KR20020062367A - 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘 웨이퍼와 같은 기판에 대하여 소정의 공정 처리가 진행되는 플라즈마 반응 챔버의 내부 표면을 세정 및 조절하는 방법에 관해 개시한다. 이 방법은 습식 세정 또는 인-사이츄(in-situ) 플라즈마 세정과 같은 챔버를 세정하는 단계, 챔버 안으로 조절용 가스를 유입시키는 단계, 조절용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계, 내부 표면에 폴리머 코팅을 퇴적시키는 단계 및 기판을 프로세싱하는 단계를 포함한다. 상기한 조절 단계는 챔버 내에 웨이퍼와 같은 기판이 없이도 수행될 수 있으며, 상기한 프로세싱 단계는 생산 웨이퍼를 프로세싱하기 이전에 챔버에 걸쳐서 조절용 웨이퍼를 작동시키지 않고 실행될 수 있다. 알루미늄을 에칭하기 위하여 사용되는 플라즈마 챔버인 경우에는, 조절용 가스는 불소를 함유하고 있는 가스, 탄소를 함유하고 있는 가스 및 염소를 함유하고 있는 가스를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법{Method of cleaning and conditioning plasma reaction chamber}
반도체 웨이퍼에 대한 공정의 진행 중에 플라즈마 식각 및 CVD 반응기(reactors)에 대하여 주기적인 인-시츄(in-situ) 세정을 실시하는 것이 보통이다. 미국 특허 제5,129,958호에는 반도체 웨이퍼 처리 장치에 있는 CVD 증착 챔버를 세정하는 방법이 개시되어 있는데, 여기에서는 선행(prior) 단계인 불소 플라즈마 세정 단계로부터 남겨진 챔버내의 불소 잔류물(residues)이 환원 가스(reducing gas) 예컨대 실란(SiH4), 암모니아, 수소, 수소화인(PH3), 이붕소화 수소(diborine, B2H6) 및 아르신(arsine,AsH3)들 중에서 하나 또는 그 이상과 접촉한다. 플라즈마 CVD 반응기의 내부 표면을 세정하고 조절(conditioning)하는 것에 대한 다른 기술이 공중의 소유가 된 미국 특허 제 5,647,953호에 개시되어 있는데, 그것의 내용은 여기에서 참조에 의하여 함께 통합된다. 예전에는 반응로 내에서 전극을 덮기 위해 웨이퍼와 같이 이러한 세정이 행해졌지만, 웨이퍼없이 세정을 하는 것이 더 보편적인 것이 되었다.
플라즈마 반응 챔버를 세정하는 것에 관한 다른 기술들이, 공중의 소유가 된 미국 특허 제5,35,478호; 미국 특허 제4,657,616호; 제4,786,352호; 제4,816,113호; 제4,842,683호; 제4,857,139호; 제5,006,192호; 제5,129,958호; 제5,158,644호 및 제5,207,836호와 일본 특허 공개 공보(Japanese Laid-Open Patent Publication) 제57-201016호; 제61-250185호, 제62-214175호, 제63-267430호 및 제3-62520호에 개시되어 있다. 예를 들면, 실리콘 산화물(SiOx)의 퇴적물(deposits)을 제거하기 위하여, 에너지를 주입되어서 플라즈마 상태로 된 불소를 함유하고 있는 가스가 챔버의 내부 표면을 세정하기 위하여 사용되어 왔다. 반응기를 세정한 후에 남아 있는 불소 잔류물은 수소(H2), 실란(SiH4), 암모니아(NH4), 수소화인(PH3), 이붕소화 수소(B2H6) 또는 아르신(AsH3)과 같은 환원 가스가 반응기를 지나도록 통과시킴으로써 제거할 수 있다.
조절 공정이 진행되는 동안에 전극을 보호하기 위하여 웨이퍼가 챔버 내에 놓여 있는 경우에 챔버 조절 공정이 또한 통상적으로 사용된다. 퇴적용 반응기(deposition reactor)에 대하여 플라즈마 세정에 뒤이어 이러한 조절 공정은 아주 보편적으로 행해지며, 또한 식각 반응기에 대하여 습식 세정에 뒤이어 보편적으로 행해진다. 때때로 조절 공정에서 도움을 주는 역할을 하는 막이 웨이퍼 상에 증착되어 있는 경우도 있다. 예를 들면, 레지스트가 코팅된 웨이퍼가 조절 공정이 진행되는 속도를 증가시키기 위하여 통상적으로 사용되어 왔다. 이러한 조절 단계에서는 챔버 벽에 가해지는(season the chamber wall) 하부 전극의 파워가 없는 공정 조건을 사용할 수도 있다.
웨이퍼를 생산하기 위한 공정을 진행할 경우에 재생 가능한 공정 조건을 얻기 위하여 플라즈마 챔버에 가해지는 조절용 웨이퍼(conditioning wafer)를 사용함에 있어서 발생하는 하나의 문제는, 이러한 조절용 웨이퍼는 비용을 증가시키고 생산 속도를 지체시킨다는 것이다. 따라서, 비용과 생산 효율의 관점에서 더 경제적인 조절 처리 방법이 요구된다.
도 1은 본 발명에 따라서 웨이퍼 없는 자동 세정 공정의 진행중의 703nm 방출 데이터를 보여주는 도면이고;
도 2는 0.25㎛ 프로파일 테스트 웨이퍼의 식각 이전(pre-etch)의 구조를 보여주는 도면이고;
도 3은 레지스트 웨이퍼 있는 챔버 조절 공정 이후의 프로파일 웨이퍼에 대한 엔드포인트(endpoint)의 자취와 본 발명에 따라서 웨이퍼 없는 자동 세정 공정의 엔드포인트 자취를 비교해서 보여주는 도면이고;
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따라서 웨이퍼 없는 자동 세정 공정 및 웨이퍼 없는 리커버리(recovery) 단계를 거친 후의 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프(photomicrograph)이고, 도 4e는 레지스트 웨이퍼가 있는 챔버 조건에서 공정이 수행되어 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프이고;
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따라서 웨이퍼 없는 자동 세정 공정 및 웨이퍼 없는 리커버리 단계를 거친 후의 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프이고, 도 5e는 레지스트 웨이퍼가 있는 챔버 조건에서 공정을 거친 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프이며;
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따라서 웨이퍼 없는 자동 세정 공정 및 웨이퍼 없는 리커버리 단계를 거친 후의 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프이고, 도 6d 내지 도 6f는 레지스트 웨이퍼가 있는 챔버 조건에서 공정을 거친 식각된 구조물에 대한 포토마이크로그래프이다.
본 발명은 기판에 대하여 소정의 공정을 진행하는 플라즈마 반응 챔버를 세정하고 조절하는 방법을 제공하는데, 본 발명은 챔버 내부의 표면에 쌓인 퇴적물을 제거하기 위하여 플라즈마 반응 챔버를 세정하는 단계, 불소를 함유하고 있는 가스 및 탄소를 함유하고 있는 가스를 포함하는 조절용 가스를 챔버 안으로 유입시키는 단계, 조절용 가스에 에너지를 투입하여 플라즈마 상태로 만드는 단계, 챔버의 내부 표면상에 폴리머 코팅(polymer coating)을 퇴적하는 단계, 퇴적 단계 이후에 챔버에서 기판에 소정의 공정을 진행하는 단계를 포함한다. 여기에서 "폴리머" 코팅이라는 용어는 식각 또는 퇴적의 부산물(by-products)을 함유할 수도 있는 유기물질의 막(organic film)을 지칭하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 에너지를 투입하여 플라즈마 상태로 만드는 단계는 고주파(radio frequence : RF) 안테나 코일에서 공진하는 고주파 전류에 의하여 발생하는 유도장(inductive field)에 조절용 가스를 노출시킴으로써 실행되는데, 여기에서 RF 안테나 코일은 챔버의 외부 즉, 챔버의 밀봉체(enclosure)의 일부를 이루는 유전체 차폐물(dielectric shield)에 아주 가까운 위치에 배치된다. 게다가, 세정 단계는 챔버를 열어서 습식 세정을 실시함으로써 실행할 수 있으며 또는 세정 단계는 세정용 가스를 챔버 안으로 유입하고, 세정용 가스에 에너지를 투입하여 플라즈마 상태가 되게 하며, 그리고 퇴적물을 제거하기 위하여 내부의 표면을 플라즈마와 접촉시킴으로써 실행할 수도 있다. 바람직한 방법에서는, 조절 단계는 챔버 내에는 기판이 없는 경우에 실행될 수 있는데 그리고/또는 여기에서 이 기판은 생산 웨이퍼(production wafer)를 포함하며 그리고 상기한 기판에 대하여 소정의 공정을 진행하는 단계는 생산 웨이퍼에 소정의 공정을 진행하기 전에 챔버 내에서 조절용 웨이퍼에 소정의 공정을 진행함이 없이 실행한다. 또한, 상기한 기판에 대하여 소정의 공정을 진행하는 동안에 기판을 지지하는 기판 서포트의 RF 바이어스 전극(biasing electrode)에 파워를 가하지 않고 조절 단계를 실행할 수도 있다.
알루미늄 식각 반응기를 세정하는 경우에는, 조절용 가스는 염소를 함유하고 있는 가스를 더 포함할 수 있기 때문에 증착 단계에서 증착되는 폴리머는 그 안에 염소를 포함할 수 있으며 그리고 기판에 대하여 소정의 공정을 진행하는 단계는 생산 웨이퍼 상에 있는 알루미늄막을 식각하는 공정을 포함할 수 있다. 이 경우에는, 조절용 가스는 염소(Cl2), 염화 붕소(BCl3), 염화 탄소(CCl4), 염화 실리콘(SiCl4) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 조절용 가스로서 CHF3, BCl3및/또는 염소를 사용하여 하나 또는 그 이상의 단계에서 조절 단계를 실행할 수 있다. 조절 단계가 진행되는 동안에 챔버의 압력은 5 내지 80 밀리토르(mTorr) 범위 내일 수 있으며 그리고/또는 플라즈마를 발생시키는 안테나에는 조절 단계가 진행되는 동안에 200 내지 1000 와트(W)의 에너지가 공급될 수 있다.
본 발명은 기판에 대하여 소정의 공정이 진행되는 플라즈마 반응 챔버를 세정하고 조절하는 경제적인 방법을 제공한다. 상기한 방법은 챔버 내부의 표면에 쌓인 퇴적물을 제거하기 위하여 플라즈마 반응 챔버를 세정하는 단계, 불소를 함유하고 있는 가스 및 탄소를 함유하고 있는 가스를 포함하는 조절용 가스를 챔버 안으로 유입시키는 단계, 조절용 가스에 에너지를 투입하여 플라즈마 상태로 만드는 단계, 챔버의 내부 표면상에 플라즈마에 의하여 형성된 폴리머 코팅을 증착하는 단계, 이 증착 단계 이후에 챔버에서 기판에 소정의 공정을 진행하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서는, 본 발명은 알루미늄막의 적층체(stack)를 플라즈마 식각하기 위하여 사용되는 챔버를 조절하기 위한 웨이퍼 없는 플라즈마 세정 리커버리 공정(waferless plasma clean recovery process)을 제공한다. 알루미늄을 플라즈마 식각하는 공정은 반응기 전체에 퇴적되는 부산물(by-product)을 발생시킨다. 결국에는 이 부산물은 더 이상 반응기의 벽에 부착되지 않는 두께에 다다르게 되어서 식각되고 있는 기판을 오염시키는 입자들을 떨어뜨리게 된다. 이러한 현상이 발생하는 경우에는, 반응기를 개방시켜서 습식 세정 공정으로 세정해야만 한다.
세정을 하기 위하여 반응기를 준비하는 공정 즉 실질적인 세정 공정과 챔버를 개방시켜서 세정하고 난 후에 챔버를 조절하기 위하여 요구되는 단계들은, 상당한 양의 시간을 요구할 수도 있다. 웨이퍼를 제조할 때 생산성을 최대화시키기 위해서는, 챔버를 세정하기 위하여 챔버를 개방하는 사이의 시간을 증가시키는 것이 바람직하다. 이것을 하기 위한 한가지 방법은 플라즈마 세정을 실시하는 것이었는데, 이 경우에는 챔버에 증착되는 식각 부산물을 감소시킬 수 있기 때문에 챔버를 세정하기 위하여 챔버를 개방시키는 사이의 시간을 증가시킬 수 있다. 그러나, 플라즈마 세정은 반응기의 퇴적물을 제거함으로써 챔버의 상태(condition)를 변화시키기 때문에, 플라즈마 세정 후에는 전형적인 공정 변이(process shift)가 존재한다. 그 결과, 알루미늄의 식각율, 식각 프로파일 및 최소 배선폭(feature CDs, 임계 치수)이 바뀌게 됨으로써 제조되고 있는 소자(device)에 대하여 허용 가능한 범위를 벗어날 수 있다. 플라즈마 세정이 사용되는 경우에는, 생산 웨이퍼를 식각하기에 앞서서 챔버 벽의 상태를 다시 조절하기 위하여 웨이퍼가 챔버를 통하여 순환된다.
조절하기 위하여 챔버 내에 웨이퍼가 필요한 공정의 경우에는, 특별한 유형의 웨이퍼가 필요할 수도 있다. 이것은 제조 환경에서 알루미늄을 식각하기 위하여 플라즈마 세정 공정을 적용할 가능성을 제한하는데, 왜냐하면 특별한 유형의 웨이퍼를 챔버 내에 들여오고 그리고 플라즈마 세정 후에 조절 공정을 진행해야만 하는 것이 제조 공정의 흐름(flow)에 파괴적인 영향을 미칠 것이기 때문이다. 그 결과, 제조 중에는, 플라즈마 세정은 사용되지 않을 것이며 그리고 반응기는 장시간의 습식 세정을 진행하기 위하여 보다 자주 개방될 필요가 있을 것이다. 그리하여, 습식 세정 시간을 늘리기 위하여 플라즈마 세정을 사용하는 잇점을 가진 반응기의 유효성은 특별한 유형의 웨이퍼를 사용하여 챔버를 재조절해야 하는 부담으로 인하여 부정된다.
본 발명은 플라즈마 세정 후에 뒤따르는 챔버의 상태를 재조절하는데 있어서 챔버 내에서 웨이퍼 없이 실행할 수 있는 공정을 제공한다. 알루미늄의 식각으로부터 발생하는 부산물의 퇴적물은 많은 양의 유기 물질을 함유하고 있는 것으로 나타나고 있다. 퇴적물은 식각 공정 전체에 걸쳐서 존재하며 그리고 반응종들에 대한 재조합 및 흡착 장소뿐만이 아니라, 측벽의 패시베이션(passivation)을 위한 소스를 제공함으로써 그 공정에 참가한다. 그 퇴적물은 산소(O2)를 함유하고 있는 플라즈마를 이용하여 세정할 수 있다. 그러나, 이것은 챔버 내에 산소 잔류물을 남기게 된다. 게다가, 알루미늄 식각 가스에 산소를 첨가하는 것은 알루미늄 식각률을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 식각 프로파일의 결과에 영향을 미칠 수 있다.
플라즈마 세정을 한 후에 챔버를 재조절하기 위해서는, 산소 잔류물을 제거하거나 구속하여 식각 공정에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 부산물의 퇴적물이 공정에 참가하는 것과 같은 방법으로 공정에 참가하는 유기물질의 퇴적물을 제공하는 것이 바람직하다. 웨이퍼 없는 조절 공정에서는, 공정의 진행 중에 커버되거나 보호되지 않는 웨이퍼 척크(wafer chuck)를 공격하는 일이 없이 이것을 행해야만 한다.
표 1
웨이퍼 없는 리커버리 공정에 대한 공정 조건
압력 TCPTM파워 바이어스 파워 BCL3 CHF3
전형적인 조건 50 mt 700 와트 0 와트 15 sccm 37 sccm
범위 10 - 99 400 - 1200 0 - 5 10 - 30 10 - 60
이것을 하기 위한 바람직한 방법은 BCl3, CHF3를 사용하여 플라즈마 공정을 수행하는 것이다. LAM 리서치사(Research Corporation)의 제품인 TCP 9600TM식각기와 같은 유도 결합(inductively coupled) 플라즈마 식각기에서는, 상부 전극( TCPTM파워) 소스에 높은 RF 파워를 인가하며 그러나 하부 전극에는 파워를 인가하지 않음으로써 웨이퍼에 대한 공정의 진행 중에 RF 기판 바이어스(bias)를 제공하여 그 공정을 수행한다. 이로 인하여 낮은 플라즈마 포텐셜(low plasma potential)이 발생하며 그리고 웨이퍼 척크에 대한 공격을 방지한다. BCl3는 잔류하고 있는 O2를 챔버로부터 제거할 수 있는 반면에 CHF3는 챔버의 벽에 퇴적이 되는 유기 물질의 소스이다. BCl3는 또한 식각에 의하여 생기는 부산물의 퇴적물에 존재하는 Cl의 소스이다. TCP 9600TM식각 반응기에 대한 전형적인 공정 조건 및 범위가 표 1에 게시되어 있다.
알루미늄 식각 스택(stack) 및 공정의 요구조건에 따라서, 웨이퍼 없는 리커버리 공정의 두 번째 단계가 필요할 수도 있다. 알루미늄 식각 공정이 CHF3를 함유하고 있지 않은 단계에서 끝이 나는 경우에는, CHF3를 제거하기 위한 리커버리 공정의 최종 단계는 공정 리커버리를 개선시킬 것이다. 2단계로 구성된 웨이퍼 없는 리커버리 공정에 대한 하나의 예가 표 2에 게시되어 있다.
표 2
2 단계 웨이퍼 없는 리커버리 공정
압력 TCPTM파워 바이어스 파워 BCl3 Cl2 CHF3
제1단계 50 mt 700 와트 0 와트 15 sccm 37 sccm
제2단계 15 mt 450 와트 0 와트 30 sccm 30 sccm
BCl3는 산소를 청소하는 능력 때문에 선택이 되었지만, 반면에 CCl4및 SiCl4와 같은 다른 가스들도 적절한 대체물이 될 수 있을 것이다. Cl2를 첨가함으로써 염소의 농도를 증가시킬 수 있을 것이다. 마찬가지로, 많은 염화 탄소(chlorocarbon), 불화 탄소(fluorocarbon) 및 CFC 가스들이 폴리머의 소스로서 CHF3를 용이하게 대체할 수 있을 것이다. 효과적인 공정을 유지하고 있는 동안에 He 또는 Ar과 같은 희석용 가스(diluent gas)를 첨가할 수 있을 것이다.
웨이퍼 없는 리커버리 공정은, 작동 매개물(operator intervention)에 대한 필요성을 제거함으로써 특별한 웨이퍼 유형 없이 수행할 수 있다. 리커버리 공정을 위하여 웨이퍼를 필요로 하지 않는 다는 점의 또 다른 이점은, 세정 또는 조절 단계를 위하여 챔버 내로 웨이퍼를 적재(load)하는데 사용되는 오버헤드 시간(overhead time)이 없기 때문에 제조기간의 손실을 최소화한다는 것이다. 이로 인하여 직접적으로 생기는 결과는 식각할 가치가 있는 제품(etching valuable product)에 대하여 반응기를 이용할 가능성이 더 증가한다는 것이다.
반응기를 습식 세정하는 단계에 뒤이어 웨이퍼 없는 리커버리 공정을 사용하게 되면 습식 세정의 리커버리 시간도 역시 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 예를 들면, 50개의 레지스트 웨이퍼가 습식 세정된 챔버를 거치게 하는데 약 90분 정도의 시간이 걸리는 조절 공정과 비교했을 때, 본 발명에 따르면 조절 공정을 약 5분 또는 그 이하의 시간으로도 완료할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 조절 공정은 챔버 세정에 이어지는 리커버리 시간을 50% 이상, 심지어는 80% 또는 그 이상 단축시킬 수 있다. 게다가, 조절용 웨이퍼를 사용하지 않거나 또는 그것의 사용을 최소화하고서 더 짧은 시간에 챔버를 조절할 수 있다. 생산을 위하여 반응기를 사용할 가능성이 증가하고, 그리고 비생산(non-production) 웨이퍼에 대한 요구 조건들을 감소시키는 것은 모두가 고객의 수익을 증가시키는데 도움이 된다.
테스트 데이터 및 결과. TCP TM 9600SE TM 시스템시스템 베이스라인
이 연구는 9600 SETM시스템의 베이스라인(baseline)을 가지고 시작하였다. 챔버는 습식으로 세정하였고, 그리고 블랭킷 포토레지스트(PR) 웨이퍼를 챔버를 조절하기 위하여 사용하였다. 웨이퍼 없는 리커버리 공정 진행 작업(development work)에 대한 식각율 타겟을 설정하기 위하여 조절된(conditioned) 챔버에 대하여 알루미늄 식각율 웨이퍼(Aluminum etch rate wafers)를 사용하였다. 장시간의 O2웨이퍼 없는 자동 세정(waferless autoclean : WAC)의 실행으로 인한 공정 식각율 변이(shift)를 설정하였다. 베이스라인 테스트로부터의 식각율 결과가 표 3에 게시되어 있다.
표 3
8분 산소 WAC 공정 전, 후의 알루미늄 식각률 베이스 라인 데이터
웨이퍼의 ID 평균 단차 높이(Average Step Height) 세정에 기인한 변화% (% Change Due to Clean) 압력 제어 밸브각(Pressure Control Valve Angle, 개방%)
사전 세정(Pre clean) #1 4602 36.8
사전 세정 #2 4659 36.1
WAC 공정 후(Post WAC) 5254 13.5% 35.5
챔버/공정 리커버리 고려
WAC 공정에 뒤따르는 식각율의 증가를 설명하기 위하여 여러 가지 메커니즘이 제안되어 왔다. 식각율의 리커버리를 설명하기 위한 하나의 제안은 압력을 조절하기 위하여 압력 조절 밸브의 위치를 사용하기 보다는 Cl2흐름 제어를 사용하는 것이었는데, 왜냐하면 알루미늄의 식각율은 Cl2의 흐름과 비례하기(scale with) 때문이다. Cl2가 세정되고 조절된 챔버의 벽과 상호작용을 하는 것은 (흡수율, 재조합 등에서) 다를 것이며,그리고 압력 조절 밸브의 위치는 고정되어 있기 때문에 이것이 순수한 Cl2의 농도(concentration)에 영향을 미친다면 챔버의 압력에 반영되는 것도 가능하다.
일부 알루미늄 식각 공정에 약간의 O2를 첨가하게 되면 알루미늄의 식각율을 증가시키는 것으로 또한 보고되어 왔다. 챔버 내에 잔존하고 있는 O2는 WAC공정 이후에 식각율을 증가시키는 요인 중의 하나가 될 수 있다고 제안되었다. 잔존하고 있는 O2를 제거하는 조절 공정은 이러한 논점(issue)을 설명하는데 도움이 될 수 있다.
레지스트 웨이퍼를 순환시키는 것(cycling)은 챔버를 조절하기 위한 아주 효과적인 방법이며 그리고 습식 세정 이후에 추천되는 리커버리 절차이다. 이것은 챔버를 조절하는데 있어서 중요한 인자로서 식각 부산물에 있는 탄소의 역할을 보여준다(point to the role of carbon). 또한, 챔버를 세정하는데 있어서 O2WAC 공정이 보여준 효용성(effectiveness)은 챔버의 벽이 유기물질의 퇴적물로 조절된다는 것을 보여준다. 챔버를 조절하는데 있어서 유기물 퇴적 화학(organic depositing chemistry)을 사용하면 이러한 논점을 설명하는데 도움이 될 수 있다.
제안된 메커니즘들을 고려하였으며 그리고 중요한 효과를 판단하기 위하여 일련의 실험을 행하였다.
Cl2흐름 제어가 차지하는 역할을 판단하기 위해서는, 압력 제어 밸브 위치가 고정된 경우에 웨이퍼 없는 세정의 전과 후에 압력에 있어서 측정할 수 있는 차이가 존재해야만 한다. 이것 대신으로, 만일 Cl2흐름 제어가 효과적이라면, WAC 공정을 거친 후에 정해진 압력을 유지하기 위하여 압력 제어 밸브가 더 넓게 개방되는 것을 보기를 기대하였다. WAC 공정 이전(2개의 웨이퍼)과 이후에 압력 제어 밸브의 위치를 측정하였다. 위치에 있어서의 변화는 작았으며 그리고, 그것이 중요한 것일지라도, 식각율 리커버리에 대하여 효과적인 Cl2흐름 제어에 대하여 반대 방향으로 변화가 있다는 것이다.
이러한 사실에 기초하여, 챔버의 리커버리를 연구하기 위한 방법은 웨이퍼 없는 리커버리 단계(waferless recovery step : WRS)의 실행 가능성 여부에 관심이집중되었다. 제안된 메커니즘을 염두에 두고서, 3가지 화학 과정이 연구되었는데, 즉 Cl2/ BCl3(O2의 청소), Cl2/ CHF3(유기물의 퇴적), BCl3/ CHF3(청소와 퇴적의 조합)이 그것이다.
가능한 WRS공정을 테스트하기 위하여, 시스템은 각 웨이퍼 사이에 WAC 공정(12초) 및 WRS 공정을 수행하는 베이스라인 알루미늄 식각 공정을 사용하여 블랭킷 레지스트 웨이퍼를 순환시키도록 설치하였다. 테스트된 3개의 WRS 단계가 표 4에 게시되어 있다. 각 테스트에 대하여, 알루미늄 식각율 테스트를 수행하기 이전에 30-40 블랭킷 레지스트 웨이퍼를 순환하였다. 표 5는 식각율의 결과를 보여준다. 조절된 챔버에 대하여, 알루미늄의 식각 깊이는 약 4630Å 이다. BCl3/ CHF3공정은 WRS 공정을 사용하여 WAC 공정에 뒤이어서 소망하는 알루미늄의 식각율을 회복하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 식각율이 공정의 변이(shift)를 보여주는 주요한 인자라고 가정한다면, 소망하는 공정의 안정성을 회복하기 위하여 WAC 공정에 뒤이어서 WRS 공정을 사용하는 것의 실현가능성은 아주 좋아 보인다.
표 4
테스트된 WRS 식각 조건
파라미터 Cl2/BCl3 Cl2/CHF3 BCl3/CHF3
압력 20 mt 20 mt 50 mt
TCPTM 700 W 700 W 700 W
Cl2 162 sccm 30 sccm
BCl3 54 sccm 15 sccm
CHF3 37 sccm 37 sccm
단계 소요 시간(Step Time) 8 초 15 초 20 초
표 5
WRS 공정 테스트에 대한 식각 깊이의 결과
WRS 공정 알루미늄 식각 깊이 조절된 챔버와의 차이(Change from Condition Chanber)
Cl2/BCl3 5445 Å 17.6 %
Cl2/CHF3 5300 Å 14.5 %
BCl3/CHF3 4671 Å 0.9 %
웨이퍼 없는 세정 진동수
WAC 공정을 실행하는데 있어서 중요한 부분은 깨끗한 챔버를 유지하기 위한 효율을 최대화시키면서 처리량 충돌(throughput impact)을 최소화시키는 WAC 공정 진동수를 선택하는 일일 것이다. 703 nm 에서의 광학적인 방출이 적절한 WAC 공정의 엔드포인트(endpoint)를 지시하는 것으로 판명되었다. 챔버가 적절하게 세정되어졌을 경우에 신호는 WAC 공정 전체에 걸쳐서 저하되고 그리고 평평하게 된다.
WAC 공정 사이에 요구되는 WAC 공정 시간과 웨이퍼의 숫자 ("N") 사이의 비율이 얼마가 되는지를 결정하기 위하여 일련의 테스트를 수행하였다. 베이스라인 조건에 도달하기 위하여 챔버는 강화된(extended) O2플라즈마로 세정하였다. 이것에 뒤이어서 WAC 공정을 수행하는 사이에 웨이퍼의 숫자를 변화시키고 그리고 챔버를 세정하기 위하여 요구되는 시간을 결정하기 위하여 WAC 공정 단계 중에 703 nm의 방출을 모니터링하는 테스트를 수행하였다. 도 1은 이 테스트로부터 얻어진 엔드포인트의 자취(endpoint trace)를 도시하고 있다. RF에 가까워지는 경우에 엔드포인트 신호는 급격하게 증가한다. "N"이 증가함에 따라서, 엔드포인트의 신호가 베이스라인까지 저하되는데 걸리는 시간이 증가하는데, 이것은 세정 시간이 "N"의 함수라는 것을 보여준다.
표 6
WAC 엔드 포인트 및 단위 세정 시간(초) 대 WAC 진동수
WAC 공정 시간 10 웨이퍼 5 웨이퍼 3 웨이퍼 1 웨이퍼 1 웨이퍼
전 WAC 공정 265 71 56 37 38
방출 l = 100 143 45 40 23 24
단위 세정 시간
전 WAC 공정 26.5 14.2 18.66667 37 38
방출 l = 100 14.3 11.4 13.33333 23 24
표 6은 웨이퍼에 대한 세정 시간 뿐만이 아니라 WAC 공정 대 "N"에 대한 엔드포인트 시간을 보여주고 있다. 베이스라인 위로 100회(count)까지 저하되는 것뿐만이 아니라 엔드포인트 신호가 베이스라인까지 저하되는 시간이 개시되어 있다. 이러한 공정 조건에 대하여 "N"이 1-5로부터 증가함에 따라서 단위 세정 시간은 감소하나, 그러나 "N" = 10인 경우에는 단위 세정 시간은 증가한다. 이러한 사실로부터 최적의 세정 진동수는 5-20 웨이퍼 사이의 어딘가에 있을 것이라는 것을 알 수 있다.
WRS 공정 식각율 리커버리(WRS Etch Rate Recovery)
표 7에 개시되어 있는 알루미늄 식각, WAC, WRS 단계에 대한 공정 조건을 사용하여 BCl3/CHF3WRS 공정을 9600PTXTM시스템 상에서 테스트하였다. 알루미늄 식각 공정 조건을 가지고 57 블랭킷 레지스트 웨이퍼를 순환시킴으로써 시스템을 초기화하여 조절하였다. 조절된 챔버에 대한 알루미늄 식각율을 측정하였다. 이 단계 다음으로 WAC 공정 조건을 사용하여 7분간의 세정 시간으로 챔버를 과세정(over clean) 하였다. 세정 시간이 충분한 것을 입증하기 위하여 703nm 엔드포인트 신호를 사용하였다. 다음으로, 추가적인 29 블랭킷 레지스트 웨이퍼를 알루미늄 식각 공정을 사용하는 시스템을 통하여 순환하였지만, WAC 공정 및 WRS 공정 단계를 각 웨이퍼 사이에 사용하였다. 그 다음 WAC 공정 및 WRS 공정 단계에 뒤이어서 알루미늄 식각율을 다시 체크하였다. WAC 공정 및 WRS 공정에 뒤따르는 식각율은 잘 조절된(seasoned) 챔버에서의 식각율과 크게 다르지 않았다(1.6% 낮음).
표 7
알루미늄 식각, WAC, alc WRS 공정 조건
공정 압력 TCPTM(W) 바이어스(W) 유량(sccm) He 냉각 시간(초)
사이클 12 mt 350 78 74 Cl2 30 BCl3 5 CHF3 10 T 65
알루미늄 식각 깊이 12 mt 350 78 74 Cl2 30 BCl3 5 CHF3 10 T 35
WAC 32 mt 700 0 500 O2 12
WRS 50 mt 700 0 15 BCl3 37 CHF3
식각 프로파일 테스트(Profile Etch Test)
식각 프로파일에 대하여 WAC 공정 및 WRS 공정이 미치는 영향을 알아보기 위하여 식각 테스트를 실시하였다. 도 2는 식각 이전의 테스트 웨이퍼 구조물의 프로파일을 도시하고 있다.
식각 프로파일에 대하여 단계에 소요되는 시간 및 리커버리 단계에서의 BCl3: Cl2비의 중요성을 평가하기 위하여 작은 매트릭스(small matrix)가 운영되었다. 표 9에는 1/2 팩토리얼 매트릭스(factorial matrix)에서 4 공정을 실행(run)하는 것이 개시되어 있다. 도 3에는 2 단계 리커버리 공정을 수행한 후의 식각된 웨이퍼에 대한 엔드포인트의 자취가 도시되어 있다. 엔드포인트의 자취는 레지스트로 조절된 챔버에서 나타나는 식각된 웨이퍼에 대한 자취와 거의 일치한다. 게다가, BARC, Ti 및 TiN 막에 대한 식각율은 레지스트로 조절된 챔버에서 나타나는 이들 막에 대한 식각율과 일치한다. 2 단계 리커버리에 뒤이어 식각된 모든 웨이퍼는 유사한 자취를 가지고 있었다.
표 9
베이스 라인 공정:제1단계: 50 mt/700W TCPTM/37 sccm CHF3/15 sccm BCl3/ "X" 초제2단계: 15 mt/450W TCPTM/"Y" sccm BCl3/(60 -"Y") sccm Cl2/ "Z" 초
매트릭스 웨이퍼 16 웨이퍼 17 웨이퍼 18 웨이퍼 19
제1단계 시간("X") 30 초 20 초 20 초 30 초
제2단계 시간("Z") 15 초 7 초 15 초 7 초
BCl3/ Cl2흐름("Y") /(60-"Y") 15 sccm BCl345 sccm Cl2 15 sccm BCl345 sccm Cl2 30 sccm BCl330 sccm Cl2 20 sccm BCl330 sccm Cl2
도 4a 내지 도 4e 및 도 5a 내지 도 5e는 레지스트로 조절된 챔버에서 식각된 결과와 WAC 공정 및 WRS 공정 매트릭스의 일부로서 식각된 웨이퍼의 식각 프로파일을 비교하여 보여주고 있는 도면들이다. 웨이퍼들 사이에서 식각 프로파일의 차이는 대부분의 경우에 미미한데, 2 단계 리커버리 공정이 합리적인 공정 윈도우(window)를 가지고 있음을 보여주고 있다. 상기한 매트릭스로부터 알 수 있는 두드러진 경향은 다음과 같다;
- 염소를 베이스(base)로 한 제2 리커버리 단계는 식각 프로파일 리커버리를 향상시킨다.
- 제2 리커버리 단계에서 Cl2를 사용하는 퍼센트를 높이면 참조웨이퍼와 비교했을 때 형상의 상부(feature top)에서 CD 성장을 감소시키는 결과를 초래하는 것으로 나타난다. 제1 리커버리 단계 시간이 짧은 경우에 효과는 더 강하다(웨이퍼 17을 참조하라).
- 제1 리커버리 단계에 걸리는 시간을 더 길게하면 측벽의 매끈함(smoothness)에 대한 공정 래티튜드(process latitude)를 향상시킨다.
- 제2 단계에 걸리는 시간을 더 짧게 해서 웨이퍼를 식각하면 참조 웨이퍼에 남아있는 옥사이드와 더 가깝게 일치하였다.
도 6a 내지 도 6f는 조절된 챔버에서의 결과와 웨이퍼 19의 결과를 비교해서 보여주는 추가적인 SEM 사진들이다. 이들 SEM 사진에서는 고립된 형상(isolated feature)의 프로파일이 또한 재생산되며, 그리고 레지스트 프로파일과 측벽 퇴적물이 2단계 리커버리 공정과 서로 일치하고 있는 것 또한 유의하라.
염소를 이용한 화학 공정을 짧게 수행한 후에, 챔버 안에 다소의(some) 유기물질의 막을 생성시킬 정도로 충분하게 오랫동안 제1 리커버리 단계를 수행하는 것은 WAC 공정 후에 공정을 리커버리 시키는데 충분한 것으로 보인다. 측벽이 식각되는 것으로부터 보호하기 위하여 무거운 유기물질의 퇴적물과 높은 투입(bombardment) 에너지에 의존하는 공정에 대해서는 염소을 이용한 화학 공정 단계는 필요하지 않을 수도 있다.
WAC 공정 이후에 알루미늄을 식각하기 위하여 공정을 리커버리하는 것은 챔버 안에 퇴적되는 유기물과 챔버 벽이 불소화되는 것 사이에 적절한 균형이 이루어질 것이 요구된다. 식각 프로파일이 화합물간의 균형에 더욱 민감한 경우에 CHF3가 첨가된 식각 공정에 대한 공정 리커버리가 증명(demonstrate)되어 졌다. WAC 공정에 뒤이어 수행되는 2단계 리커버리 공정은 챔버 내에 유기물과 불소화된 합성물(composition)이 균형을 맞추어 "조절된" 상태가 될 수 있다는 것을 WRS 공정 매트릭스는 보여준다.
본 발명은 기판에 대하여 소정의 공정 예를 들면 플라즈마를 이용한 식각 또는 증착 장치의 반응 챔버 내부를 세정하고 조절하는 보다 경제적인 방법을 제공한다.
본 발명의 특정한 실시예들을 참조하면서 본 발명을 상세하게 기술하였지만, 첨부되어 있는 특허 청구 범위의 기술적 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 변화 및 수정이 가해질 수 있으며, 균등물이 사용될 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확할 것이다.

Claims (20)

  1. 기판에 대하여 소정의 공정이 수행되는 플라즈마 반응 챔버를 세정하고 조절하는 방법에 있어서,
    상기 챔버 내부의 표면상에 쌓인 퇴적물(deposit)을 제거하기 위하여 상기 플라즈마 반응 챔버를 세정하는 단계;
    불소를 함유하고 있는 가스 및 탄소를 함유하고 있는 가스를 포함하는 조절용 가스(condition gas)를 상기 챔버 안으로 유입시키는 단계;
    상기 조절용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계;
    상기 플라즈마에 의하여 형성된 폴리머 코팅(polymer coating)을 상기 챔버의 내부 표면상에 퇴적시키는 단계; 및
    상기 퇴적 단계 이후에 상기 챔버 내에서 기판을 프로세싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 상태로 만드는 단계는 고주파(RF) 안테나 코일에서 고주파 전류를 공명시킴으로써 발생하는 유도장(inductive field)에 상기 조절용 가스를 노출시킴으로써 수행하며, 상기 챔버의 밀봉체(enclosure)의 일부를 구성하는 유전체 차폐물(dielectric shield)에 근접해있는, 상기 챔버의 외부에 상기 고주파 안테나 코일이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조절용 가스는 염소를 함유하고 있는 가스를 더 포함하며 그리고 상기 퇴적 단계에서 퇴적되는 상기 폴리머는 그 속에 염소를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 세정 단계는 상기 챔버를 개방시키고 습식 세정을 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세정 단계는 세정용 가스(cleaning gas)를 상기 챔버 내로 유입시키고, 상기 세정용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만들고, 그리고 상기 퇴적물을 제거하기 위하여 상기 플라즈마로 상기 내부 표면을 접촉시킴으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 상기 챔버가 그 속에 기판을 포함하고 있지 않는 동안에 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 생산 웨이퍼(production wafer)를 포함하고 그리고 상기 생산 웨이퍼를 프로세싱하기 이전에 상기 챔버 내에서 조절용 웨이퍼를 프로세싱하지 않고 상기 프로세싱 단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 프로세싱 단계는 상기 생산 웨이퍼 상에 있는 알루미늄막 적층체(aluminum film stack)를 식각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프로세싱 단계에서 상기 기판이 서포트되는 기판 서포트의 고주파 바이어스 전극에 파워를 인가함이 없이 상기 조절 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조절용 가스는 Cl2, BCl3, CCl4, SiCl4또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 조절용 가스는 CHF3및 BCl3및/또는 Cl2를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계가 진행되는 동안의 상기 챔버의 압력은 약 5 내지 80 밀리토르(mTorr) 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  13. 제2항에 있어서, 상기 조절 단계가 진행되는 동안에 상기 고주파 안테나에 200 내지 1000 와트(Watt)의 파워가 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  14. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 세정용 가스는 상기 내부 표면에 있는 상기 퇴적물을 가스 부산물(gas by-products)로 바꾸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 플라즈마 식각 챔버인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 세정 단계 이전에 상기 챔버 내에서 하나 이상의 반도체 기판상에 있는 알루미늄을 식각하는 단계를 더 포함하는 방법으로서, 상기 식각단계는 상기 챔버의 내부 표면상에 상기 퇴적물을 만들어 내는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  17. 제15항에 있어서, 하나 이상의 반도체 기판을 상기 챔버 안으로 들여오고 그리고 상기 하나 이상의 기판 상에 있는 알루미늄을 식각하는 단계가 상기 조절 단계에 뒤이어서 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 광학 방출 또는 간섭(interferometry)에 의하여 결정되는 엔드포인트(endpoint)에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 제1 및 제2 단계에서 실행이 되고, 상기 제1 단계에서는 상기 조절용 가스가 염소를 함유하고 있는 가스를 더 포함하고 그리고 상기 제2 단계에서는 상기 조절용 가스에는 불소가 없는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 단계에서는 상기 조절용 가스가 1 내지 30 sccm의 BCl3및 10 내지 60 sccm의 CHF3를 포함하고 그리고 상기 제2 단계에서는 상기 조절용 가스가 20 내지 60 sccm의 BCl3및 20 내지 60 sccm의 Cl2를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응 챔버의 세정 및 조절 방법.
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