KR20010056698A - 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

Abstract

실리콘계 막질을 건식 에칭한 후 에칭 챔버 내에 잔류하는 파티클을 효과적으로 제거할 수 있는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에서는 반응 챔버로 RF 전계를 공급하면서 할로겐족 원소 함류 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내에서 웨이퍼상의 실리콘계 막질을 에칭한다. 상기 반응 챔버 내에 인가되는 RF 전계의 파워를 소정의 램핑 속도(ramping rate)로 감소시키면서 O₂가스를 포함하는 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내부를 세정한다.

Description

반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법 {Method for plasma processing in semiconductor manufacturing apparatus}

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용한건식 에칭 후 에칭 챔버 내에 잔류하는 파티클을 효과적으로 제거할 수 있는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

반도체 소자가 고기능화, 고집적화됨에 따라 패턴 사이즈가 극미세화되고, 박막이 더욱 얇아지고 있다. 따라서, VLSI 소자와 같은 고집적 회로 소자를 제조하는 데 있어서, 오염원을 철저하게 관리하는 것이 무엇보다 중요하다.

반도체 제조 장치 내에서 오염원은 반응 챔버 내부, 웨이퍼 구동부, 진공 배기계, 웨이퍼 등과 같은 구성품으로부터 비롯되는 것은 물론 공정 진행시 또는 보수 작업시 발생되는 것 등 그 원인 및 발생 경로가 다양하다.

특히, 반도체 제조 장치중 플라즈마를 이용하는 설비에서는 고주파 전력에 의하여 가스를 활성화시켜 고에너지의 이온과 라디칼로 이루어진 플라즈마를 발생시킴으로써 웨이퍼상에 박막을 형성하거나 웨이퍼상의 소정 막질을 패터닝한다.

예를 들면, Si, 폴리실리콘, 고융점 금속 실리사이드 등과 같은 실리콘계 재료로 이루어지는 웨이퍼상의 소정 막질을 할로겐족 원소 함유 가스, 예를 들면 HBr, Cl₂등의 플라즈마로 에칭하는 경우, 할로겐족 원소를 함유하는 잔류 가스, 예를 들면 SiBr₄, SiCl₄등의 반응 부산물이 생성된다. 이들 반응 부산물은 대부분 가스 상태로 배기되지만 그 중 일부는 반응 챔버 또는 웨이퍼상에 증착되거나 응집되어 오염 입자를 발생시킨다.

종래 기술에서는 상기와 같은 오염 입자를 제거하기 위하여 예를 들면 O₂가스를 이용하여 별도의 플라즈마 세정 공정을 진행하였다.

그러나, 상기 종래 기술에서는 플라즈마 처리 시간이 많이 소요되어 스루풋(throughput) 관점에서 불리하였다. 즉, 종래 기술에 따라 O₂가스를 사용하여 플라즈마 세정을 행하는 경우, 전극상에 에칭 처리된 웨이퍼를 재치한 상태로 플라즈마 세정을 행하면 웨이퍼의 가공 형상에 악영향을 미친다. 또한, 전극상에 웨이퍼를 재치하지 않은 상태에서 플라즈마 세정을 행하면 전극이 손상되는 결과를 초래하므로, 전극상에 더미 웨이퍼(dummy wafer)를 재치한 상태로 플라즈마 세정 공정을 행하였다. 따라서, 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 부산물을 제거하기 위한 세정 공정을 각 웨이퍼의 에칭 처리 후 매번 행하기 위하여는 그 때 마다 더미 웨이퍼를 재치할 필요가 있고, 웨이퍼를 교환하는 데 많은 시간이 소요되어 제품 수율을 저하시킨다.

또한, 종래 기술에 따른 O₂플라즈마 세정 방법에서는 Cl, Br 등과 같은 잔류 가스가 반응 챔버 내에 응결되어 형성되는 오염 입자들을 단시간 내에 제거할 수는 있으나, O₂플라즈마 세정 공정시 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 부산물이 산화되어 제거되는 동시에 상기 반응 챔버 내에 증착 상태로 남아 있는 반응 부산물도 산화되어 산화된 부산물막을 형성하게 된다. O₂플라즈마에 의한 산화가 증가되면 실리콘을 주성분으로 하는 부산물이 산화되어 실리콘 산화물이 형성된다. 이와 같이 산화된 부산물막이 반응 챔버 내에 증착된 상태로 후속의 플라즈마 에칭 및 세정 공정이 계속되는 경우, 반응 챔버 내에서 부산물막의 증착 및 산화가 반복적으로 이루어지고, 결국은 상기 부산물막의 과도한 산화로 인하여 반응 챔버 내의부산물막이 필름형으로 벗겨지면서 플레이킹(flaking)이 가속화되어 반응 챔버 내에서 사이즈가 수 ㎛에 수 십 ㎛까지 이르는 비교적 큰 오염 입자들을 다량 발생시켜 웨이퍼를 오염시키게 된다. 이와 같은 오염 입자들에 의하여 오염된 웨이퍼에서는 원하는 패터닝 결과를 얻기 어렵고, 배선간 브릿지(bridge)를 유발할 가능성이 크다.

본 발명의 목적은 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 부산물을 제거하기 위한 플라즈마 세정을 행하는 데 있어서, 세정 공정 자체에서 야기되는 오염 입자의 발생 가능성을 최소화하면서 반응 부산물을 효율적으로 제거할 수 있는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 적용 가능한 RF 파워의 인가 상태를 나타내는 타이밍 다이어그램이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 적용 가능한 가스 공급 상태를 나타내는 타이밍 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 적용 가능한 가스 공급 상태를 나타내는 타이밍 다이어그램이다.

도 4는 O₂플라즈마 세정의 효과를 TXRF(Total Reflection X-Ray Fluorescence)로 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5는 O₂플라즈마 세정시 세정 시간에 따른 효과를 TXRF로 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에서는 반응 챔버로 RF 전계를 공급하면서 할로겐족 원소 함류 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내에서 웨이퍼상의 실리콘계 막질을 에칭하고, 상기 반응 챔버 내에 인가되는 RF 전계의 파워를 소정의 램핑 속도(ramping rate)로 감소시키면서 O₂가스를 포함하는 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내부를 세정한다.

상기 O₂가스를 포함하는 가스는 O₂가스 만으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 O₂가스를 포함하는 가스는 O₂가스와 Ar 가스가 7:3 ∼ 3:7의 부피비로 혼합된가스로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼상의 실리콘계 막질을 플라즈마 에칭한 후 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 부산물을 플라즈마를 이용하여 세정할 때 반응 부산물을 효율적으로 제거하여 세정 공정 자체에서 야기되는 오염 입자의 발생 가능성을 최소화할 수 있고, 제품 수율을 높일 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하의 실시예들에서는 웨이퍼상의 폴리실리콘막을 에칭하기 위하여 프로세스 가스로서 HBr 및 Cl₂의 혼합 가스로부터 얻어지는 플라즈마를 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이는 단지 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 적용 가능한 RF 파워의 인가 상태 및 가스 공급 상태를 나타내는 타이밍 다이어그램들이다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리 방법을 실시하기 위한 일 예로서, 에칭 단계에서는 플라즈마 에칭 장치의 반응 챔버 내로 RF 파워를 인가하여 전계를 형성시키면서 상기 반응 챔버 내에 HBr 및 Cl₂의 혼합 가스로 이루어지는 프로세스 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 반응 챔버 내에 로딩된 웨이퍼상의 폴리실리콘막을 에칭하여 원하는 패턴을 형성한다.

도 1의 "10"으로 표시된 지점에서 에칭 단계가 종료된 후, 원하는 패턴이 형성된 상기 웨이퍼를 상기 반응 챔버로부터 언로딩시키면서 상기 반응 챔버 내에 인가되는 RF 파워를 사선(12)으로 나타낸 바와 같이 소정의 램핑 속도(ramping rate)로 감소시키는 램프 다운(ramp down) 단계를 거친다. 도 1에서는 램프 다운 단계에서 일정한 램핑 속도로 RF 파워가 감소되는 것으로 나타냈으나, 램프 다운 구간 내에서 램핑 속도를 가변시키는 것도 가능하다.

상기 에칭 단계에서 상기 반응 챔버로부터 배기되지 않고 상기 반응 챔버 내에 증착 또는 응집 상태로 남아 있는 오염 입자들을 제거하기 위하여, 상기 램프 다운을 행하는 동안 상기 반응 챔버 내로 O₂가스를 소정의 유량으로 공급하여 그로부터 얻어지는 O₂플라즈마에 의하여 상기 반응 챔버 내에 남아 있는 오염 입자들을 세정한다. 이와 같이, 반응 챔버 내의 세정을 램프 다운 단계와 동시에 행하므로, 스루풋(throughput)이 향상될 수 있다.

상기 반응 챔버 내에서 후속 공정을 행할 때 상기 오염 입자에 의하여 형성되는 부산물막의 과도한 산화를 방지하기 위하여, 상기 O₂플라즈마에 의한 세정 단계에서 O₂가스의 유량 및 처리 시간을 가능한 한 짧게 한다. 예를 들면, O₂가스의 유량은 350 sccm 이하로 제한하고, 상기 O₂플라즈마에 의한 세정 시간은 10초 이내로 제한한다.

상기 램프 다운 단계 후, 필요에 따라 "20"으로 표시된 바와 같이 소정 시간 동안 통상의 퍼지(purge) 단계 또는 펌핑 다운(pumping down) 단계를 행한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법에 적용 가능한 가스 공급 상태를 나타내는 타이밍 다이어그램이다. 도 3에 나타낸 가스 공급 타이밍 다이어그램은 도 1에 나타낸 RF 파워 인가 방식과 결합하여 실시된다.

즉, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 에칭 단계를 행한 후, 상기 에칭 단계에서 배기되지 않고 상기 반응 챔버 내에 증착 또는 응집 상태로 남아 있는 오염 입자들을 제거하기 위하여, 도 3에 나타낸 실시예에서는 도 1에 나타낸 바와 같은 램프 다운 단계를 행하는 동안, 상기 반응 챔버 내로 O₂및 Ar의 혼합 가스를 소정의 유량으로 공급하여 상기 혼합 가스로부터 얻어지는 플라즈마에 의하여 상기 반응 챔버 내에 남아 있는 오염 입자들을 세정한다.

이 때, 상기 혼합 가스로서 O₂가스 및 Ar 가스가 각각 7:3 ∼ 3:7의 부피비로 혼합된 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 방법에 포함되는 O₂플라즈마 세정의 효과를 평가한 결과이다.

도 4의 평가를 위하여, 먼저 평가용 시료로서 상면에 실리콘 산화막을 약 3000Å의 두께로 형성한 실리콘 웨이퍼를 제작한 후, 이를 플라즈마 에칭 장치의 반응 챔버 내에 로딩하고, 상기 반응 챔버 내에 300W의 RF 파워를 공급하면서 HBr 및 Cl₂의 혼합 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켜서 통상의 폴리실리콘막 에칭 공정에서와 같은 조건으로 약 60초 동안 에칭 공정을 행한 후, 20초 동안에 걸쳐서RF 파워를 100W로 균일한 속도로 램프 다운시켰다. 이 때, 상기 램프 다운 단계와 동시에 상기 반응 챔버의 세정을 위하여 상기 반응 챔버 내에 각각 O₂, Ar 및 N₂가스를 500 sccm의 유량으로 공급하고, 이들 각각의 경우에 대하여 각 공급 가스로부터 얻어지는 플라즈마에 의한 세정 효과를 평가하기 위한 수단으로서 상기 웨이퍼상의 Cl 원자수로 대표되는 잔류 오염량을 TXRF(Total Reflection X-Ray Fluorescence)를 이용하여 측정하였다.

그 결과, 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 반응성이 적은 N₂가스를 사용하여 세정 공정을 행한 경우는 O₂가스를 사용한 경우에 비하여 오염도가 약 30 배 높아 잔류 오염 가스의 제거 효과가 거의 없고, Ar 가스를 사용한 경우에도 O₂가스를 사용한 경우에 비하여 오염도가 약 5 ∼ 10 배 높았다.

도 5는 도 4에서 적용된 조건과 같은 조건 하에서 320 sccm의 유량으로 공급되는 O₂가스를 이용하여 O₂플라즈마 세정 공정을 행하는 경우, 세정 시간을 각각 0초, 10초, 20초 및 30초로 하였을 때의 세정 효과를 평가한 결과이다. 여기서는 각각의 경우에 대하여 웨이퍼상의 Br 원자수로 대표되는 잔류 오염량을 TXRF를 이용하여 측정하였다.

도 5의 결과로부터, O₂플라즈마 세정의 경우 세정 시간이 증가할수록 잔류 오염량은 감소하는 것을 확인하였다.

그러나, O₂플라즈마에 의한 세정 시간이 20초 이상인 경우에는 실리콘을 주성분으로 하는 부산물의 과도한 산화가 야기되어 갈색을 띠는 부산물층이 투명하게 변하면서 플레이킹되고, 이로부터 발생된 비교적 큰 사이즈를 가지는 필름형 오염 입자들이 웨이퍼상에 떨어지는 결과를 확인하였다.

반면, O₂플라즈마에 의한 세정을 10초 동안 행한 경우에는 부산물이 과도하게 산화되는 현상이 나타나지 않았으며, 부산물이 갈색을 띠고, 비교적 큰 사이즈를 가지는 필름형 오염 입자 수가 크게 줄어드는 것을 확인하였다.

표 1은 도 4에서 적용된 조건과 같은 조건 하에서 O₂및 Ar의 혼합 가스를 사용하여 플라즈마 세정 공정을 행한 경우에 있어서, O₂가스와 Ar 가스의 유량비에 따른 세정 효과를 TXRF로 평가한 결과를 나타낸 것이다.

O2+ Ar 혼합 가스의 유량비(O2:Ar)	잔류 오염량(Cl 원자수/㎠ㆍ1010)
10:0	548
7:3	479
5:5	434
3:7	454
0:10	839

표 1의 결과로부터, O₂가스 및 Ar 가스를 각각 7:3 ∼ 3:7의 유량비로 혼합한 혼합 가스를 사용하여 플라즈마 세정 공정을 행한 결과, O₂가스 만을 단독으로 사용한 경우보다 잔류 오염량이 더 적어지는 것을 확인하였다.

이와 같이, O₂및 Ar의 혼합 가스를 사용하여 플라즈마 세정 공정을 행하면,반응 챔버 내에서 웨이퍼의 손상 없이 부산물이 산화되는 정도를 줄일 수 있어서 부산물의 과도한 산화에 따른 문제를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 할로겐족 원소 함류 가스를 이용하여 반응 챔버 내에서 웨이퍼상의 실리콘계 막질을 에칭한 후, RF 전계의 파워를 소정의 램핑 속도로 감소시키면서 O₂가스를 포함하는 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내부를 세정한다. 따라서, 에칭 단계 후에 반드시 거치는 램프 다운 단계에서 반응 챔버 내의 세정을 동시에 행할 수 있으므로 스루풋(throughput)이 향상된다. 또한, 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 부산물이 효율적으로 제거되고, 부산물층의 플레이크 현상을 야기시키지 않고 세정 공정 자체에서 야기되는 오염 입자의 발생 가능성을 최소화할 수 있어서 제품 수율을 높일 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (3)

1. 반응 챔버로 RF 전계를 공급하면서 할로겐족 원소 함류 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내에서 웨이퍼상의 실리콘계 막질을 에칭하는 단계와,

   상기 반응 챔버 내에 인가되는 RF 전계의 파워를 소정의 램핑 속도(rampingrate)로 감소시키면서 O₂가스를 포함하는 가스로부터 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내부를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 O₂가스를 포함하는 가스는 O₂가스 만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 O₂가스를 포함하는 가스는 O₂가스와 Ar 가스가 7:3 ∼ 3:7의 부피비로 혼합된 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 플라즈마 처리 방법.