KR20010106232A - 화학 증착 공정의 개선 방법 - Google Patents

Abstract

수소 플라즈마에 의해 화학 증착챔버로부터 불소 잔류물을 제거하고, 계속해서 상기 챔버 내부에 남아있는 어떤 특정물을 캡슐화하기 위해 챔버 내부에 고상 화합물을 증착시킴으로써, 회학 증착챔버를 조절하는데 다단계 공정이 사용된다.

Description

화학 증착 공정의 개선 방법 {METHODS FOR IMPROVING CHEMICAL VAPOR DEPOSITION PROCESSING}

본 발명은 화학 증착(CVD) 처리법에 커다란 관련이 있다. 특히, 본 발명은 1)오염물을 반응가스와 반응시키고 그 반응 생성물을 챔버로부터 세정하며, 2)계속된 화학 증착처리에 있어서 어떤 오염원들이 기판을 실질적으로 오염시키지 않게 잔류 오염물을 코팅하는 불활성 가스를 추가함으로써, 오염물을 최소화하는 것에 관한 것이다.

CVD는 기판 상에 진성 및 도프된 비정질 규소, 규소 산화물, 규소 질화물, 규소 산화질화물 등과 같은 다양한 종류의 박막을 증착하기 위해 반도체 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 현재의 반도체 CVD 공정은 일반적으로 진공 챔버 내에서 소정의 박막을 형성하기 위해 해리되고 반응하는 전구체 가스를 가열함으로써 행해진다. 저온에서 상대적으로 높은 증착 속도로 박막을 증착시키기 위해, 증착 중에 플라즈마가 챔버 내의 전구체 가스로부터 형성될 수 있다. 그러한 공정은 플라즈마 향상 화학 증착, 또는 PECVD로 공지되어 있다.

최첨단의 CVD 챔버는 알루미늄으로 제조되고 기판이 처리되기 위한 지지대와 소정의 전구체 가스를 유입하기 위한 포트를 포함한다. 플라즈마가 사용될 때, 가스 입구 및/또는 기판 지지대는 RF 전력 공급원과 같은 전력 공급원에 연결될 수도 있다. 또한 진공 펌프는 챔버 내의 압력을 제어하고 다양한 가스와 증착 중에 생성된 입자를 제거하기 위해 챔버에 연결된다.

기판 상의 반도체 장치가 보다 미세해지고 서로 근접하기 때문에, 챔버 내의 입자는 최소한으로 유지되어야 한다. 증착 공정 중에, 증착될 박막이 기판 상에 증착할 뿐만 아니라, 벽과 챔버 내에 있는 차폐물, 기판 지지물 등과 같은 다양한 고정물 상에도 증착하기 때문에 입자가 형성된다. 연속 증착 중에, 벽 등의 상에 있는 박막은 크랙을 일으키거나 벗겨질 수 있어서, 오염 입자가 기판 상에 떨어지게 한다. 이것은 기판 상의 특정 장치에 문제점과 손상을 야기한다. 개개 장치 또는 다이가 규소 웨이퍼로부터 잘려질 때, 예를 들어, 트랜지스터와 같은 손상된 장치는 버려질 수 있다.

유사하게, 큰 유리 기판이 처리되어 컴퓨터 스크린 등으로 사용되는 박막의 트랜지스터를 형성할 때, 백만 개 정도의 트랜지스터가 단일 기판 상에 형성된다. 컴퓨터 스크린 등은 입자에 의해 손상받으면 작동하지 않기 때문에, 처리 챔버 내에 오염물의 존재는 이러한 경우에 심각하다.

그러므로 CVD 챔버는 증착 간에 입자를 제거하기 위해 정기적으로 세정되어야 한다. 세정은 일반적으로 에칭 가스, 특히 3불화질소와 같은 불소 함유 가스를 챔버 내로 통과시킴으로써 행해진다. 플라즈마는 챔버 벽 상의 전증착물의 코팅과 고정물, 즉, 비정질 규소, 규소 산화물, 규소 질화물 등의 코팅, 및 챔버 내의 입자와 반응하는 불소 함유 가스로부터 시작되어, 챔버의 배기 시스템을 통해 배기될 수 있는 가스상의 불소 함유 생성물을 형성한다. 다음 질소 정화가 일반적으로 수행된다.

그러나, 이러한 세정 단계 후에 불소 잔류물은 챔버 내에 잔류하며, 보다 중요하게, 입자는 챔버로부터 완전히 제거되지 않는다. 불소 잔류물은 연속적으로 증착된 박막, 특히 규소 질화물 박막 상의 비정질 규소의 박막의 품질에 악영향을 줄 수 있으며, 장치의 한계 전압은 이로부터 이동된다. 입자의 존재는 기판 상의 장치를 손상시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명은 불소 함유 가스를 사용하는 증착 단계 사이에 CVD 챔버를 제어하고, 챔버 내에 잔류하는 소정의 불소 잔류물을 제거하며, 동시에 챔버 내에 잔류하는 입자가 기판 상에 떨어지지 않도록 보장하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 큰 영역의 유리 기판 상에 박막을 증착시키는데 유용한 PECVD 챔버의 횡단면도.

도 2는 본 발명에 따른 바람직한 공정의 단계를 설정한 흐름도.

※ 도면의 중요 부분에 대한 설명 ※

112 : 반응 하우징 113 : 진공 챔버

116 : 서셉터 128 : RF 전력 공급원

132 : 가스 분배관 193 : 구멍

불소 함유 가스를 사용한 챔버 내의 원치 않는 증착물의 세정 후에, 챔버로부터 불소 잔류물을 제거하고 연속적으로 처리된 기판 상에 떨어질 수 있는 챔버 내의 많은 입자를 감소시키는 CVD 챔버용 다단계 제어 방법을 발견했다.

전술된 세정 단계에서, 불소는 챔버 내로 통과하여 원치 않는 증착물 및 입자와 반응한다. 본 발명에 따른 제 1 제어 단계에서, 플라즈마는 챔버 내에 잔류하는 소정의 불소 잔류물과 반응하는 수소로부터 챔버 내에서 형성된다. 이들은 소모된다. 제 2 제어 단계에서, 플라즈마는 증착 가스의 혼합물로부터 형성되어, 챔버 내의 벽과 고정물 상에 고상의 화합물 층을 형성하며, 챔버의 내부 표면 상에 잔류하는 소정의 입자를 효과적으로 둘러싼다.

증착 가스 혼합물은 실란일 수 있으며 선택적으로 공동 반응 생성물이 첨가될 수 있으며, 챔버 내에 규소 산화물 또는 규소 질화물과 같은 고상의 규소 화합물을 형성한다. 선택적으로, 증착 가스의 혼합물은 테트라에톡시실란(TEOS)과 산소이며, 규소 산화 화합물을 형성한다. 일반적으로, 제어 단계에서 사용되는 증착 가스 혼합물은 기판 상에 박막을 증착시키는데 사용되는 동일한 가스를 사용한다.

큰 영역의 유리판을 처리하기에 적합한 PECVD 챔버가 로버트슨(Robertson) 등에 의한 미국 특허 제 5,366,585호에 개시되며, 본원에 참조되었다. 도 1을 참조하면, 반응 하우징(112)에 의해 둘러싸인 진공 챔버(113)는 힌지식 리드를 포함한다. 가스 분기관(132)은 공정 중에 기판이 장착되는 서셉터(116) 상에 평행하게 위치된다. 가스 분기관(132)은 처리 및 정화 가스를 공급하는 복수의 구멍(193)을갖는 면판(192)을 포함한다. RF 전력 공급원(128)은 공급 가스로부터 플라즈마를 생성한다.

하우징(112)에 인접한 세라믹 라인(120, 121 및 122) 세트는 하우징(112)의 금속 벽을 절연시켜 플라즈마 공정 중에 하우징(112)과 서셉터(116) 사이에 아킹이 발생하지 않게 한다. 이러한 세라믹 라인(120, 121 및 122)은 불소를 함유하는 에칭 세정 가스를 지탱한다. 세라믹 고리(123)는 면판(192)에 접착되어 면판(192)과 전기적으로 절연된다. 또한 이러한 세라믹 부재는 플라즈마와 반발하여 기판에 인접하게 공정 플라즈마를 형성하는 것을 돕고 하우징(112)의 벽상에 축적된 증착물의 양을 감소시키는 것을 돕는다.

층이 증착된 마지막 기판이 챔버로부터 제거된 후에, 불소 함유 가스의 표준 세정이 통상의 방법으로 챔버 내에서 처음 수행된다. 800sccm 유동의 질소 트리플루오라이드가 개방된 가스 입구 밸브에 설정되어, 챔버 내에 200밀리토르의 압력을 생성하며, 1600밀리의 서셉터 가스 분기관의 공간을 형성한다. 1600와트의 RF 전력이 플라즈마를 형성하기 위해 가스 분기관에 가해진다. 세정 플라즈마는 챔버 내에 이미 증착된 각각 2000Å의 비정질 규소 박막에 대해 약 1분의 주기로 계속된다. 세정 플라즈마는 부가적으로 챔버 내의 기판 상에 이미 증착된 각각 4000Å의 규소 질화물 박막에 대해 약 1분 동안 계속된다.

다음의 두 단계 제어 공정이 상기 CVD 챔버의 세정 단계 후에 잔류하는 불소 잔류물을 제거하고 입자를 둘러싸기 위해 챔버 내의 벽과 고정물 상에 박막의 불활성 고상 화합물 박막을 증착하는데 사용된다.

본 발명에 따른 일 실시예로서, 제 1 제어 단계에서, 수소 플라즈마가 30초 동안 1200sccm의 수소를 챔버내로 통과시킴으로써 챔버 내에 형성되며, 300와트의 전력을 사용하여 플라즈마를 형성한다. 수소 플라즈마는 챔버 내에 존재하는 불소와 반응하여, 챔버의 배기 시스템을 통해 미리 제거될 수 있는 HF를 형성한다. 챔버는 연속 증착에 사용되는 온도와 1.2 토르의 압력에서 유지된다. 기판 지지대와 가스 분기관 사이의 공간은 1462밀리이다.

두 번째 조절 단계에서는 간격, 온도 및 압력은 같으나 전력은 800와트로 증가시키고 가스를 바꾼 조건에서 질화실리콘의 박막이 증착되었다. 질화실리콘 필름은 1000sccm의 실란, 500sccm의 암모니아 및 3500sccm의 질소를 30초 더 챔버 내로 흘려줌으로써 증착되었다.

이후의 증착 처리를 위해 챔버를 조절하기 위한 전체 시간은 따라서 약 1분에 불과하다. 박막 질화실리콘은 챔버의 벽과 고정물을 코팅하며, 따라서 세정 단계 후에 챔버 내에 남아 있는 임의의 잔류 입자를 둘러싸서 제거함으로써 이들 입자가 처리될 기판 위에 떨어지는 것을 방지한다. 증착된 질화실리콘 층 역시 벽 재료의 탈가스를 감소시키며 또 임의의 잔류 불소 함유물질을 챔버로부터 제거하기도 한다.

상기 2단계 조절 공정은, 세정 안정화, 불소 함유 가스에 의한 플라즈마 세정, 그 이후의 질소 퍼징 등을 포함하는 표준 세정 공정에 도입된다. 본 조절 공정에서의 수소 플라즈마 처리 및 실리콘 화합물 증착 이후, 챔버는 질소에 의해 퍼징될 수 있다.

상기 공정은, 시스템 수율 감소를 최소로 하면서 불소 함유 잔류물을 감소시키고 또 챔버 내 입자의 수를 감소시키기 때문이다. 같은 시간이 소요되는 다른 단일 단계 조절 공정이 시도되었으나 본 공정만큼 효과적이지 않았다. 60초의 질화실리콘 증착 공정이 입자 감소에 바람직하나, 불소 잔류물의 감소에는 효과적이지 않다. 이는 또 보다 두꺼운 벽 증착물을 형성하는데, 이 증착물은 이후의 세정 단계에서 에칭되어야 한다. 불소 잔류물을 감소시키는데는 수소 플라즈마를 형성하는 한번의 50초 단계가 바람직하나, 입자는 감소시키는데는 효과적이지 않다. 실란을 수소 플라즈마 처리에 첨가시킴으로써 형성된 한번의 60초 비정질 실리콘 증착 단계는, 수소 원자를 많이 생성시키기 때문에 불소 잔류물의 제거에 효과적이다. 그러나 입자 감소는 질화실리콘의 감소보다는 효과적이지 않다. 또 이후의 세정 단계에서의 제거를 위해서는 비정질 실리콘 증착이 필요할 것이다.

같은 처리 시간이 소요되는 다른 2단계 조절 공정은 그만큼 효과적이지도 않다. 30초의 비정질 실리콘 증착에 더한 30초의 두 번째 질화실리콘 증착이, 불소 잔류물 및 입자의 제거에 효과적일 것이다. 그러나 추가된 비정질 실리콘 벽 증착물은 이후의 세정 단계에서 제거될 필요가 있을 것이다. 상기 다단계 세정 및 조절 공정은 세정 단계 사이의 반응 챔버의 종래의 안정화를 채용하였으며, 이후의 CVD 처리를 위해, 불소 세정 단계 이후 그리고 질화실리콘 증착 단계 이후 질소 정화가 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 CVD 챔버 세정 및 조절 공정의 바람직한 일련의 단계를 나타내는 흐름도이다. 플라즈마 CVD 챔버는 먼저 불소 함유 가스에 의해 세정되며,실리콘 화합물 선구체 가스의 플라즈마가 형성되고, 고상 실리콘 화합물은 챔버의 내부에 증착되며, 챔버는 재료가 증착될 기판을 챔버 내로 삽입하기 전에 최종적으로 불활성 가스로 정화된다.

비록 본 발명을 특정 실시예에 대해 설명하였지만, 당업자라면 가스, 환원 조건 등에 대한 다양한 변화가 가능하며 이러한 변화는 본 발명의 범위에 포함됨을 알 수 있을 것이다.

더욱이 특정 CVD 챔버가 설명되었지만 다양한 CVD 챔버가 구입되어 본 발명에 따라 세정 및 조절될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 한정되어야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 불소 함유 가스를 사용하는 증착 단계 사이에 CVD 챔버를 제어하고, 챔버 내에 잔류하는 소정의 불소 잔류물을 제거하며, 동시에 챔버 내에 잔류하는 입자가 기판 상에 떨어지지 않게 할 수 있다.

Claims (23)

1. 챔버 세정 이후 CVD 챔버 내의 오염을 최소로 하기 위한 방법으로서,

   a) 챔버 내에서, 챔버 내에 존재하는 분자와 반응하여 반응 생성물을 형성하는 수소 플라즈마를 형성하는 단계;

   b) 챔버로부터 상기 반응 생성물을 제거하는 단계; 및

   c) 얇은 비활성 고상 화합물 필름을 상기 CVD 챔버의 내면에 증착하여, 상기 고상 화합물 필름이 챔버 내에 남아 있는 입자를 캡슐화하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 생성물의 제거 후에 존재하는 분자가 할로겐 잔류물인 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 할로겐 잔류물이 불소 잔류물인 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 실란을 포함하는 가스를 사용하여 상기 고상 화합물 필름이 증착되는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 증착하는 동안 상기 질소 함유 가스가 실란에 첨가되는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 질소 함유 가스가 암모니아인 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 테트라에톡시실란을 포함하는 가스를 사용하여 상기 고상 화합물 필름이 증착되는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 약 300와트의 전력으로 수소를 도입함으로써 상기 수소 플라즈마가 챔버 내에 형성되는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 비활성 고상 화합물 필름이 질화실리콘인 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 질화실리콘 필름이 약 800와트로 증착되는 방법.
11. CVD 챔버 내의 오염물질을 중성화시키는 방법으로서,

    a) 챔버 표면의 오염물질과 반응하여 반응 생성물을 형성하는 할로겐 함유 가스를 CVD 챔버 내로 도입하는 단계;

    b) 상기 CVD 챔버로부터 상기 반응 생성물을 제거하는 단계;

    c) 수소를 CVD 처리 챔버 내로 도입하여 수소 플라즈마를 형성하여, 할로겐 함유 가스로부터의 잔류물과 수소 플라즈마가 반응하게 하는 단계;

    d) CVD 챔버 내면 위에 고상 화합물의 층을 증착하기 위해 증착 가스 혼합물을 챔버 내로 도입하는 단계를 포함하며,

    상기 할로겐 함유 가스 및 수소 플라즈마는 화학적 오염물질의 제거를 제공하며, 상기 고상 화합물의 증착이 CVD 챔버 내면에 남아 있는 고상 화합물을 둘러싸는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스가 불소 함유 가스인 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 불소-함유 가스는 3불화 질소인 방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 수소 플라즈마는 1200sccm의 수소를 약 30초동안 CVD챔버 내측으로 통과시킴으로써 형성되는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 수소 플라즈마는 약 1.2 Torr의 압력에서 약 300와트의 전력을 사용하여 형성되는 방법.
16. 제 12 항에 있어서, 상기 증착 가스 혼합물은 실란을 포함하며, 상기 실란은 CVD처리 챔버의 내측 표면에 고상 실리콘 화합물 층을 형성하는 방법.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 고상 실리콘 층은 실리콘 산화물인 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 증착 가스에는 질소-함유 가스가 추가되는 방법.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 고상 화합물은 실란 질화물인 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 실란 질화물은 약 100sccm 실란, 약 500sccm 암모니아, 및 약 3500sccm 질소가스를 포함하는 가스 혼합물로 형성되는 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 실리콘 질화물은 챔버를 약 30초 동안 증착가스에 노출시킴으로써 형성되는 방법.
22. 제 20 항에 있어서, 상기 실란 질화물은 약 800와트에서 증착되는 방법.
23. 제 11 항에 있어서, 상기 증착가스는 테트라에톡시실란을 포함하며, 상기 실란은 챔버의 내측 표면에 고상 실리콘 산화물 화합물 층을 형성하는 방법.