KR20040021533A - 반도체 기판에 막을 형성하는 방법 - Google Patents

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산넬슨로크초우
카가미케니치
사토키요시
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에이에스엠 저펜 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, CVD 반응 챔버를 활성산소물질로 세정하는 방법을 제공한다. 상기 활성산소물질은 또한 활성불소물질과 혼합될 수 있다. 상기 활성산소물질은 플라즈마 생성물인데, 이것은 CVD 반응 챔버 내부에서 생성되거나 또는 원격으로 생성되어 상기 CVD 반응 챔버로 인입될 수 있다.

Description

반도체 기판에 막을 형성하는 방법{Method of Forming a Film on a Semiconductor Substrate}
본 발명은 일반적으로 화학기상증착(CVD) 챔버를 세정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, CVD로부터 활성산소물질을 이용하여 탄소함유 증착물을 세정하는 방법에 관한 것이다.
종래의 대규모 집적 (LSI) 디바이스 - 예를 들어, CPU, 메모리, 또는 시스템 LSI -에 있어서, 금속 회로배선 사이의 절연물은 이산화규소(SiH4기반 SiO2또는 TEOS 기반 SiO2) 또는 불화 실리카 유리(fluorinated silica glass)이다. 금속배선의 저항 또는 금속 배선 사이의 절연물의 커패시턴스를 감소시키게 되면 디바이스의 속도를 증가시키게 된다. 금속 배선의 저항은 알루미늄 합금 대신 전도체인 구리를 사용함으로써 감소시킬 수 있다. 절연물의 커패시턴스는 SiO2또는 관련 물질들보다는 저-k 막을 사용함으로써 감소시킬 수 있다. SiO2에 기반한 막의 유전상수는 전형적으로 대략 3.8 내지 대략 4.4 정도이다. 저-k 막의 유전 상수는 전형적으로 대략 2.0 내지 대략 3.0 정도이다. 이러한 방법들을 통해, RC 지연은 감소될 수 있고, 이에 따라 보다 빠른 디바이스의 제조가 가능하게 된다.
몇몇의 저-k 물질이 개발되어 왔다. 이러한 저-k 물질 중 하나는 탄소-도핑된 SiO2이다. 이러한 막은 전형적으로 Si, O, C, 및 H를 포함한다. 예를 들어, U.S. 특허 제6,352,945호 및 U.S.특허 제6,383,955호를 참조해라.
순수한 또는 불소-도핑된 SiO2가 CVD 반응기 내의 반도체 웨이퍼에 증착될 때, 다소의 SiO2또한 CVD 반응기의 내부 표면에 증착된다. 이 오염물질은 전형적으로 인시츄 플라즈마 세정에 의해 제거된다. 불소함유 가스는 세정 가스로 사용되는데, 이것은 CVD 챔버 내의 로컬 플라즈마 방전에 의해 활성화된다. 이러한 세정 가스에 대한 예들은 O2와 혼합된 C2F6, CF4, 및 C3F8을 포함한다.
세정 방법에서 사용되는 불화탄소는 "온실 가스"로 지칭되는데, 이는 온실 효과에 기여한다고 믿어지기 때문이다. 온실 가스의 사용을 감소시키기 위해, NF3는 원격 발생 플라즈마에서 세정 가스로 사용되어 왔다. 아르곤 가스 캐리어는 CVD 반응기와 별개인 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 방전을 안정화시킨다. 이 방법은 U.S. 특허 제6,187,691호 및 U.S.출원 제2002/0011210A1호에 개시되어 있다.
이와 유사하게, 저-k 막이 증착된 후, CVD 반응기는 전형적으로 잔류물을 포함하는 탄소, 실리콘, 산소, 및 수소 등으로 오염된다. NF3로부터 유도된 불소함유 물질은 도관을 통해 별개의 플라즈마 챔버로부터 CVD 반응기로 인입되므로, 이러한 오염물들이 제거된다. 활성화된 물질(예를 들어, 불소 라디칼)은 이러한 오염물들과 반응하지만, 탄소함유 오염물은 CVD 챔버 내에 잔류하게 되는 불화탄소 화합물을 형성하는 반응을 한다. 저-k 유전막 증착 동안, 이 불화탄소 화합물은 휘발되어 웨이퍼 상의 막 형성에 영향을 미칠 수 있다.
이 불화탄소 오염은 바람직하지 않은 프로세스 가스 혼합물로 귀착되는데, 예를 들어, 증착속도의 감소, 각 웨이퍼의 비균일한 막 두께의 생성, 또는 순차적으로 처리되는 한 로트 내의 웨이퍼의 비균일한 막 두께의 생성에 의해 저-k 층의 증착에 불리한 영향을 미친다. 단일 웨이퍼 상의 막 비균일성은 웨이퍼의 최대 및 최소 막 두께 사이의 차를 계산하여, 웨이퍼의 평균 막 두께로 나누고, 2로 나눈 후, 100을 곱하여 얻은 백분율로 표현된다. 한 로트 또는 배치 내의 웨이퍼의 막 비균일성은 로트 내의 웨이퍼의 최대 및 최소 막 두께 사이의 차를 계산하여, 로트내의 웨이퍼의 평균 막 두께로 나누고, 2로 나눈 후, 100을 곱하여 얻은 백분율로 표현된다. 전형적으로, 첫번째 웨이퍼의 막 비균일성은 두번째 웨이퍼에 비해 더 나쁘다. 예를 들어, 하나의 25-웨이퍼 처리 주기에서, 첫번째 웨이퍼의 증착속도는 후속되는 웨이퍼의 증착속도에 비해 ±1.4%의 편차를 보이고, 첫번째 웨이퍼의 단일 웨이퍼 막 비균일성은 ±(2.7% ~ 3.5%)의 편차를 보인다.
이 비균일성은 디바이스 k-값에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다. 디바이스 k는 두 개의 평행한 금속 배선 사이에 배치된 절연 유전체의 커패시턴스 측정값이다. 두 개의 평행 도전체 사이의 커패시턴스는 도전체 사이의 총단면적에 절연막의 유전상수를 곱하고 두 도전체 사이의 거리로 나눈 것이다. 예를 들어, 하나의 유전막에 의해 절연된 한 쌍의 금속 배선 사이의 커패시턴스 C = keffε(A/d)이다. 여기서, ε= 8.85 × 10-12C2/N㎡, C는 커패시턴스 측정값, A는 두 배선 사이의 총단면적(유전막 두께 t × 유효 라인 길이 Leff), d는 금속 회로 배선 사이의 거리(절연 폭), 그리고 keff는 막의 유효 유전상수이다. 그러므로, 유효 k keff= (C/ε)(d/A) 에 의해 계산해낼 수 있다. 커패시턴스 C는 유전막 두께 t에 의존하므로, keff또한 막 두께에 의존한다.
불화탄소 및 NF3플라즈마 세정 방법 양자 모두에 있어서, CVD 반응기는 비활성 가스 내의 활성불소물질에 의해 세정된다. 그러나, 이러한 방법들은 비휘발성 불화탄소 부산물을 생성시키는데, 이것이 증착 방법에서 바람직하지 않은 변형을야기시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 산소 플라즈마로부터 생성된 활성산소물질을 이용하여 CVD 반응기의 반응 챔버로부터 오염물을 세정하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, NF3-아르곤 플라즈마 및 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, NF3-아르곤 플라즈마 및 다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 반응 챔버를 미리 세정하는 반도체 웨이퍼에 유전막을 증착하는 과정을 보여주는 도면,
도 5는 개시된 방법을 실시하기에 적합한 PECVD 장치의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 이송 챔버 2 : 이송 로봇
3 : 실리콘 웨이퍼 4 : 반응 챔버
5 : 서셉터 6 : 샤워해드
7, 7' : 라디오 주파수 진동자
8 : 컨덕턴스 조절 밸브 9 : 히터
10 : 플라즈마 챔버11 : 밸브
12 : RF 매칭 시스템13 : 가스 라인
14 : 가스 라인
본 발명은 예를 들어 산소 플라즈마로부터 생성된 활성산소물질을 이용하여 CVD 반응기의 반응 챔버로부터 오염물을 세정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 특히 PECVD(플라즈마 강화 CVD) 반응기, 더 한정적으로 저-k 막을 포함하는 유전막을 증착하는 데 사용되는 PECVD 반응기의 세정에 적합하다. 여기에 개시된 방법은 더욱 바람직하게 Si, C, O, 및 H를 함유하는 탄소 도핑된 산화규소; Si, C, 및 H를 함유하는 탄화규소 막; Si, C, N, 및 H를 함유하는 SiCN 막 등의 탄소함유 막 증착에 사용되는 PECVD 반응기의 세정에 적합하다. PECVD 반응기는 전형적으로 웨이퍼 상에 막을 증착하는 데 사용되어 온 단일 또는 소규모 배치 기판 처리 장치이다.
산소 플라즈마 세정 방법은 한 로트의 첫번째 웨이퍼가 CVD 반응기에 로드되기 전에 1시간 이하로 수행되는 것이 바람직하다. 한 로트는 25 웨이퍼인 것이 일반적이다. 이 적용은 세정을 위해 CVD 반응 챔버에 활성산소물질을 제공하는 다음의 3 개의 실시예로 설명된다:
⑴ CVD 반응 챔버 내에서 산소 플라즈마가 생성되는 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법;
⑵ CVD 반응 챔버와 별개인 플라즈마 챔버에서 산소 플라즈마가 생성되는 다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법; 및
⑶ CVD 반응 챔버와 별개인 플라즈마 챔버에서 활성산소물질 및 활성불소물질이 함유된 플라즈마가 생성되는 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법.
여기에 개시된 방법에 사용되는 CVD 반응기의 세정 주기에 필요한 시간은 증착 방법에 이용되는 조건에 의존한다. 전형적으로, 물질을 많이 증착할수록 세정 주기는 길어진다. 세정 주기의 길이는 과도한 실험없이도 당업자라면 용이하게 확인할 수 있을 것이다. 산소 플라즈마 CVD 세정 단계 수행 후 첫번째 웨이퍼 로드 전에, 반응기는 웨이퍼 지지 구조의 온도가 안정화될 때까지 예를 들어, 하기에서 정의되는 바와 같이 최대 진공 하 또는 대기 모드에서 사용되지 않고 있을 수 있다.
상기에서 기술한 바와 같이, CVD 반응기에 의해 증착된 첫번째 웨이퍼의 두께 비균일성은 전형적으로 두번째 웨이퍼와 비교해 더 나쁘다. 예를 들어, 하나의 25-웨이퍼 처리 주기에 있어서, 첫번째 웨이퍼의 증착속도는 후속되는 웨이퍼의 증착속도에 비해 ±1.4% 편차를 보이고, 두께 비균일성은 ±(2.7% ~ 3.5%) 편차를 보인다. 그러나, 여기서 개시하는 산소 플라즈마 세정 방법 적용 후, 첫번째 웨이퍼의 증착속도는 1% 이하로 감소되고 두께 비균일성은 ±2.5% 이하로 된다.
여기서 사용되는 바에 따르면, 산소 플라즈마는 CVD 챔버 세정에 효과적인 활성산소물질을 포함하는 플라즈마이다. 불소 플라즈마는 CVD 챔버 세정에 효과적인 활성불소물질을 포함하는 플라즈마이다. 활성산소물질 및 활성불소물질을 포함하는 플라즈마는 산소 및 불소 플라즈마이다. 이온 및 라디칼을 포함하는 활성물질은 이온 도움 식각을 포함하는 활성물질 도움 식각을 통해 CVD 반응 챔버로부터 오염물을 제거한다.
산소함유 가스는 플라즈마 생성을 위해 사용될 때 활성산소물질을 생성하는 가스이다. 바람직한 산소함유 가스는 O2, CO2, NO2, N2O, H2O, H2O2, O3, 및 O2와 O3의 혼합물이다. 불소함유 가스는 플라즈마 생성을 위해 사용될 때 활성불소물질을 생성하는 가스이다. 불소함유 가스는 불소, 불화탄소 가스, 수소화불화탄소 가스 및 가스상 플루오르화질소를 포함한다. 바람직한 불화탄소함유 가스는 NF3, CF4, C2F6, 및 C3F8이다. 바람직한 수소화불화탄소 가스는 CHF3이다. 바람직한 가스상 플루오르화질소는 NF3이다. 비활성 가스는 He, Ar, Ne, Kr, 및 Xe이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
산소 플라즈마 생성
인시츄 산소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 산소 플라즈마는 산소함유 가스, 선택적으로 비활성 가스 또는 질소와 혼합되어 있는 산소함유 가스로 대전된 CVD 챔버 내의 전극을 통해 RF 소스에 의해 생성된다. 헬륨 또는 아르곤을 첨가함으로써, 플라즈마의 안정성은 강화된다.
플라즈마 방전을 발생시키기 위해, 27.12㎒ RF 소스는 CVD 챔버 내의 전극을 통해 출력된다. 다른 주파수도 플라즈마 방전 발생을 위해 사용될 수 있는데, 예를들어, 13.56㎒, 430㎑, 400㎑, 380㎑, 350㎑, 300㎑, 및 2㎒가 있다. 이중 주파수 RF 소스 또한 플라즈마 방전 발생을 위해 사용될 수 있는데, 예를 들어, 27.12㎒ + 400㎑ 및 13.56㎒ + 430㎑와 같이 두 개의 주파수가 매칭 네트워크 내에서 혼합되어 있는 것을 사용가능하다. 만족할 만한 플라즈마를 발생시키기 위해 필요한 RF 주파수 및 출력의 선택은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
인시츄 산소 플라즈마 세정 방법의 전형적인 조건은 다음과 같다:
O20.1 ~ 5.0 slm
He0.1 ~ 10.0 slm
반응기 압력10 ~ 1000 Pa
처리 시간> 20 초
RF 출력200 ~ 10,000 W
바람직한 조건은 다음과 같다:
O20.5 ~ 3.0 slm
He0.5 ~ 5.0 slm
반응기 압력50 ~ 500 Pa
처리 시간> 60 초
RF 출력500 ~ 2,000 W
더욱 바람직한 조건은 다음과 같다:
O21.0 ~ 2.0 slm
He1.0 ~ 2.0 slm
반응기 압력100 ~ 250 Pa
처리 시간> 120 초
RF 출력500 ~ 1,000 W
다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 산소함유 가스는 CVD 반응기와 별개로 산소 플라즈마를 생성하는 플라즈마 챔버로 공급된다. CVD 세정을 위한 플라즈마의 원격 생성은 U.S.특허 제 6,187,691호 및 U.S.출원 제 2002/0011210A1호에 개시되어 있으며, 개시된 내용은 여기에 참조로서 반영된다. 간단하게, 마이크로파 또는 RF 에너지와 같은 에너지는 산소함유 가스를 활성산소물질로 해리시키는 데 사용된다. 그 후 활성산소물질은 플라즈마 챔버로부터 하류에 배치되어 있는 CVD 반응기로 인입된다. RF 소스의 주파수는 대략 400㎑ 부터 대략 2.45㎓의 범위에 이른다. 원격 플라즈마 챔버는 대략 400㎑의 주파수를 가진 저필드 환형 플라즈마인 것이 바람직하다. 비활성 가스 또는 질소는 산소함유 가스에 첨가될 수 있다. 헬륨 또는 아르곤을 첨가함으로써 플라즈마의 안정성은 강화된다.
다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법의 전형적인 조건은 다음과 같다:
O20.1 ~ 5 slm
Ar0.1 ~ 10 slm
반응기 압력10 ~ 1350 Pa
처리 시간> 20 초
RF 출력200 ~ 10,000 W
바람직한 조건은 다음과 같다:
O20.5 ~ 3.0 slm
Ar0.5 ~ 5.0 slm
반응기 압력50 ~ 500 Pa
처리 시간> 60 초
RF 출력1,000 ~ 5,000 W
더욱 바람직한 조건은 다음과 같다:
O21.0 ~ 2.0 slm
Ar1.0 ~ 2.0 slm
반응기 압력100 ~ 250 Pa
처리 시간> 120 초
RF 출력1,000 ~ 3,000 W
다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 산소함유 가스 및 불소함유 가스는 CVD 반응기와 별개인 플라즈마 챔버로 공급된다. RF 에너지는 산소함유 가스 및 불소함유 가스를 활성산소물질 및 활성불소물질로 각각 해리시키는 데 사용된다. 그 후 활성산소물질 및 활성불소물질은 플라즈마 챔버로부터 하류에 배치되어 있는 CVD 반응기로 인입된다. 비활성 가스 또는 질소는 가스 혼합물에 첨가될 수 있다. 헬륨 또는 아르곤을 첨가함으로써 플라즈마의 안정성은 강화된다. O2는 아마도 불소 이온 재결합을 감소시키는 것에 의해 활성불소물질의 수명을 증가시킨다. NF3, 아르곤, 및 O2의 가스 혼합물은 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법에 있어서 바람직하다.
다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법의 전형적인 조건은 다음과 같다:
O20.1 ~ 3.0 slm
NF30.2 ~ 5.0 slm
Ar0.2 ~ 10.0 slm
반응기 압력10 ~ 1350 Pa
처리 시간> 20 초
RF 출력500 ~ 10,000 W
바람직한 조건은 다음과 같다:
O20.2 ~ 1.0 slm
NF30.5 ~ 3.0 slm
Ar0.5 ~ 5.0 slm
반응기 압력50 ~ 500 Pa
처리 시간> 60 초
RF 출력750 ~ 5,000 W
더욱 바람직한 조건은 다음과 같다:
O20.3 ~ 0.5 slm
NF30.75 ~ 1.5 slm
Ar1.0 ~ 4.0 slm
반응기 압력100 ~ 250 Pa
처리 시간> 120 초
RF 출력2,000 ~ 3,000 W
다운스트림 산소 및 산소-불소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 초기 플라즈마는 세정 가스, 산소함유 가스 또는 산소함유 가스와 불소함유 가스의 혼합물 중에어느 하나의 인입 전에 플라즈마 챔버 내에서 생성될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 초기 플라즈마는 비활성 가스로부터 생성된다. 바람직한 제2 실시예에 따르면, 초기 플라즈마는 O2가스로부터 생성된다.
CVD 반응기의 산소 플라즈마 세정
여기에 개시된 산소 플라즈마 CVD 세정 방법은 저-k 막 및 SiC 증착 방법에 있어서 유용하다. 이하에서 사용되는 바에 따르면, "대기 모드"는 CVD 챔버 압력이 대략 533.2 Pa이고, 대략 1 slpm N2유량이 되는 경우이다.
도 1a는 건식 플라즈마 세정 방법의 바람직한 일 실시예를 보여준다. 단계 110에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 120에서, CVD 반응기는 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법에 의해 미리 세정된다. 첫번째 웨이퍼가 단계 130에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 140에서 증착되며, 단계 150에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 160에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 세정된다. 단계 130-160은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 170에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
도 1b는 건식 플라즈마 세정 방법의 바람직한 제2 실시예를 보여준다. 단계 210에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 215에서, 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 제1 세정된다. 단계 220에서, CVD 반응기는 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법에 의해 미리 세정된다. 단계 215 및 220은 다른 순서로 수행될수도 있다. 첫번째 웨이퍼가 단계 230에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 240에서 증착되며, 단계 250에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 260에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 세정된다. 단계 230-260은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 270에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
도 2a는 건식 플라즈마 세정 방법의 바람직한 제3 실시예를 보여준다. 단계 310에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 320에서, 반응기는 다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법에 의해 미리 세정된다. 첫번째 웨이퍼가 단계 330에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 340에서 증착되며, 단계 350에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 360에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 세정된다. 단계 330-360은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 370에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
도 2b는 건식 플라즈마 세정 방법의 바람직한 제4 실시예를 보여준다. 단계 410에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 415에서, 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 제1 세정된다. 단계 420에서, CVD 반응기는 다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법에 의해 미리 세정된다. 단계 415 및 420은 다른 순서로 수행될 수도 있다. 그 후 첫번째 웨이퍼가 단계 430에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 440에서 증착되며, 단계 450에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 460에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 세정된다. 단계430-460은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 470에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
도 3은 건식 플라즈마 세정 방법의 바람직한 제5 실시예를 보여준다. 단계 510에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 520에서, 반응기는 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법에 의해 세정된다. 그 후 첫번째 웨이퍼가 단계 530에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 540에서 증착되며, 단계 550에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 560에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마 또는 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법 중 어는 하나에 의해 세정된다. 단계 530-560은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 570에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
개시된 건식 플라즈마 세정 방법의 다른 실시예에 있어서, CVD 반응 챔버의 불소 플라즈마 세정은 각 웨이퍼의 막 증착 후마다 수행되지 않는다. 대신 불소 플라즈마 세정 단계는 미리 설정된 수만큼의 웨이퍼의 막 증착 후에 수행된다. 불소 플라즈마 세정 단계에 요구되는 주파수는 특정 증착 조건에 의존하며, 증착 조건의 결정은 과도한 실험 없이도 당업자에 의해 용이하게 인식될 수 있다. 불소 플라즈마 세정 단계의 주파수를 감소시킴으로써, CVD 장치의 처리량을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 3에 도시된 각 방법들은 이 실시예에 따라 변형될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 실시예에 따른 도 1a에 도시된 것과 유사한 방법은 도 4에 도시되어 있다. 단계 610에서, CVD 반응기는 대기 모드에 있다. 단계 620에서, CVD반응기는 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법에 의해 미리 세정된다. 첫번째 웨이퍼가 단계 630에서 CVD 반응기에 로드되고, 그 위에 소망하는 막이 단계 640에서 증착되며, 단계 650에서 웨이퍼가 언로드된다. 단계 630-650은 미리 설정된 수만큼의 웨이퍼마다 반복수행된다. 단계 660에서, CVD 반응기는 원격 생성 NF3-아르곤 플라즈마에 의해 세정된다. 단계 630-660은 로트의 잔존 웨이퍼에 대해 반복수행된다. 마지막 웨이퍼의 처리 후, 단계 670에서 CVD 반응기는 대기모드로 환원된다.
도 5는 여기서 개시된 산소 플라즈마 세정 방법이 수행될 수 있는 평행판 타입의 플라즈마 강화 CVD 장치를 보여주고 있다. 세정 방법은 또한 다른 타입의 CVD 장치, 예를 들어, 감압열 CVD 장치에 의해 수행될 수 있다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 CVD 장치는 원격 생성 플라즈마를 CVD 처리 챔버로 공급하도록 구성되어 있다.
도 5에 도시된 장치에서 반도체 웨이퍼 상에 막을 증착하는 절차는 다음과 같이 수행된다. 대기 기간 후에, 하나의 웨이퍼(3)를 이송 챔버(1) 내로 배치한다. 웨이퍼(3)는 이송 챔버(1)에 인접한 처리 챔버(4) 내부의 웨이퍼 지지 구조 또는 서셉터(5) 상에 자동 이송 로봇(2)에 의해 로드된다. 서셉터(5)는 또한 내부에 내장되는 히터(가열 요소)(9)를 구비한 전극으로서의 기능도 한다. 반응 가스는 서셉터(5)와 평행한 샤워해드(6)로부터 웨이퍼(3)로 고르게 공급된다. 라디오 주파수 출력은 라디오 주파수 진동자(7,7')에 의해 샤워해드(6)에 적용된다. RF 매칭 시스템(12)은 라디오 주파수 진동자(7,7')와 처리 챔버(4) 사이에 사용된다.
예 1.
선처리 세정
다음 세 개의 플라즈마 건식 세정 시퀀스는 저-k 막 및 SiC 선처리 세정 양자에 모두 사용된다.
도 5를 참조하면, 인시츄 산소 플라즈마 세정 방법에 있어서, O2및 He은 가스 라인(13)을 통해 CVD 반응기로 도입된다. 반응기 내의 압력은 컨덕턴스 조절 밸브(8)에 의해 제어된다. 반응기 내의 압력이 설정 지점에 이르게 되면, RF 출력의 전원이 켜진다. 27 ㎒ RF 출력은 O2가스를 반응 물질로 해리시킨다. 충분한 이온 충돌 에너지를 가진 반응 산소 물질은 반응 챔버(4) 벽 및 서셉터(5) 상에 증착되어 있는 불소 및 탄소 화합물과 반응할 것이다. 이 과정은 비휘발성 화합물을 휘발성 화합물로 변환시키는데, 이것은 게이트 밸브(8)를 통해 방출되게 된다. 미리 설정된 "플라즈마 동작" 시간 후에, RF 출력, 및 O2와 He 가스는 자동적으로 전원이 꺼지게 된다. 컨덕턴스 조절 밸브(8)는 전체 반응기에 대해 부산물이 완전히 방출 제거될 수 있도록 완전히 개방된다.
다운스트림 산소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 아르곤과 같은 비활성 가스는 가스라인(14)을 통해 원격 플라즈마 챔버(10) 내로 인입된다. 밸브(11)는 이와 동시에 개방된다. 플라즈마 챔버(10) 내의 가스 압력이 설정 지점에 이르게 되면, 원격 플라즈마 유닛(10)의 출력의 전원이 켜진다. 미리 혼합된 산소함유 가스와 비활성 가스의 가스 혼합물, 예를 들어, O2와 Ar는 가스 라인(14)을 통해 플라즈마 챔버(10) 내로 인입된다. 플라즈마 챔버(10) 내에서 O2가스는 해리된다. 반응 세정 물질은 밸브(11)를 통해 CVD 챔버로 도입된다. 충분한 에너지를 가진 반응 세정 물질은 반응 챔버(4) 벽 및 서셉터(5) 상에 증착되어 있는 불소 및 탄소 화합물을 활성물질(예를 들어, 라디칼) 도움 식각에 의해 제거할 것이다. 이 과정은 비휘발성 화합물을 휘발성 부산물로 변환시키는데, 이것은 게이트 밸브(8)를 통해 방출되게 된다. 미리 설정된 "플라즈마 동작" 시간 후에, 미리 혼합된 가스 및 아르곤의 유량에 이어서, 원격 플라즈마 유닛(10)의 전원도 자동적으로 꺼지게 된다. 컨덕턴스 조절 밸브(8)는 전체 반응기에 대해 부산물이 완전히 방출 제거될 수 있도록 완전히 개방된다.
다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법에 있어서, 예를 들어 아르곤과 혼합된 O2와 같이, 미리 혼합된 산소함유 가스는 가스 라인(14)을 통해 원격 플라즈마 챔버(10) 내로 인입된다. 밸브(11)는 이와 동시에 개방된다. 플라즈마 챔버(10) 내의 가스 압력이 설정 지점에 이르게 되면, 원격 플라즈마 유닛(10)의 출력의 전원이 켜진다. 다음으로, 불소함유 가스, 예를 들어, NF3는 가스 라인(14)을 통해 플라즈마 챔버(10) 내로 인입된다. 플라즈마 챔버(10) 내에서 O2가스는 해리된다. O2는 불소 이온의 재결합을 감소시킴으로써 불소반응물질의 밀도를 증가시킨다. 최종 플라즈마는 반응 산소 물질 및 반응 불소 물질 모두를 포함한다. 충분한 에너지를 가진 반응 세정 물질은 처리 챔버(4) 벽 및 서셉터(5) 상에 증착되어 있는 불소 및 탄소 화합물을 활성물질(예를 들어, 라디칼) 도움 식각에 의해 제거할 것이다. 이 과정은 비휘발성 화합물을 휘발성 부산물로 변환시키는데, 이것은 게이트 밸브(8)를 통해 방출되게 된다. 미리 설정된 "플라즈마 동작" 시간 후에, 가스 소스의 유량에 이어서, 원격 플라즈마 유닛(10)의 전원도 자동적으로 꺼지게 된다. 컨덕턴스 조절 밸브(8)는 전체 반응기에 대해 부산물이 완전히 방출 제거될 수 있도록 완전히 개방된다.
대표적인 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 조건은 다음과 같다:
NF30.5 ~ 1 slm
Ar2 ~ 5 slm
O20.1 ~ 1.0 slm
RF 출력(400 ㎑)2.0 ~ 2.8 ㎾
예 2.
저유전상수 유기 실리콘 유리 증착 방법
도 5를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(3) 상에 SiCO 막을 증착하기 위해, Si(OCH3)2(CH3)2와 헬륨의 혼합 가스를 반응 가스로서 샤워해드(6)로부터 처리 챔버(4)로 공급한다. 처리 챔버(4) 내부의 압력은 처리 챔버(4)에 연결되어 있는컨덕턴스 조절 밸브(8)를 이용해서 대략 1060 Pa 이하로 조절 및 조정된다. 히터(9)는 그 상부에 웨이퍼(3)가 로드되어 있는 서셉터(5)를 가열한다. 이 때 웨이퍼(3)는 서셉터(5) 상에 로드되어 있는 동안 대략 350 내지 400℃까지 가열된다. 13.56 ㎒ 라디오 주파수 출력, 13.56 ㎒와 430 ㎒의 혼합 출력, 27.12 ㎒ 출력, 또는 27.12 ㎒와 400 ㎑의 혼합 출력은 서셉터(5)와 샤워해드(6) 사이에 적용된다. 최종 플라즈마는 웨이퍼(3) 상에 박막을 형성한다. 박막 형성 후, 웨이퍼(3)는 자동 이송 로봇(2)에 의해 처리 챔버(4)로부터 이송된다.
다른 실시예에서 있어서, 테트라메틸실란(tetramethylsilane), Si(CH3)4, 또는 트리메틸실란(trimethylsilane), SiH(CH3)3, 및 산소함유 가스, 예를 들어, O2, NO2, CO2, H2O, O3및 이들의 혼합물은 또한 SiCO 막을 증착시키는 반응 가스로서 사용될 수 있다.
SiCO 막은 도 2a에 도시되어 있는 방법에 의해 임의의 웨이퍼 배치(batch)에 증착된다. 웨이퍼의 배치 처리 사이에 처리 챔버(4)로부터 오염물(이 경우에 있어서는 SiCO 화합물)을 제거하기 위해서, 예 1에 기술되어 있는 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법이 단계 320에서 사용된다. 원격 플라즈마 방전 챔버(10)의 라디오 주파수 출력에 의한 아르곤 플라즈마 발화는 원격 플라즈마 방전 챔버(10)로 O2및 NF3의 가스 혼합물을 인입하기 전에 수행된다. 가스가 해리 및 활성화된 후에, 밸브(11)를 통해 처리 챔버로 인입되어, 처리 챔버(4)를 세정하게 된다.
막 증착(단계 340) 및 다운스트림 불소 플라즈마 세정(단계 360)은 한 로트내의 각 웨이퍼마다 번갈아 수행된다.
대표적인 SiCO 막 증착 조건은 다음과 같다:
Si(OCH3)2(CH3)2140 sccm
He50 sccm
RF 출력(27.12 ㎒)1500 ~ 1650 W
압력560 Pa
전극 간격24 ㎜
기판 온도370 ~ 380 ℃
대표적인 다운스트림 불소 플라즈마 세정 조건은 다음과 같다:
NF31 slm
Ar5 slm
RF 출력(400 ㎑)2.1 ~ 2.8 ㎾
예 3.
탄화규소(SiC) 증착 방법
탄화규소(SiC) 막은 하드마스크로, 이중 상감 식각 방법에서의 식각 중지 막으로, 또는 Cu 확산 배리어 막으로 사용된다. SiC의 증착에 있어서, 테트라메틸실란, Si(CH3)4는 SiCO 막 증착에 사용되는 Si(OCH3)2(CH3)2대신 CVD 반응기로 공급된다. 도 5를 참조하면, 테트라메틸실란과 헬륨의 혼합 기체는 반응 가스로서 샤워해드(6)로부터 처리 챔버(4)로 공급된다. 처리 챔버(4) 내부의 압력은 처리 챔버(4)에 연결되어 있는 컨덕턴스 조절 밸브(8)를 이용해서 대략 1060 Pa 이하로 조정된다. 히터(9)는 그 상부에 웨이퍼(3)가 로드되어 있는 서셉터(5)를 가열한다. 이 때 웨이퍼(3)는 서셉터(5) 상에 로드되어 있는 동안 대략 300 내지 380℃까지 가열된다. 13.56 ㎒ 라디오 주파수 출력, 13.56 ㎒와 430 ㎒의 혼합 출력, 27.12 ㎒ 출력, 또는 27.12 ㎒와 400 ㎑의 혼합 출력은 서셉터(5)와 샤워해드(6) 사이에 적용된다. 최종 플라즈마는 웨이퍼(3) 상에 SiC 박막을 형성한다. 박막 형성 후, 웨이퍼(3)는 자동 이송 로봇(2)에 의해 처리 챔버(4)로부터 이송된다. 다른 실시예에서 있어서, 트리메틸실란(SiH(CH3)3)은 또한 SiC 막을 증착하는 데 사용될 수 있다. 산소가 부족한 SiCO 막은 또한 SiC 막 대신 사용될 수 있는데, 여기에 O2, NO2, CO2, H2O, O3및 이들의 혼합물과 같은 산소함유 가스를 반응 가스 혼합물에 첨가하여 증착시킬 수 있다. CO2는 이러한 SiCO 막 증착에 사용되는 산소함유 가스로서 바람직하다.
탄화규소 막은 도 2a에 도시되어 있는 방법에 의해 임의의 웨이퍼 배치(batch)에 증착된다. 각 웨이퍼 배치의 증착 사이마다 처리 챔버(4)는 단계 320에서 예 1에 기술되어 있는 다운스트림 산소-불소 플라즈마 세정 방법을 이용하여 세정된다.
SiC 막 증착(단계 340) 및 다운스트림 불소 플라즈마 세정(단계 360)은 배치 내의 각 웨이퍼마다 번갈아 수행된다.
대표적인 SiC 막 증착 조건은 다음과 같다:
테트라메틸실란200 ~ 700 sccm
He500 ~ 5,000 sccm
RF 출력(27.12 ㎒)300 ~ 1,000 W
RF 출력(400 ㎑)100 ~ 300 W
압력300 ~ 700 Pa
전극 간격24 ㎜
기판 온도320 ~ 380 ℃
SiCN 막은 탄화규소 막 대신에 사용될 수 있다. SiCN 막은 NH3와 같은 질소 함유 가스를 증착 가스 혼합물에 첨가하여 증착시킬 수 있다.
상기에서 도시되고 기술된 실시예들은 본 발명의 임의의 바람직한 실시예의 예를 보여준 것에 불과하다. 여기에 제시된 실시예에 대한 다양한 변화 및 변형은 본 발명의 개념 및 범위 내에서 당업자가 충분히 생각해낼 수 있으며, 이것의 범위는 단지 첨부한 청구범위에만 한정되지는 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 산소 플라즈마로부터 생성된 활성산소물질을 이용하여 CVD 반응기의 반응 챔버로부터 오염물을 세정하게 된다. 본 발명의 방법은 특히 PECVD(플라즈마 강화 CVD) 반응기, 더 한정적으로 저-k 막을 포함하는 유전막을 증착하는 데 사용되는 PECVD 반응기의 세정에 적합하다.

Claims (19)

  1. CVD 반응 챔버에 활성산소물질을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성산소물질은 상기 CVD 반응 챔버 내부에서 생성된 산소 플라즈마 생성물인 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성산소물질은 상기 CVD 반응 챔버 외부에서 생성된 산소 플라즈마 생성물인 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성산소물질은 (ⅰ) O2, CO2, NO2, N2O, H2O, H2O2, 및 O3로 구성된 군 중에서 선택된 산소함유 가스와; (ⅱ) 선택적으로, He, Ar, Ne, Kr 및 Xe로 구성된군 중에서 선택된 불활성 가스와; (ⅲ) 선택적으로, N2를 포함하는 가스로부터 생성된 산소 플라즈마 생성물인 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스는 NF3를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CVD 반응 챔버에 활성불소물질을 접촉시키는 별개의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 CVD 반응 챔버에 활성불소물질을 접촉시키는 단계는 상기 CVD 반응 챔버에 활성산소물질을 접촉시킨 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 CVD 반응 챔버에 활성불소물질을 접촉시키는 단계는 상기 CVD 반응 챔버에 활성산소물질을 접촉시키기 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성불소물질은 (ⅰ) 불소, 불화탄소 가스, 수소화불화탄소 가스 및 가스상 플루오르화질소로 구성된 군 중에서 선택된 불소함유 가스와; (ⅱ) 선택적으로, He, Ar, Ne, Kr 및 Xe로 구성된 군 중에서 선택된 불활성 가스를 포함하는 가스로부터 생성된 불소 플라즈마 생성물인 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 불소함유 가스는 CF4, C2F6, C3F8, 및 CHF3로 구성된 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 불소함유 가스는 NF3인 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불소 플라즈마는 상기 CVD 반응 챔버 외부에서 생성되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  13. CVD 반응 챔버 내의 반도체 기판에 탄소함유 막을 형성하는 방법에 있어서,
    (ⅰ) 상기 CVD 반응 챔버에 활성산소물질을 접촉시키는 단계와;
    (ⅱ) 상기 반도체 기판을 상기 CVD 반응 챔버 내로 이송하는 단계와;
    (ⅲ) 상기 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착시키는 단계와;
    (ⅳ) 상기 반도체 기판을 상기 CVD 반응 챔버로부터 이송하는 단계와;
    (ⅴ) 상기 CVD 반응 챔버에 활성불소물질을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응 챔버 내의 반도체 기판에 탄소함유 막을 형성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 접촉 단계 (ⅰ)은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 세정 방법에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응 챔버 내의 반도체 기판에 탄소함유 막을 형성하는 방법.
  15. 제13항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅱ) 내지 (ⅳ)는 단계 (v)가 수행되기 전에 기설정된 횟수로 반복되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응 챔버 내의 반도체 기판에 탄소함유 막을 형성하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 반도체 기판에 상기 단계 (ⅱ), (ⅲ), (ⅳ) 및 (ⅴ)를 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응 챔버 내의 반도체 기판에 탄소함유 막을 형성하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소함유 막은 Si, C, O, 및 H로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소함유 막은 Si, C, 및 H로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
  19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소함유 막은 Si, C, N, 및 H로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체기판에 탄소함유 막을 증착하는 데 사용하는 CVD 반응 챔버를 세정하는 방법.
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