거하기 위하여 SF6, NF3, CF계 가스와 같은 불소 함유 가스 또는 상기 불소 함유 가스에 Cl2, O2중 적어도 어느 하나를 1∼99% 정도 혼합한 혼합 가스를 챔버내로 흘려 챔버 클리닝을 위한 플라즈마를 형성한다. 이때, 챔버 내 ESC 위에는 이미 식각 공정이 완료된 웨이퍼가 존재하고 있는 상태이기 때문에 플라즈마 챔버 클리닝시 플라즈마에 의해 웨이퍼가 기 형성된 식각 프로파일(Profile)이 큰 영향을 받을 수 있기 때문에 이러한 단점을 해결하기 위하여 기존에 적용하고 있는 대부분의 플라즈마 클리닝 방법과는 달리, 기 식각된 웨이퍼의 식각 프로파일에 미치는 클리닝 플라즈마의 영향을 최소화하기 위하여 바텀 바이어스 파워를 1∼800W의 값으로 설정하고, 이와 동시에 챔버 클리닝 효과의 극대화를 위하여 탑 파워(또는 소오스 파워)를 최대(1000∼3000W)로 인가한다. 플라즈마 클리닝 시간은 10∼1000초의 범위에서 설정하며, 챔버 벽(Chamber Wall) 및 전극(Electrode)의 온도를 각각 0∼300℃ 및 50∼100℃ 범위로, 플라즈마 형성시 챔버내 압력을 1∼1000mT 범위로, 플라즈마 형성시 사용하는 각 기체의 유속을 500sccm 이하의 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명을 적용했을 경우 WAC 공정과 비슷한 시간(60초 이내)에 완벽하게 챔버를 클리닝할 수 있었다. 첨부된 도면 도 1은 폴리실리콘 에치백 공정에 상기 일 실시예의 챔버 공정을 적용한 경우 베어(bare) 실리콘 웨이퍼의 슬롯(slot)에 따른 추가된 파티클 수를 나타낸 그래프로서, 각각의 런 웨이퍼당 60초의 플라즈마 클리닝 진행하였으며, 파티클은 0.16㎛ 이상의 크기 만을 측정하였다.
도시된 바로 부터, 본 발명의 기술을 적용할 경우 챔버 내벽의 파티클 수가 웨이퍼 진행장수 10여장 이후부터 5개 이내로 측정됨을 알 수 있고, 이로부터 플라즈마 클리닝 적용 초기 이후부터는 챔버가 완벽하게 클리닝됨을 확인할 수 있다.
첨부된 도면 도 2는 본 발명을 폴리실리콘 플러그 형성 공정에 적용한 경우의 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 본 발명에 의한 클리닝 플라즈마가 4세대 64M DRAM의 폴리실리콘 플러그 형성 전의 폴리실리콘막의 평탄화 토폴로지(Topology)에 미치는 영향을 나타내고 있다.
도시된 바로 부터, 본 발명의 기술을 적용할 경우, 바텀 바이어스 파워를 제로로 설정하였기 때문에 평탄화 토폴로지에는 전혀 영향을 미치지 않았음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
예컨대, 전술한 실시예에서는 런 웨이퍼 한 장 주기로 플라즈마 클리닝을 실시하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 그 클리닝 주기에 관계없이 적용 가능하다.
또한, 전술한 실시예에서는 폴리실리콘 에치백 공정시 식각 챔버 내벽에 증착된 다량의 Si 함유 폴리머를 제거하기 위한 플라즈마 클리닝 공정을 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 폴리실리콘이 아닌 다른 물질층을 식각하기 위한 플라즈마 식각 챔버 뿐만 아니라 플라즈마 방식의 증착 챔버의 클리닝에도 적용 가능하다.
본 발명은 런 웨이퍼가 언로드(unload) 되기 전에 플라즈마 클리닝을 실시하므로 ESC의 손상 문제를 해결할 수 있으며, 같은 이유로 클리닝용 웨이퍼에 의한 2차 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 바이어스 파워를 제로로 설정함으로써 런 웨이퍼에는 플라즈마 영향이 거의 없으며, 장비의 변경 없이 소프트웨어적으로 적용 가능한 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 챔버 내에서 해당 공정을 진행하는 제1 단계와,
    상기 해당 공정을 마친 런 웨이퍼를 언로드 하지 않은 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내벽에 증착된 폴리머를 제거하기 위한 플라즈마 클리닝을 실시하되, 바텀 바이어스 파워를 1∼800W로 설정하여 실시하는 제2 단계
    를 포함하여 이루어진 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계 수행 전,
    상기 플라즈마 챔버의 레시피 생성시 상기 제2 단계를 입력시키는 제3 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 해당 공정이,
    폴리실리콘의 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 SF6, NF3, CF계 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 불소 함유 가스를 플라즈마 소오스 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    불소 함유 가스에 Cl2, O2중 적어도 어느 하나를 1∼99% 정도 혼합한 혼합 가스를 플라즈마 소오스 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    1000∼3000W의 소오스 파워를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 단계가,
    10∼1000초 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    챔버 벽(Chamber Wall) 및 전극(Electrode)의 온도를 각각 0∼300℃ 및 50∼100℃ 범위의 설정하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 챔버 내부의 압력을 1∼1000mT 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
  10. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 플라즈마 소오스 가스의 유속을 500sccm 이하의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 챔버 클리닝 방법.
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