KR20040074681A

KR20040074681A - 인시츄 챔버 클리닝 방법 및 이를 이용한 반도체 웨이퍼처리 장치

Info

Publication number: KR20040074681A
Application number: KR1020030010052A
Authority: KR
Inventors: 이종호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-08-26

Abstract

본 발명의 챔버 인시츄 클리닝 방법은 챔버 내의 표면에 선택적 보호층을 증착한 후 상기 선택적 보호층이 증착된 챔버 내에 고유전체막의 퇴적물을 형성한다. 상기 챔버 내에 붕화염소(BCl₃)와 불활성 가스를 함유하고 있는 조절용 가스를 주입시킨다. 상기 챔버 내에 주입된 조절용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만든다. 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 선택적 보호층이 드러날 때 까지 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝한다. 본 발명은 고유전체막으로의 적용이 유망한 알루미늄 산화막 또는 하프늄 산화막과 같은 물질의 증착공정 진행 중에 발생하는 챔버 내부 표면의 퇴적물에 대한 인시츄 클리닝을 할 수 있다.

Description

인시츄 챔버 클리닝 방법 및 이를 이용한 반도체 웨이퍼 처리 장치{In-situ chamber cleaning method and semiconductor wafer processing apparatus using the same}

본 발명은 반도체 웨이퍼 처리 장치의 챔버 클리닝 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인시츄 챔버 클리닝 방법 및 이를 이용하는 반도체 웨이퍼 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 웨이퍼 처리 공정의 진행 중에 CVD(chemical vapor deposition) 반응기(reactor)의 챔버에 대하여 주기적인 인시츄(in-situ) 챔버 클리닝을 실시하는 것이 보통이다. 미합중국 특허 제5,129,958호에는 반도체 웨이퍼 처리 장치의 CVD 챔버를 클리닝하는 방법이 개시되어 있다.

상기 미합중국 특허에 설명된 종래의 방법은 선행 단계인 불소 플라즈마 클리닝 단계로부터 남겨진 챔버 내의 불소 잔류물이 환원가스, 예컨대, 실란(SiH₄), 암모니아, 수소, 수소화인(PH₃), 이붕소화 수소(B₂H₆) 및 아신(AsH₃)들 중에서 하나 또는 그 이상과 접촉하여 반응 부산물을 형성한다. 이어서, 상기 반응 부산물을 CVD 챔버로부터 제거하여 인시츄 클리닝을 완성한다. 이러한 종래의 인시츄 클리닝 방법은 실리콘 산화물(SiOx)과 같은 유전막의 퇴적물을 제거하는 데에 효과적이다.

한편, 차세대 반도체 소자의 커패시터 등에 사용되는 고유전막(High-k dielectric), 예컨대 알루미늄 산화막(Al₂O₃)의 경우, 상술한 선행 특허에 의해 불소 플라즈마 클리닝, 환원 가스 접촉 및 반응 부산물 제거 등으로 이루어지는 인시츄 클리닝 방법은 클리닝 효과가 거의 없다. 왜냐하면, 알루미늄 산화막은, 불소 계열로 플라즈마 처리할 때 생성되는 AlF₃의 휘발성이 극히 낮기 때문에 클리닝 효과가 거의 없다. 따라서 알루미늄 산화막 증착 중에 챔버 벽에 증착된 알루미늄 산화막은 상술한 종래 인시츄 클리닝 방법으로는 증착 과정 중에 또는 일련의 증착과정이 종료된 후에 클리닝이 불가능하다.

이러한 인시튜 클리닝 과정 없이 계속 알루미늄 산화막 증착 공정을 반복할 경우, 어느 임계 두께 이상에서 알루미늄 산화막이 박리를 일으키며 반도체 웨이퍼 상에 파티클을 발생시킨다. 이러한 것은 알루미늄 산화막과 더불어 차세대 반도체 소자에 적용될 것으로 각광받고 있는 하프늄산화막(HfO₂)도 마찬가지이다.

더하여, 통상적으로 CVD나 ALD(atomic layer deposition, 원자층 증착)와 같은 반응기의 챔버 벽의 재질은 금속 알루미늄으로 구성한다. 그리고 내부식성을 향상시키기 위해 금속 알루미늄을 산화 피막(anodizing)을 형성시킨다.

즉 챔버 벽을 알루미늄 산화막의 형태로 감싸준다. 그러나 반도체 소자에 사용하기 위해 알루미늄 산화막을 증착하는 경우, 챔버 벽의 재질인 알루미늄 산화막 위에 ALD 또는 CVD 방법에 알루미늄 산화막이 증착된다. 따라서 증착 과정 중에 챔버 벽에 형성되는 알루미늄 산화막을 증착 챔버 벽의 산화피막 알루미늄 산화막의 피해 없이 인시츄 클리닝하는 것은 현재의 기술로 불가능하다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 이들의 복합막과 같은 고유전체막을 증착시 이용되는 챔버의 인시츄 클리닝 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 인시츄 챔버 클리닝 방법을 이용할 수 있는 반도체 웨이퍼 처리 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 인시츄 챔버 클리닝 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 인시츄 챔버 클리닝 방법에 이용된 반도체 웨이퍼 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 챔버 인시츄 클리닝 방법은 챔버 내의 표면에 선택적 보호층을 증착한 후 상기 선택적 보호층이 증착된 챔버 내에 고유전체막의 퇴적물을 형성한다. 상기 챔버 내에 붕화염소(BCl₃)와 불활성 가스를 함유하고 있는 조절용 가스를 주입시킨다. 상기 챔버 내에 주입된 조절용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만든다. 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 선택적 보호층이 드러날 때까지 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝한다.

상기 고유전체막은 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 그들의 복합막일 수 있다. 상기 선택적 보호층은 지르코늄 산화막일 수 있다.

상기 고유전체막의 퇴적물 클리닝은 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 고유전체막의 퇴적물을 높은 클리닝 속도로 식각한 후 선택적 보호층이 드러날 때까지 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 고유전체막의 퇴적물을 낮은 클리닝 속도로 식각하여 수행한다.

상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝시 상기 선택적 보호층이 드러나게 하는 수단은 상기 챔버 내에서 발생하는 반응 부산물을 분석하고 이를 피드백하여 수행할 수 있다. 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝시 상기 선택적 보호층이 드러나게 하는 수단은, 고유전체막의 퇴적물이 인시츄 클리닝 될 때 발생하는 반응 부산물의 원자질량과, 상기 선택적 보호층이 클리닝 될 때에 발생하는 반응 부산물의 원자질량이 다른 것을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 챔버 내의 표면에 선택적 보호층을 형성하기 전에 상기 챔버를 습식 클리닝할 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 웨이퍼 처리 장치는 내부 공간을 구비하고 내부의 벽면에 선택적 보호층 및 고유전체막의 퇴적물이 순차적으로 증착된 챔버를 포함한다.

본 발명의 반도체 웨이퍼 처리 장치는 상기 챔버 하부에 위치하면서 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제1 전극과, 상기 제1 전극에 대응하여 상기 챔버 상부에 가스 분배판으로 이용되면서 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제2 전극을 포함한다.

더하여, 본 발명의 반도체 웨이퍼 처리 장치는 상기 챔버 하부에 위치하여 상기 챔버 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물이 배출되는 배기구와, 상기 배기구에 연결되어 설치되고 상기 챔버 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물을 분석하여 상기 선택적 보호층이 드러나는 시점을 인식할 수 있게 하는 잔류 가스 분석기를 포함하여 이루어진다.

상기 고유전체막은 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 그들의 복합막으로 구성될 수 있다. 상기 선택적 보호층은 지르코늄 산화막으로 구성될 수 있다. 상기 챔버는 CVD 챔버 또는 ALD 챔버일 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 인시츄 챔버 클리닝 방법은 고유전체막으로의 적용이 유망한 알루미늄 산화막 또는 하프늄 산화막과 같은 물질의 증착공정 진행 중에 발생하는 챔버 내부 표면의 퇴적물에 대한 인시튜 클리닝을 할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

구체적으로, 전 단계의 일련의 고유전막 증착 공정에서 반도체 웨이퍼 처리 장치, 예컨대 CVD 장치, ALD 장치의 챔버 내부의 표면에 쌓인 퇴적물을 제거하기 위하여 챔버를 개방한 후 습식 클리닝을 실시한다(스텝 100). 상기 습식 클리닝은 챔버를 처음 사용하는 경우에는 수행하지 않을 수 있다 .

이어서, 챔버를 닫은 후 웨이퍼가 없는 상태에서 선택적인 인시츄 클리닝을 위해 챔버 내부의 표면에 선택적 보호층(selective encapsulating layer)을 증착한다(스텝 200). 상기 선택적 보호층은 지르코늄산화막(ZrO₂)을 이용하여 50Å~500Å의 두께로 형성한다.

다음에, 반도체 소자를 비롯한 기타 전기, 기계 장치의 제조를 위한 일련의 공정을 위해 반도체 웨이퍼 상에 고유전체막을 형성한다. 상기 고유전막은 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 알루미늄 산화막과 하프늄 산화막의 복합막을 포함한다. 상기 고유전체막의 증착시에 챔버 내부의 표면에 고유전막의 퇴적물이 형성된다(스텝 300). 상기 챔버 내부의 표면에 퇴적된 고유전체막의 퇴적물, 예컨대 알루미늄 산화막, 하프늄산화막 또는 이들의 복합막의 두께는 2.5um 이하로 관리한다.

계속하여, 상기 고유전체막이 퇴적물로 퇴적된 챔버에 붕화염소(BCl₃) 및 불활성 가스, 예컨대 아르곤 가스를 함유하고 있는 조절용 가스를 유입시킨다(스텝 400).

다음에, 상기 붕화염소를 함유하고 있는 조절용 가스에 RF 형태의 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만들어 준다(스텝 500). 이어서, 상기 조절용 가스로 이루어지는 플라즈마로 상기 챔버의 내부 표면상에 퇴적되어 있는 고유전체막의 퇴적물을 클리닝한다(스텝 600).

여기서, 상기 고유전체막의 퇴적물을 두 단계로 클리닝한다. 먼저, 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 고유전체막의 퇴적물을 높은 클리닝 속도로 클리닝한다). 상기 높은 클리닝 속도는 고유전체막의 퇴적물들에 대해 식각 속도가 높은 상태를 의미한다. 상기 높은 클리닝 속도를 얻기 위한 클리닝 조건은 다음[표 1]에 도시되어 있다.

[표 1]

공정 변수조건	가스	압력(mTorr)	RF 파워(W/cm²)	챔버 온도(℃)	식각 속도(Å/분)
공정 변수조건	가스	압력(mTorr)	RF 파워(W/cm²)	챔버 온도(℃)	Al₂O₃	HfO₂
전형적인조건	Ar, BCl₃	50	1.0	150	150	100
범위	Ar, BCl₃	10∼100	1.0∼3.0	100 이상	150이상	100이상

다음에, 앞서의 [표 1]과 같이 높은 클리닝 속도로 챔버 클리닝을 수행하다가, 총 퇴적물 두께의 80% 또는 90%를 클리닝한 시점에서 낮은 클리닝 속도를 갖는 클리닝 조건으로 챔버 내의 플라즈마 상태를 변경시킨다. 상기 낮은 클리닝 속도는 고유전체막의 퇴적물들에 대해 식각 속도가 낮은 상태를 의미한다. 상기 낮은 클리닝 속도, 즉 낮은 식각 속도를 얻기 위한 클리닝 조건은 다음[표 2]에 도시되어 있다.

[표 2]

공정 변수조건	가스	압력(mTorr)	RF 파워(W/cm²)	챔버 온도(℃)	식각 속도(Å/분)
공정 변수조건	가스	압력(mTorr)	RF 파워(W/cm²)	챔버 온도(℃)	Al₂O₃	HfO₂
전형적인조건	Ar, BCl₃	500	0.5	100	50	50
범위	Ar, BCl₃	100∼1000	0.1∼0.9	100 이하	50이하	30∼72

이와 같이 낮은 클리닝 속도를 갖는 조건으로 클리닝을 수행하면 선택적 보호층, 즉 지르코늄 산화막은 하기[표 3]에 도시한 바와 같이 식각되지 않는다. 하기[표 3]은 지르코늄 산화막의 식각 속도를 표시한 도표이다.

[표 3]

파워 밀도(W/cm²)	압력(mTorr)	식각 속도(Å/분)	DC 바이어스(Vdc)	RF 전압(V_RF)
0.25	500	0.3	-16	160
0.5	500	-3.8	-32	200
0.5	500	-2.5	-45	195
1.0	500	7.1	-65	193

다음에, 상기 낮은 클리닝 속도를 갖는 클리닝 조건으로 퇴적물 하부에 위치한 선택적 보호층, 즉 지르코늄산화막이 나타나기 시작하는 시점에서 인시츄 클리닝 과정을 완료한다. 상기 선택적 보호층이 나타나는 시점을 인식하는 방법은 후술하는 반도체 웨이퍼 처리 장치에서 설명한다.

구체적으로, 본 발명의 인시츄 챔버 클리닝 방법에 이용된 반도체 웨이퍼 처리 장치는 내부 공간을 구비한 챔버(1000)를 포함한다. 상기 챔버(1000)의 내부의벽면에 앞서 설명한 바와 같이 선택적 보호층 및 고유전체막의 퇴적물이 순차적으로 증착되어 있다.

상기 챔버(1000) 하부에는 웨이퍼(1100)가 놓이고 히터 블록 및 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제1 전극(1200)이 위치한다. 상기 제1 전극(1200)에 대응하여 상기 챔버(100) 상부에 가스 분배판으로 이용되면서 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제2 전극(1300)이 위치한다. 상기 제1 전극(1200) 및 제2 전극(1300)에는 RF 파워(1400)가 인가되어 챔버 내에 주입된 조절용 가스를 플라즈마화 시킬 수 있다.

상기 챔버(1000) 하부에는 앞서 설명한 바와 같이 상기 챔버(1000) 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물이 화살표 방향으로 배출되는 배기구(1500)가 설치되어 있다. 상기 배기구(1500)에는 상기 챔버(1000) 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물을 분석할 수 있는 잔류 가스 분석기(residual gas analyzer, RGA, 1600)가 설치되어 있다.

상기 잔류 가스 분석기는 낮은 클리닝 속도로 고유전체막의 퇴적물을 클리닝할 때 선택적 보호층, 즉 지르코늄 산화막이 나타나기(들어나는) 시작하는 시점을 인식할 수 있는 기능을 제공한다. 즉, 상기 잔류 가스 분석기는 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝시 상기 선택적 보호층이 드러나게끔 상기 챔버 내에서 발생하는 반응 부산물을 분석하고 이를 피드백하는 기능을 제공한다.

다시 말해, 다음의 반응식 및 원자질량 (Atomic Mass Unit)에 따라, 알루미늄 산화막 또는 하프늄 산화막과 같은 고유전체막이 인시츄 클리닝 될 때 발생하는반응 부산물의 원자질량과, 지르코늄 산화막과 같은 선택적 보호층이 클리닝 될 때에 발생하는 반응 부산물의 원자질량이 다르기 때문에 챔버(1000) 내부의 표면에 퇴적된 퇴적물의 클리닝 완료 시점을 인식을 할 수 있다. 즉 EPD(End Point Detection) 기능을 이용할 수 있다.

예컨대, 하프늄 산화막의 클리닝 반응식은 3/2 HfO₂+ 2 BCl₃→ 3/2 HfCl₄+ B₂O₃이다. 상기 잔류 가스 분석기에서 이온화된 반응 부산물들의 원자질량은 AlCl₂는 97.88 , HfCl₃은 284.84, ZrCl₃는 197.57이다. 따라서, 상기 하프늄 산화막이 인시츄 클리닝 될 때와 지르코늄 산화막이 클리닝될 때 원자질량이 상술한 바와 같이 다르기 때문에 챔버 내부의 표면에 퇴적된 퇴적물의 클리닝 완료시점을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명과 같이 인시츄 챔버 클리닝 방법 및 이를 이용하는 반도체 웨이퍼 처리 장치를 통해 얻을 수 있는 기술적 및 경제적 효과는 다음과 같다.

먼저, 기술적 효과를 살펴보면, 종래 기술에 의하면 증착 과정 중에 챔버 벽에 형성되는 알루미늄 산화막을 챔버 벽의 산화피막(알루미늄 산화막)의 피해 없이 클리닝하는 것은 불가능하다.

그러나, 본 발명에서 제시한 인시츄 챔버 클리닝 방법을 이용할 경우, 차세대 고유전막으로의 적용이 유망한 알루미늄 산화막 또는 하프늄 산화막과 같은 물질의 증착공정 진행 중에 발생하는 챔버 내부 표면의 퇴적물에 대한 인시츄 클리닝이 가능하다.

다음에, 경제적 효과를 살펴보면, 종래의 CVD 장치는 약 5000매의 웨이퍼 진행 후, 챔버를 개방하여 습식 클리닝을 실시한다. 이러한 습식 클리닝 방법은 챔버 개방하여 클리닝을 하기 때문에 클리닝 후 웨이퍼 처리가 가능한 챔버 상태로의 복원 시간이 많이 걸려 생산성이 낮게 된다. 더하여, 습식 클리닝시 챔버 개방 및 폐쇠(밀폐) 작업에 따른 각종 설비 부품류의 교체가 이루어져야 하기 때문에 설비 운용에 따른 부대 비용이 상승한다는 단점을 갖고 있다.

그러나, 본 발명은 챔버를 인시츄 클리닝하기 때문에 챔버 습식 클리닝에 의해 발생하는 생산성 저하 및 설비부품 교체 등의 문제를 해결할 수 있어 경제적이다. 더하여, 본 발명은 습식 클리닝 사이에 인시츄 챔버 클리닝을 빈번히 실시하여 습식 클리닝 주기를 늘려 경제적인 설비 운용을 가능하게 한다.

Claims

챔버 내의 표면에 선택적 보호층을 증착하는 단계;

상기 선택적 보호층이 증착된 챔버 내에 고유전체막의 퇴적물을 형성하는 단계;

상기 챔버 내에 붕화염소(BCl₃)와 불활성 가스를 함유하고 있는 조절용 가스를 주입시키는 단계;

상기 챔버 내에 주입된 조절용 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계; 및

상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 선택적 보호층이 드러날 때까지 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 고유전체막은 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 그들의 복합막인 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 선택적 보호층은 지르코늄 산화막인 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝하는 단계는, 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 상기 고유전체막의 퇴적물을 높은 클리닝 속도로 식각하는 제1 단계와, 상기 선택적 보호층이 드러날 때까지 상기 조절용 가스로 이루어진 플라즈마로 고유전체막의 퇴적물을 상기 제1 단계보다 낮은 클리닝 속도로 식각하는 제2 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝시 상기 선택적 보호층이 드러나게 하는 수단은 상기 챔버 내에서 발생하는 반응 부산물을 분석하고 이를피드백하여 수행하는 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 고유전체막의 퇴적물을 클리닝시 상기 선택적 보호층이 드러나게 하는 수단은, 고유전체막의 퇴적물이 인시츄 클리닝 될 때 발생하는 반응 부산물의 원자질량과, 상기 선택적 보호층이 클리닝 될 때에 발생하는 반응 부산물의 원자질량이 다른 것을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
제1항에 있어서, 상기 챔버 내의 표면에 선택적 보호층을 형성하기 전에 상기 챔버를 습식 클리닝하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인시츄 챔버 클리닝 방법.
내부 공간을 구비하고 내부의 벽면에 선택적 보호층 및 고유전체막의 퇴적물이 순차적으로 증착된 챔버;

상기 챔버 하부에 위치하면서 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제1 전극;

상기 제1 전극에 대응하여 상기 챔버 상부에 가스 분배판으로 이용되면서 플라즈마 발생 전극으로 이용되는 제2 전극;

상기 챔버 하부에 위치하여 상기 챔버 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물이 배출되는 배기구; 및

상기 배기구에 연결되어 설치되고 상기 챔버 내의 표면 클리닝시 발생된 반응 부산물을 분석하여 상기 선택적 보호층이 드러나는 시점을 인식할 수 있게 하는 잔류 가스 분석기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
제8항에 있어서, 상기 고유전체막은 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막 또는 그들의 복합막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
제8항에 있어서, 상기 선택적 보호층은 지르코늄 산화막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
제8항에 있어서, 상기 챔버는 CVD 챔버 또는 ALD 챔버인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.