KR20010086652A - 반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법 - Google Patents

반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법 Download PDF

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Abstract

반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는: 기체의 주입구 및 배출구가 각각 마련되고 전기적으로 접지되는 반응챔버와; 웨이퍼를 안착시키기 위하여 상기 반응챔버내에 설치되고 상기 반응챔버와는 전기적으로 절연되는 서셉터와; 상기 서셉터에 RF 전력을 인가하기 위한 RF 발전기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 서셉터는 상기 웨이퍼의 면에 수직방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 본 발명의 클리닝방법은 상기한 본 발명의 장치의 반응챔버 내부를 클리닝하는 방법에 관한 것으로서, 상기 기체 주입구를 통하여 플라즈마 형성용 기체를 주입하는 단계와; 상기 서셉터에 RF 전력을 인가하면서, 상기 서셉터를 상기 웨이퍼 면에 대한 수직방향으로 이동시켜 플라즈마의 위치 및 밀도를 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 리모트 플라즈마 클리닝을 병용하여도 좋다. 본 발명에 따르면, 서셉터의 하부공간과 같이 플라즈마 형성이 어려운 새도우 영역(shadow area)에도 플라즈마가 형성되고, 서셉터를 상하 이송시킴으로써 RF 전력의 증감없이도 플라즈마 강도를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 플라즈마를 이용하여 반응챔버 내를 효과적으로 클리닝할 수 있다.

Description

반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법 {Apparatus for fabricating a semiconductor device and method of cleaning the same}
본 발명은 반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법에 관한 것으로서, 특히 서셉터의 하부공간과 같이 플라즈마 형성이 어려운 반응챔버의 새도우 영역(shadow area)도 효율적으로 클리닝하기에 적합한 반도체소자 제조장치 및 그 클리닝방법에 관한 것이다.
최근, CVD(Chemical Vapor Deposition) 장비를 비롯한 많은 반도체소자 제조장치의 반응챔버 내부를 클리닝하는 방법으로서, 인시튜 플라즈마 클리닝(in-situ plasma cleaning)이 많이 이용되고 있다. 이는, 반응챔버 내부에 형성된 오염입자 발생원을 제거하기 위해, 공정기체 대신에 식각용 기체를 반응챔버에 흘리고 식각용 기체에 플라즈마 전력을 인가하여 이를 활성화시킴으로써 반응챔버의 내벽을 약하게 식각하는 방법이다. 식각용 기체로는 주로 염소나 불소가 포함된 기체가 사용된다. 종래의 반도체소자 제조장치를 개략적으로 나타낸 도 1을 통해 종래기술에 따른 인시튜 플라즈마 챔버 클리닝에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 반응챔버(10)는 상부 및 하부 반응챔버(10a, 10b)가 플랜지 결합되어 이루어지며, 플랜지 부위에는 효과적인 실링(sealing)을 위해 오링(20)이 개재된다. 하부 반응챔버(10b)는 접지되며, 도시하지는 않았지만 하부 반응챔버(10b)에는 기체의 주입구 및 배출구가 각각 설치된다. 상부 반응챔버(10b)는 돔(dome)형상을 가지고 있다. 상부 반응챔버(10b)를 돔 형상으로 하는 것은 반응챔버(10) 내에 주입되는 기체가 서셉터(40) 상에 균일하게 분산되어 분포되도록 하기 위함이다.
일반적인 돔 형상의 CVD 챔버는 돔을 석영이나 세라믹 등의 절연물질로 구성하게 되는데, 이 때 플라즈마 전극(30)은 상부 반응챔버(10b)를 둘러싸도록 상부 반응챔버(10b)의 외측에 설치된다. 따라서, 플라즈마 전극(30)도 돔 형상을 가진다. 이와 같이, 플라즈마 전극(30)이 돔 형상을 가지도록 하는 것은 플라즈마 전극의 유효면적을 크게 해서 플라즈마의 밀도를 높일 수 있기 때문이다. RF 발전기(60)에 의해 발생하는 RF 전력은 매칭박스(matching box, 65)에서 반사율(reflectance)이 최소화 되도록 조절되어 플라즈마 전극(30)으로 공급된다. 웨이퍼(50)는 반응챔버(10)의 내부에 설치되는 서셉터(40) 상에 안착되며, 서셉터(40)는 플라즈마 전극(30)의 상대전극 역할을 하도록 접지된다.
기체 주입구를 통해서 반응챔버(10) 내로 플라즈마 형성용 기체를 주입한 후 플라즈마 전극(30)에 RF 전력을 인가하면 서셉터(40)와 플라즈마 전극(30) 사이에 플라즈마(70)가 형성된다.
상술한 종래의 반도체소자 제조장치에서 CVD 공정을 진행한 후, 플라즈마 전극(30)과 서셉터(40) 간에 RF 전력을 인가하여 챔버 내에 적층된 필름을 플라즈마 건식식각하는 방식으로 클리닝하면, 다음과 같은 문제점이 발생한다.
첫째, 경우에 따라서는 상부 반응챔버(10a)를 금속으로 만들기도 하는 데 이러한 경우에는 플라즈마 전극(30)에 RF 전력을 인가하더라도 상부 반응챔버(10a)에 의한 방패 현상(shield effect) 때문에 서셉터(40) 상부공간에 플라즈마(70)가 제대로 형성되지 아니한다.
둘째, 서셉터(40) 하부에는 기하학적으로 플라즈마가 발생되기 어렵다. 이와 같이 서셉터(40) 하부에 플라즈마가 발생되지 아니하면, 플라즈마를 이용하여 서셉터(40) 하부공간을 클리닝할 수 없게 된다. 따라서, 서셉터(40) 하부공간을 클리닝하기 위한 별도의 부수적 공정이 더 필요하게 된다.
셋째, 서셉터(40)의 상부공간은 비교적 크기 때문에 상부 반응챔버(10a)의 내벽을 플라즈마로 건식식각함으로써 클리닝하기 위해서는 매우 큰 RF 전력을 인가해야 하는데, 이 경우 과도 식각되는 곳이 생기기 쉽다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 서셉터의 하부공간과 같이플라즈마 형성이 어려운 새도우 영역(shadow area)에도 플라즈마를 형성시키고, RF 전력의 증감없이 플라즈마 강도를 용이하게 조절함으로써, 플라즈마를 이용하여 반응챔버 내를 효과적으로 클리닝할 수 있는 반도체소자 제조장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 반도체소자 제조장치를 설명하기 위한 개략도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장치를 설명하기 위한 개략도; 및
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 반도체소자 제조장치를 사용하여 플라즈마 클리닝 공정을 수행한 경우의 실험 데이터이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10, 110: 반응챔버 10a, 110a: 상부 반응챔버
10b, 110b: 하부 반응챔버 20, 120: 오링
30: 플라즈마 전극 40, 140: 서셉터
50, 150: 웨이퍼 60, 160: RF 발전기
65, 165: 매칭박스 70, 170a, 170b: 플라즈마
180: 리모트 플라즈마 발생기
185: 플라즈마 이송관
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자 제조장치는: 기체의 주입구 및 배출구가 각각 마련되고 전기적으로 접지되는 반응챔버와, 웨이퍼를 안착시키기 위하여 상기 반응챔버내에 설치되고 상기 반응챔버와는 전기적으로 절연되는 서셉터와, 상기 서셉터에 RF 전력을 인가하기 위한 RF 발전기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 서셉터가 상기 웨이퍼의 면에 수직방향으로 이동 가능한 것이 바람직하다.
상기 반응챔버는 금속으로 이루어지게 할 수 있으며, 이 때, 그 상부가 돔 형태를 가지는 것이 바람직하다.
한편, 플라즈마로 야기되는 손상(plasma induced damage)을 줄이기 위해, 본 발명의 장치에, 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 반응챔버의 외부에 설치되는 리모트 플라즈마 발생기와, 상기 리모트 플라즈마 발생기에서 발생된 플라즈마를 상기 반응챔버로 이송시키기 위하여 상기 리모트 플라즈마 발생기와 상기 반응챔버를 연결하는 플라즈마 이송관을 더 마련하여도 좋다.
또한, 상기 반응챔버를 가열시키기 위한 가열수단을 더 구비하여 클리닝 효과를 높일 수도 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 클리닝방법은, 상기한 반도체소자 제조장치에 적용되는 것으로서, 상기 기체 주입구를 통하여 플라즈마 형성용 기체를 주입하는 단계와; 상기 서셉터에 RF 전력을 인가하면서, 상기 서셉터를 상기 웨이퍼 면에 대한 수직방향으로 이동시켜 플라즈마의 위치 및 밀도를 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 RF 전력을 인가하는 단계가: 상기 리모트 플라즈마 발생기에서 불소성분 함유기체의 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 불소성분 함유기체의 플라즈마를 상기 플라즈마 이송관을 통해 상기 반응챔버로 이송하는 단계를 더 구비하여도 좋다.
상기 불소성분 함유기체는 SF6기체 또는 NF3기체를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 반응챔버(110)는 상부 및 하부 반응챔버(110a, 110b)가 플랜지 결합되어 이루어지며, 플랜지 부위에는 효과적인 실링(sealing)을 위해 오링(120)이 개재된다. 도시하지는 않았지만 하부 반응챔버(110b)에는 기체의 주입구 및 배출구가 각각 설치된다.
상부 및 하부 반응챔버(110a, 110b)는 모두 금속으로 이루어지며 전기적으로 접지되고, 상부 반응챔버(110b)는 돔(dome)형상을 가진다. 상부 반응챔버(110b)를 돔 형상으로 하는 것은 반응챔버(110) 내에 주입되는 기체가 서셉터(140) 상에 균일하게 분산되어 분포되도록 하기 위함이다.
웨이퍼(150)는 반응챔버(110)의 내부에 설치되는 서셉터(140) 상에 안착되며, RF 발전기(160)에 의해 발생하는 RF 전력은 매칭박스(matching box, 165)에서 반사율이 최소화 되도록 조절되어 서셉터(140)로 공급된다. 즉, 서셉터(140)가 종래의 플라즈마 전극 역할을 하게 된다. 서셉터(140)는 반응챔버(110)와 전기적으로절연되며, 상하 이송이 가능하도록 설치된다. 또한. 웨이퍼(150)를 가열시키기 위한 가열수단(미도시)이 서셉터(140) 내에 장착된다.
기체 주입구를 통해서 반응챔버(110) 내로 플라즈마 형성용 기체를 주입한 후 서셉터(140)에 RF 전력을 인가하면 서셉터(140)의 상부 및 하부 공간에 각각 플라즈마(170a, 170b)가 형성된다.
이와 같이, 서셉터(140)에 RF 전력이 인가되기 때문에, 상부 반응챔버(110a)가 금속으로 이루어질 경우 서셉터(140) 상부 공간에 플라즈마(170a)가 형성된다. 또한, 서셉터(140) 하부공간에도 플라즈마(170b)가 형성되기 때문에, 서셉터(140) 하부 공간도 플라즈마로 클리닝할 수 있게 된다.
그리고, 서셉터(140)를 상하 이송하여 상부공간 및 하부공간의 크기를 조절함으로써, 서셉터(140)에 일정한 RF 전력을 가한 상태에서도 서셉터(140) 상부 및 하부 공간의 플라즈마(170a, 170b)의 위치 및 강도를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 단지 서셉터(140)를 상하 운동시킴으로써 반응챔버(110) 내를 균일하게 클리닝할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 플라즈마로 반응챔버(110) 내를 클리닝함에 있어 이를 더욱 효과적으로 하기 위해 플라즈마 클리닝 도중에 반응챔버(110)를 가열하기 위한 가열수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
플라즈마를 반응챔버(110) 내에서 직접 발생시키고 그 플라즈마를 이용하여 반응챔버(110)를 클리닝하는 경우에는 플라즈마가 강하여 반응챔버(110)의 벽이 물리적 손상을 입을 수도 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 플라즈마를 발생시키기 위한 리모트 플라즈마 발생기(180)를 반응챔버(110) 바깥에 별도로 더 설치하고, 리모트 플라즈마 발생기에서 발생된 플라즈마를 플라즈마 이송관(185)을 통하여 반응챔버(110)로 이송시킬 수도 있다.
챔버내부를 클리닝하기 위한 식각용 기체는 반도체소자 제조장치에서 진행된 공정에 따라서 다양하게 선택할 수 있다. 예컨대, 반도체소자 제조장치가 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 진행했다면, SF6기체 또는 NF3기체와 Ar 기체의 혼합기체를 사용할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 반도체소자 제조장치를 사용하여 표 1과 같은 조건으로 박막 증착공정을 수행한 후에, 표 2와 같은 조건으로 플라즈마 클리닝 공정을 수행한 경우의 실험 데이터이다. 구체적으로, 도 3a 내지 도 3d는 표 2에 제시된 조건 중에서 웨이퍼 온도, 서셉터의 위치, RF 전력, 및 Ar 유량을 각각 변화시켜 가면서 반응챔버 내의 부위별 식각률을 각각 측정한 것이다. 여기서, 서셉터의 위치는 서셉터의 홈위치(home position)를 기준으로 하고 그로부터 이동한 거리를 나타낸 것으로서, 돔형 상부 반응챔버와 하부 반응챔버가 만나는 곳을 홈위치로 삼았다.
증착 조건 Si2H6공급유량 10 sccm
증착 압력 2.11×10-4torr
증착 시간 40 분
RF 전력 300W SF6유량 130 sccm
홈위치를 기준으로 한 서셉터 위치 50 mm Ar 유량 720 sccm
압력 25 mtorr 웨이퍼 온도 700℃
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치에 의하면, 서셉터(140)의 하부공간과 같이 플라즈마 형성이 어려운 새도우 영역(shadow area)에도 플라즈마가 형성되고, 서셉터(140)를 상하 이송시킴으로써 RF 전력의 증감없이도 플라즈마 강도를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 플라즈마를 이용하여 반응챔버 (110)내를 효과적으로 클리닝할 수 있다. 또한, 상부 반응챔버(110a)가 금속으로 이루어진 경우라도 반응챔버(110) 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

  1. 기체의 주입구 및 배출구가 각각 마련되고 전기적으로 접지되는 반응챔버와,
    웨이퍼를 안착시키기 위하여 상기 반응챔버내에 설치되고 상기 반응챔버와는 전기적으로 절연되는 서셉터와,
    상기 서셉터에 RF 전력을 인가하기 위한 RF 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터가 상기 웨이퍼의 면에 수직방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응챔버가 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반응챔버는 그 상부가 돔 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 반응챔버의 외부에 설치되는 리모트 플라즈마 발생기와, 상기 리모트 플라즈마 발생기에서 발생된 플라즈마를 상기 반응챔버로 이송시키기 위하여 상기 리모트 플라즈마 발생기와 상기반응챔버를 연결하는 플라즈마 이송관을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응챔버를 가열시키기 위한 가열수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
  7. 제2항에 기재된 반도체소자 제조장치의 상기 반응챔버 내부를 클리닝하는 방법에 있어서,
    상기 기체 주입구를 통하여 플라즈마 형성용 기체를 주입하는 단계와;
    상기 서셉터에 RF 전력을 인가하면서, 상기 서셉터를 상기 웨이퍼 면에 대한 수직방향으로 이동시켜 플라즈마의 위치 및 밀도를 조절하는 단계를 구비하는 반도체 소자 제조장치의 클리닝방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 RF 전력 인가단계가:
    상기 리모트 플라즈마 발생기에서 불소성분 함유기체의 플라즈마를 발생시키는 단계와;
    상기 불소성분 함유기체의 플라즈마를 상기 플라즈마 이송관을 통해 상기 반응챔버로 이송하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장치의 클리닝방법.
  9. 제8항에 있어서, 불소성분 함유기체가 SF6기체 또는 NF3기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장치의 클리닝방법.
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