KR20050005347A - 박막증착방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막증착방법에 관한 것으로서, 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와; 웨이퍼 로딩후 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와; 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 웨이퍼언로딩단계(S3)와; 웨이퍼언로딩 후 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와; 드라이클리닝단계(S4) 이후 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5);를 포함하며, 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼언로딩 후 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 챔버(10) 내부 표면으로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키면서 챔버(10)로 RF 에너지를 인가하여 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 드라이클리닝단계(S4-2) 이후 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스를 상기 챔버(10) 내부로 흘리면서 RF 에너지를 인가하여 선택된 가스들을 활성화시킴으로써 챔버(10) 내표면에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3), 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 화학 반응에 기초한 박막 증착 장치를 이용하는 박막 증착 방법에 관한 것으로써, 특히 반응용기 내부의 드라이클리닝단계를 포함하는 박막증착방법에 관한 것이다.
최근 반도체 업계는 반도체 칩의 생산성을 향상시키기 위하여, 웨이퍼의 대구경화, 회로선폭의 초미세화를 더욱 경쟁적으로 추구하고 있으며, 더 나아가 웨이퍼에 증착되는 박막의 우수성 뿐만 아니라 박막증착장치가 차지하는 면적인 풋 프린트(Footprint), 박막증착장치의 가격, 설비 가동률, 유지비 그리고 시간당 웨이퍼 처리 매수 등 여러가지가 종합 검토되고 있다. 상기한 측면들을 종합하여 간단히 나타내는 지표 중 하나가 바로 CoO(Cost of Ownership)이며, 상기 CoO 을 낮추는 것은 생산성을 향상시키는데 매우 중요한 요소이다.
상기한 Co0 를 낮추기 위한 중요한 기술 중 하나가 드라이클리닝기술이다. 드라이클리닝이란, 박막증착을 진행하는 과정에서 반응용기 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 기술이며, 반응용기를 열지 않고 수행하는 드라이클리닝의 효과적인 수행 여부가 CoO 비용을 줄이기 위한 중요한 지표이다. 따라서, 반도체업계에서는 보다 효과적인 드라이클리닝을 수행하기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 추세를 반영하기 위하여 안출된 것으로서, CoO를 낮출 수 있으며 통상적인 클리닝방법으로 잘 제거할 수 없었던 알루미나(Al2O3), HfO2, HfSiO4, AlHfO, ZrO2, Ta2O5박막등을 효과적으로 제거할 수 있는 드라이클리닝방법을 포함한 박막증착방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 드라이클리닝 이후 증착되는 런 웨이퍼의 박막이 클리닝가스를 형성하는 원소 성분에 의하여 오염되지 않도록, 드라이클리닝 이후 클리닝가스를 형성하는 원소 성분이 챔버 표면에 존재하지 않도록 하는 드라이클리닝방법을 포함한 박막증착방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막증착방법을 수행하는 박막증착장치의 개략적 구성도,
도 2는 도 1의 박막증착장치의 상세 구성도,
도 3은 도 1의 박막증착장치를 이용하여 수행하는 박막증착방법의 제1실시예를 플로우로 도시한 도면,
도 4는 도 3의 드라이클리닝 전후의 F/V 값을 표현한 그래프,
도 5는 도 3의 드라이클리닝 전후의 I/V 값을 표현한 그래프,
도 6은 도 1 및 도 2의 박막증착장치를 이용하여 수행하는 박막증착방법의 제2실시예를 플로우로 도시한 도면,
도 7은 본원의 박막증착방법에 의한 식각률을 비교한 비교표.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
10 ... 챔버 20 ... 웨이퍼블럭
21, 22 ... 제1,2분사홀 25, 45 ... 절연부재
30 ... 탑리드 33 ... 가스커튼홀
40 ... 샤워헤드 50 ... RF 에너지공급부
P1, P2, P3 ... 제1,2,3연결라인
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착방법의 제1실시예는,
챔버(10) 내부에 위치되어 로딩된 웨이퍼(w)를 소정온도로 가열하는 웨이퍼블럭(20), 상기 챔버(10)를 덮어 밀봉하는 탑리드(30) 및 상기 탑리드(30)의 하부에 그 탑리드(30)와 절연되게 결합된 것으로서 상기 웨이퍼(w)들로 각각 제1반응가스와 제2반응가스를 분사하는 제1,2분사홀(21)(22)들이 형성된 샤워헤드(40)를 가지는 반응용기(100)와; 상기 반응용기(100)로 RF 에너지를 인가하는 RF 에너지공급부(50);를 포함하는 박막증착장치를 이용하는 것으로서,
상기 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와; 상기 웨이퍼 로딩후 상기 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와; 상기 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 웨이퍼언로딩단계(S3)와; 상기 웨이퍼언로딩 후 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와; 상기 드라이클리닝단계(S4) 이후 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5);를 포함하며,
상기 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼언로딩 후 상기 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 상기 챔버(10) 내부 표면으로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키면서 상기 챔버(10)로 RF 에너지를 인가하여 상기 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 상기 메인드라이클리닝단계(S4-2) 이후 상기 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스를 상기 챔버(10) 내부로 흘리면서 RF 에너지를 인가하여 선택된 가스들을 활성화시킴으로써 상기 챔버(10) 내표면에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3), 상기 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 상기 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착방법의 제2실시예는,
챔버(10) 내부에 위치되어 로딩된 웨이퍼(w)를 소정온도로 가열하는 웨이퍼블럭(20), 상기 챔버(10)를 덮어 밀봉하는 탑리드(30) 및 상기 탑리드(30)의 하부에 그 탑리드(30)와 절연되게 결합된 것으로서 상기 웨이퍼(w)들로 각각 제1반응가스와 제2반응가스를 분사하는 제1,2분사홀(21)(22)들이 형성된 샤워헤드(40)를 가지는 반응용기(100)와; 상기 반응용기(100)로 RF 에너지를 인가하는 RF 에너지공급부(50);를 포함하는 박막증착장치를 이용하는 것으로서,
상기 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와; 상기 웨이퍼 로딩후 상기 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와; 상기 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 상기 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 웨이퍼언로딩단계(S3)와; 상기 웨이퍼언로딩단계(S3) 이후, 기 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시보다 낮은 임의의 온도로 하강하는 온도하강단계(S3.5)와; 상기 온도하강단계(S3.5) 이후 상기 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와; 상기 드라이클리닝단계(S4) 이후 상기 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지하면서 상기 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시의 온도로 상승시키는 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)와; 상기 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5) 이후 본격적인 박막증착환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5)를 포함하며,
상기 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼 언로딩 후 상기 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 상기 챔버(10) 내부 표면으로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키면서 상기 챔버(10)로 RF 에너지를 인가하여 상기 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 상기 메인드라이클리닝단계(S4-2) 이후 상기 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된적어도 하나 이상의 가스를 상기 챔버(10) 내부로 흘리면서 RF 에너지를 인가하여 선택된 가스들을 활성화시킴으로써 상기 챔버(10) 내표면에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3), 상기 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 상기 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 박막증착방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막증착방법을 수행하는 박막증착장치의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1의 박막증착장치의 상세 구성도이다.
도시된 바와 같이, 박막증착장치는, 챔버(10) 내부에 위치되어 로딩된 웨이퍼(w)를 소정온도로 가열하는 웨이퍼블럭(20)과, 챔버(10)를 덮어 밀봉하는 탑리드(30)와, 탑리드(30)의 하부에 그 탑리드(30)와 절연되게 결합된 것으로서 웨이퍼(w) 상으로 제1반응가스와 제2반응가스를 각각 분사하는 샤워헤드(40)를 포함하는 반응용기(100)를 가진다. 이때, 샤워헤드의 저면에는 웨이퍼(w)와 평행한 분사면이 형성되어 있으며, 그 분사면에는 상기한 제1반응가스와 제2반응가스를 분사하기 위한 다수개의 제1,2분사홀(21)(22)들이 상호 만나지 않게 형성되어 있다. 여기서, 샤워헤드(40)는 절연부재(45)에 의하여 탑리드(30)와 절연되어 있고, 웨이퍼블럭(20)도 절연부재(25)에 의하여 챔버(10)와 절연되어 있다. 이때, 웨이퍼블럭(20)은 접지된 세라믹히터나 메탈히터일 일수도 있다. 그리고, 반응용기중 샤워헤드(40)에는 RF 에너지를 인가하는 RF 에너지공급부(50)가 연결되어 있다.
탑리드(30)에는 웨이퍼블럭(20)의 외주측, 즉 반응용기(100) 내측벽으로 제3연결라인(P3)을 통하여 유입되는 불활성가스를 분사하여 불활성 가스커튼을 형성하는 다수의 가스커튼홀(33)이 형성되어 있다. 이 가스커튼홀(33)로는 드라이클리닝시, 클리닝가스가 분사될 수도 있다. 본 실시예에서, 가스커튼홀(33)을 탑리드(30)에 형성되었으나 이는 일 실시예에 불과하고, 샤워헤드(40)의 측부에 형성될 수도 있다.
샤워헤드(40)의 바닥에는 제1연결라인(P1)과 제2연결라인(P2)을 통하여 교호적으로 유입되는 제1,2반응가스를 웨이퍼블럭(20)의 상부로 분사하는 다수개의 제1,2분사홀(21)(22)이 형성되어 있다. 이러한 제1,2분사홀(21)(22)은 샤워헤드(40) 내부에서 만나지 않도록 되어 있다.
이러한 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 제1실시예를 설명하면 다음과 같다.
본원은 본 출원인이 출원한 한국출원 2003-0015718 에서 언급되지 않았던 서브드라이클리닝단계를 보강시킨 것이다. 즉, 본원은 드라이클리닝을 통하여 샤워헤드 하부면 및 웨이퍼블럭 상부면등에 퇴적된 박막을 깨끗이 제거하더라도, 드라이클리닝 가스에 포함된 원소 성분이 챔버표면에 침투하고 있다가 다음 런 웨이퍼에 침투해 들어가서 소자의 특성에 이상을 줄 가능성을 충분히 배제시키기 위한 기술이다. 그리고, 통상적인 클리닝방법으로 잘 제거할 수 없었던 Al2O3, HfO2, HfSiO4, AlHfO, ZrO2, Ta2O5박막등을 효과적으로 제거할 수 있는 기술인 것이다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 도 1의 박막증착장치를 이용하여 수행하는 박막증착방법의 제1실시예를 플로우로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 드라이클리닝 전후의 F/V 값을 표현한 그래프이며, 도 5는 도 3의 드라이클리닝 전후의 I/V 값을 표현한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본원의 박막증착방법의 제1실시예는, 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와, 웨이퍼로딩 후 웨이퍼(w) 상에 박막, 엄밀하게는 ALD 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와, 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하여 외부로 이송시키는 웨이퍼언로딩단계(S3)와, 웨이퍼 언로딩 후 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와, 드라이클리닝단계(S4) 이후 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5)를 포함한다. 이때, 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼 언로딩 후 웨이퍼블럭(20)상에 더미(Dummy) 웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 메인드라이클링닝단계(S4-2) 이후에 챔버(10) 내부 표면에 존재하는 클리닝가스의 원소성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3)와, 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하여 외부로 이송시키는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)와, 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)에서 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4) 사이의 순차적인 단계를 적어도 1 회 이상 수행하되 새로운 더미웨이퍼를 이용하여 수행하는 반복단계(S4-5)로 구성된다.
웨이퍼로딩단계(S1), 박막증착단계(S2), 웨이퍼언로딩단계(S3)는 웨이퍼(W)상에 박막을 증착하는 단계로서, 특히 박막증착단계(S2)에서 제1,2분사홀(21)(22)을 통하여 제1반응가스와 제2반응가스가 웨이퍼블럭(20) 상의 웨이퍼(w)로 교호적으로 분사되면서 웨이퍼(w)상에 ALD 박막이 증착된다.
박막이 증착된 최종 웨이퍼는 본격적인 드라이클리닝단계가 수행되기 바로 직전에 웨이퍼블럭(20)으로부터 언로딩되어 반응용기(100) 외부로 빠져나간다.
한편, 박막증착이 진행되는 동안에, 탑리드(30) 또는 샤워헤드(40)의 측부에 형성된 가스커튼홀(33)을 통하여 반응용기(100) 내측벽으로 불활성가스를 분사하여 가스커튼을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 제1,2반응가스가 반응용기(100) 내측벽에 접촉되는 것을 줄임으로써 그 반응용기(100) 내측벽에 박막이 증착되는 것을 최소화한다.
상기한 단계를 통하여 웨이퍼(W)상에 Al203, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5등과 같은 단일산화막 또는 복합산화막이 형성된다.
상기한 일련의 단계 이후에, 챔버(10) 내부를 클리닝하기 위한 드라이클리닝단계(S4)를 수행한다. 드라이클리닝단계 중 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)는 본격적인 클리닝을 하기 위한 예비 단계로서, 이 단계에서는 웨이퍼블럭(20) 상에 더미웨이퍼를 로딩시킨다.
드라이클리닝은 반응용기(100) 내에 플라즈마를 형성할 경우, 그 플라즈마에 의하여 활성화된 클리닝가스가 챔버(10) 내부에 충돌하면서 이루어지며, 이 과정에서 웨이퍼블럭(20) 표면이 손상될 수 있다. 더 나아가 샤워헤드(40)로부터 분리된박막 파티클이 웨이퍼블럭(20) 표면에 재증착될 수 있다.
더미웨이퍼로딩단계(S4-1)는 상기한 바와 같이, 드라이클리닝 도중에 웨이퍼블럭(20)의 손상을 최소화하고 클리닝된 박막이 웨이퍼블럭 표면상에 재증착되는 경우를 대비한 것이다.
메인드라이클리닝단계(S4-2)는, 챔버(10) 내부로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키고, 그 챔버(10) 내부, 엄밀하게는 샤워헤드(40)에 RF 에너지를 인가하여 플라즈마를 형성함으로써, 플라즈마에 의하여 활성화된 클리닝가스를 이용하여 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 제거하는 단계이다. 활성화된 클리닝가스입자는 챔버(10) 내표면에 충돌하면서 샤워헤드(40)나 웨이퍼블럭(20) 상에 퇴적된 박막을 분리시킨다. 이때, 사용되는 RF 에너지는 일예로 13.56MHz 의 전원을 사용하며, RF 에너지는 0.2KW 이상 5KW 이하인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 Al2O3막을 클리닝하기 위하여 1.5 KW를 사용한다.
한편, 챔버 내부에 Al203, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5박막이 퇴적될 경우에는 일반적인 열적 드라이클리닝 방법으로 잘 클리닝되지 않는다. 이러한 박막을 클리닝하기 위하여, 본 실시예에서 클리닝가스로 BCl3가스 또는 희석가스(dilution gas)와 혼합된 BCl3가스를 사용한다. 이때의 희석가스는 Ar, He 과 같은 불활성가스이거나 N2등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용한다.
서브드라이클리닝단계(S4-3)는, 메인드라이클리닝단계(S4-2) 이후 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스를 챔버(10) 내부로 흘리고 RF 에너지를 인가하여 플라즈마를 형성하는 단계이다. 형성된 플라즈마는 선택된 가스들을 활성화시키고 그 활성화된 가스들은 챔버(10) 내표면(샤워헤드 및 웨이퍼블럭등)에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 클리닝한다.
이러한 서브드라이클리닝단계(S4-3)에 있어, 설정되는 조건적인 특징은 드라이클리닝가스의 유입배제와, 챔버(10)로 흘리는 불활성가스의 구성 및 유량선택이다. 즉, 챔버(10)로 유입되는 클리닝가스는 Ar 이 배제한 혼합가스이거나, Ar 이 포함될 경우에는 (X+Ar)의 혼합가스가 유입된다. 여기서, X 가 H 또는 N 원소를 포함한 단일 내지는 혼합가스일 때, X/Ar 의 값이 적어도 1 이상이 되도록 유량비를 설정하도록 한다. 이러한 서브드라이클리닝단계에서, 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.1 KW 이상 4 KW 이하이다.
클리닝가스로 Ar 만을 독립적으로 유입시키지 않는 이유는, Ar 만을 흘릴 경우 구체적인 조건에 따라 정도의 차이가 있으나 대략 분당 100 ℃ 씩 웨이퍼블럭(20)의 온도가 상승하기 때문이다. 즉, 웨이퍼블럭(20)의 온도가 300 ℃ 인 상태에서 Ar 만으로 서브드라이클리닝단계(S4-3)를 수행하면, 1.5 KW 정도만 인가하여도 3 분이면 600 ℃ 가까이 웨이퍼블럭(20)의 온도가 상승하고, 또 상승하는 웨이퍼블럭(20)의 온도에 기인하여 챔버(10) 내벽이나 탑리드(30)의 온도상승이 유발되기 때문이다. 이와 같이, 급격한 챔버(10)의 온도상승을 막기 위하여, Ar을 단독으로 사용하는 것은 배재하는 것이 바람직하다.
더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)는 메인드라이클리닝단계(S4-2)에서 서브드라이클리닝단계(S4-3)까지 진행되는 과정에서, 웨이퍼블럭(20)을 보호하기 위하여 안착시켰던 웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩시켜 외부로 이송시키는 단계이다.
반복단계(S4-5)는, 만족할 만큼의 클리닝이 이루어질 수 있도록 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)에서 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4) 사이의 순차적인 단계를 적어도 2 회 이상 수행하는 단계이다. 각각의 반복단계(S4-5)를 수행함에 있어서 충분한 퍼지가 되어야 하며, 각각의 단계는 새로운 더미웨이퍼로 바꾸면서 수행하여야 한다.
상기한 드라이클리닝단계(S4)를 수행한 이후에 챔버시즈닝단계(S5)를 수행한다. 챔버시즈닝단계(S5)는, 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 예비단계로서, 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지시키는 챔버퍼지단계와, 클리닝부산물로 챔버(10) 내표면에 남아있는 파티클을 그 챔버(10) 내표면에 고착시키는 프리코팅단계와, 더미웨이퍼를 이용하여 박막을 증착하는 서브박막증착단계로 이루어진다.
챔버퍼지단계는 드라이클리닝이후에도 챔버(10) 내부에 존재하는 파티클을 챔버 외부로 배출하기 위한 단계이다.
프리코팅단계는 챔버퍼지단계 이후 샤워헤드(40)나 웨이퍼블럭(20) 표면에서 남아있을 수 있는 파티클을 단단히 고착시키는 단계로서, 더미웨이퍼가 없는 상태에서 샤워헤드(40)를 통하여 제1,2반응가스를 챔버(10) 내부로 분사함으로써 수행한다. 이러한 프리코팅은 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 속도보다 빠르게 수행되도록 하며, 이를 위하여 제1,2반응가스의 퍼지 시간을 짧게 하거나, 아니면 CVD 방식처럼 제1,2반응가스를 동시에 반응용기(100) 내부로 분사하여 이루어지게 한다.
서브박막증착단계는, 프리코팅단계 이후에, 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩시켜 본격적인 박막증착단계를 수행하는 것처럼 제1,2반응가스를 챔버(10) 내부로 분사함으로써 수행된다. 서브박막증착단계를 통하여, 특히 샤워헤드(40)에 박막이 포화되게 증착되도록 하여 나중에 웨이퍼상의 박막을 증착할 때 증착속도가 빠르게 회복되도록 한다.
챔버시즈닝단계(S5) 이후, 전기적 특성 측정을 위하여 패턴웨이퍼에 Al2O3박막 증착을 실행하였으며, 이때의 Al2O3박막은 68 싸이클에 걸쳐 증착되었다. Al2O3박막이 증착된 패턴웨이퍼의 커패시터의 V(Voltage) 변화에 따른 커패시턴스(F) 변화, 즉, F-V 커브가 도 4에 도시되어 있고, V 변화에 따른 누설전류 변화, 즉, I-V 커브가 도 5에 도시되어 있다. 여기서, (◆pre) 커브는 드라이클리닝 전에 진행된 패턴웨이퍼의 전기적 특성 평가에 대한 커브이며 (■post )커브는 드라이클리닝 실시 후에 진행된 패턴웨이퍼의 전기적 특성 평가에 대한 커브이다.
Al2O3박막증착을 15,000 싸이클 수행한 후, 총 4분 40초동안 메인드라이클리닝 및 서브드라이클리닝을 실시하였다. 그리고, 도 4 및 도 5 를 참조하였을 때, 모두에 있어서 드라이클리닝 실시전보다 실시후에 전기적 특성이 저하된 징후가 보이지 않는다. 즉, 본원 발명은 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 깨끗이 제거할 뿐만 아니라, 클리닝가스에 포함된 원소에 의한 웨이퍼의 전기적 특성 저하와 같은 현상도 야기시키지 않음을 확인하였다. 예를 들어, BCl3가스를 이용하여 드라이클리닝할 경우에도 패턴웨이퍼에 B 나 Cl 원소 오염이 되지 않았다.
다음, 상기한 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 제2실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 1 및 도 2의 박막증착장치를 이용하여 수행하는 박막증착방법의 제2실시예를 플로우로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본원의 박막증착방법의 제2실시예는, 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와, 웨이퍼로딩 후 웨이퍼(w) 상에 박막, 일예로 ALD 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와, 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하여 외부로 이송시키는 웨이퍼언로딩단계(S3)와, 웨이퍼언로딩단계(S3) 이후 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시보다 낮은 임의의 온도로 하강하는 온도하강단계(S3.5)와, 온도하강단계(S3.5) 이후 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와, 드라이클리닝단계(S4) 이후 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지하면서 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시의 온도로 상승시키는 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)와, 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5) 이후 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5)를 포함한다.
제2실시예가 제1실시예와 다른 점은, 웨이퍼언로딩단계(S3) 이후 온도하강단계(S3.5)를 수행하고, 온도하강단계(S3.5) 이후 드라이클리닝단계(S4)를 수행하며, 드라이클리닝단계(S4) 이후 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)를 수행하고, 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5) 이후 챔버시즈닝단계(S5)를 수행하는 것이다.
여기서, 웨이퍼로딩단계(S1), 박막증착단계(S2), 웨이퍼언로딩단계(S3)를 통하여 웨이퍼(w)상에 ALD 박막이 증착되고, 드라이클리닝단계(S4)를 통하여 챔버(10) 내부를 클리닝하며, 챔버시즈닝단계(S5)를 통하여 본격적인 박막증착단계를 준비한다. 이때, 웨이퍼상에 증착되는 박막은 Al2O3, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5중 어느 하나이다. 이러한 단계들은 실질적으로 제1실시예와 거의 유사하기 때문에 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
드라이클리닝단계(S4)는, 온도하강단계(S3.5) 이후 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 메인드라이클링닝단계(S4-2) 이후에 챔버(10) 내부 표면에 존재하는 클리닝가스의 원소성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3)와, 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하여 외부로 이송시키는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)와, 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)에서 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4) 사이의 순차적인 단계를 적어도 1 회 이상 수행하되 새로운 더미웨이퍼를 이용하여 수행하는 반복단계(S4-5)로 구성된다.
메인드라이클리닝단계(S4-2)에 있어, 클리닝 가스는 BCl3또는 희석(dilution) 가스와 혼합된 BCl3가스이며, 희석가스는 Ar, He 와 같은 불활성가스나 N2를 단독으로 혹은 혼합하여 사용하고, 챔버(10), 엄밀하게는 샤워헤드(40)에인가되는 RF 에너지는 0.2KW 이상 5KW 이하로 한다.
서브드라이클리닝단계(S4-3)에 있어서, 유입되는 클리닝가스는 Ar을 배제한 혼합가스이거나, Ar을 포함시킬 경우는 유입되는 혼합 가스는 (X+Ar)이 된다. 여기서 X 가 H 또는 N 원소를 포함한 단일 내지는 혼합가스일 때, X/Ar 의 값이 적어도 1 이상이 되도록 유량비를 설정하도록 한다. 이때, 챔버(10), 엄밀하게는 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.1KW 이상 4KW 이하가 되도록 한다.
챔버시즈닝단계(S5)는, 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지시키는 챔버퍼지단계와, 클리닝부산물로 챔버(10) 내표면에 남아있는 파티클을 그 챔버(10) 내표면에 고착시키는 프리코팅단계와, 더미웨이퍼를 이용하여 박막을 증착하는 서브박막증착단계로 이루어진다.
제2실시예의 기본개념은 제1실시예와 같으며, 제1실시예에 웨이퍼블럭(20)의 온도 하강 및 상승 개념이 추가된 것이다.
드라이클리닝이 아닌 종래의 웨트(wet)클리닝을 이용하여, 도 1 및 도 2의 박막증착장치를 이용하여 웨이퍼에 Al2O3박막을 48Å 증착한 것을 기준으로 하였을 때, 한번의 웨트클리닝주기동안 약 9000~10000 매의 웨이퍼를 증착할 수 있으며, 제반 기술의 발달로 웨트클리닝 주기는 더 길어지고 있다. 따라서, 드라이클리닝은 CoO 관점에 의거하여 더 빠른 클리닝 식각 속도를 가져야 하며, 깨끗이 클리닝되더라도 기존의 웨트클리닝 주기보다도 드라이클리닝 주기가 훨씬 짧을 경우 CoO 관점에서 즉, 비용측면에서 장점이 없어지게 된다. 따라서, 더 빠른 클리닝 식각 속도를 가져야 하며 이를 위하여 웨이퍼블럭(20) 및 샤워헤드(40)의 온도상승에 어느 정도 여유를 갖도록 하는 드라이클리닝 조건설정이 필요하게 된다. 따라서 제2실시예에서는 웨이퍼블럭의 온도를 하강 또는 상승시키는 온도하강단계(S3.5) 및 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)를 더 포함하는 것이다.
즉, 웨이퍼블럭(20)의 온도를 하강시킨 다음 더미웨이퍼를 로딩하여 제1실시예에서와 마찬가지로 일련의 플라즈마 드라이클리닝 과정을 거치고, 원하는 클리닝 수준이 얻어질 때까지 새로운 더미웨이퍼를 로딩해 가면서 상기 단계를 반복하고, 클리닝이 완료되면 웨이퍼블럭(20)의 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)를 실시하는 것이다. 이때, 온도를 상승시키면서 챔버(10)를 퍼지하는 것은 드라이클리닝으로 발생한 챔버(10) 내의 표면에 고착되어 있는 미세한 파티클들을 퍼지해 내기 위함이다. 온도상승이 완료되고 나면 앞서 제1실시예에서와 마찬가지로 챔버시즈닝단계(S5)를 실시하고 다시 새로운 런 웨이퍼 진행을 재개하면 된다.
도 7은 본원의 박막증착방법에 의한 식각률을 비교한 비교표이다. 이때의 조건은 챔버 내부의 압력을 183mTorr로 유지하고, BCl3를 70sccm 그리고 Ar을 30sccm 정도 챔버 내부로 유입시키고, 인가되는 플라즈마 전원은 1.5Kw 로 하였다. 도시된 바와 같이, 상기한 제1,2실시예는 Al2O3박막의 클리닝에만 국한되지 않는다. 기존의 플라즈마 도움없는 열적드라이클리닝 방법으로 잘 클리닝되지 않는 박막, 즉, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5모두에 적용된다.
동일한 웨이퍼온도(450 ℃)일 때 Al2O3는 웨이퍼상에서 416Å/min의 Al2O3식각률이 나온다. 그러나, HfO2및 HfSiO4박막의 경우, 각각 900Å/min, 550Å/min의 식각 속도를 얻었는데 마찬가지로 이에 상응하여 상기 박막의 샤워헤드에서의 식각속도 또한 Al2O3보다 훨씬 클 것임을 알수있다. 기존에 업계에 제시되어 있는 자료에 의거하면 플라즈마 드라이 에칭 효율이 HfO2, Al2O3, ZrO2순으로 나와있는데 당사가 테스트 한 데이터도 기존 데이터에 부합됨 을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막증착방법에 따르면, 드라이클리닝 이후 증착되는 런 웨이퍼의 박막이 클리닝가스를 형성하는 원소성분에 의하여 오염되는 것을 최소화하여 런의 수율이나 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
더 나아가 본 발명에 따르면, CoO 를 낮출 수 있으며 종래의 클리닝방법으로 방법으로 잘 제거할 수 없었던 Al2O3, HfO2, HfSiO4, AlHfO, ZrO2, Ta2O5박막등을 반응용기를 열지 않고도 클리닝하여 제거할 수 있다는 효과가 있다.}
Claims (16)
- 챔버(10) 내부에 위치되어 로딩된 웨이퍼(w)를 소정온도로 가열하는 웨이퍼블럭(20), 상기 챔버(10)를 덮어 밀봉하는 탑리드(30) 및 상기 탑리드(30)의 하부에 그 탑리드(30)와 절연되게 결합된 것으로서 상기 웨이퍼(w)들로 각각 제1반응가스와 제2반응가스를 분사하는 제1,2분사홀(21)(22)들이 형성된 샤워헤드(40)를 가지는 반응용기(100)와; 상기 반응용기(100)로 RF 에너지를 인가하는 RF 에너지공급부(50);를 포함하는 박막증착장치를 이용하는 것으로서,상기 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와; 상기 웨이퍼 로딩후 상기 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와; 상기 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 웨이퍼언로딩단계(S3)와; 상기 웨이퍼언로딩 후 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와; 상기 드라이클리닝단계(S4) 이후 본격적인 박막증착 환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5);를 포함하며,상기 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼언로딩 후 상기 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 상기 챔버(10) 내부 표면으로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키면서 상기 챔버(10)로 RF 에너지를 인가하여 상기 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 상기 드라이클리닝단계(S4-2) 이후 상기 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스를 상기 챔버(10) 내부로 흘리면서 RF 에너지를 인가하여 선택된 가스들을 활성화시킴으로써 상기 챔버(10) 내표면에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3), 상기 서브드라이클리닝단계(S4-3)이후 상기 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제1항에 있어서, 상기 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)에서 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4) 사이의 순차적인 단계를 적어도 1회 이상 수행하되, 새로운 더미웨이퍼를 이용하여 수행하는 반복단계(S4-5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제1항에 있어서,상기 웨이퍼상에 증착되는 박막은 Al203, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제1항에 있어서,상기 메인드라이클리닝단계(S4-2)에 있어, 상기 클리닝 가스는 BCl3또는 희석(dilution) 가스와 혼합된 BCl3가스이며, 상기 희석가스는 Ar, He 와 같은 불활성가스나 N2를 단독으로 혹은 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제4항에 있어서,상기 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.2KW 이상 5KW 이하인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제1항에 있어서,상기 서브드라이클리닝단계(S4-3)에 있어서, 유입되는 클리닝가스는 Ar을 배제한 혼합가스이거나, Ar을 포함시킬 경우는 유입되는 혼합 가스는 (X+Ar)이 되며, 여기서 X 가 H 또는 N 원소를 포함한 단일 내지는 혼합가스일 때, X/Ar 의 값이 적어도 1 이상이 되도록 유량비를 설정하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제6항에 있어서,상기 서브드라이클리닝단계에 있어서, 상기 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.1KW 이상 4KW 이하인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제1항에 있어서,상기 챔버시즈닝단계(S5)는, 상기 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지시키는 챔버퍼지단계와, 클리닝부산물로 챔버(10) 내표면에 남아있는 파티클을 그 챔버(10) 내표면에 고착시키는 프리코팅단계와, 더미웨이퍼를 이용하여 박막을 증착하는 서브박막증착단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 챔버(10) 내부에 위치되어 로딩된 웨이퍼(w)를 소정온도로 가열하는 웨이퍼블럭(20), 상기 챔버(10)를 덮어 밀봉하는 탑리드(30) 및 상기 탑리드(30)의 하부에 그 탑리드(30)와 절연되게 결합된 것으로서 상기 웨이퍼(w)들로 각각 제1반응가스와 제2반응가스를 분사하는 제1,2분사홀(21)(22)들이 형성된 샤워헤드(40)를 가지는 반응용기(100)와; 상기 반응용기(100)로 RF 에너지를 인가하는 RF 에너지공급부(50);를 포함하는 박막증착장치를 이용하는 것으로서,상기 웨이퍼블럭(20) 상에 웨이퍼(w)를 로딩하는 웨이퍼로딩단계(S1)와; 상기 웨이퍼 로딩후 상기 웨이퍼(w) 상에 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)와; 상기 박막이 증착된 웨이퍼(w)를 상기 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 웨이퍼언로딩단계(S3)와; 상기 웨이퍼언로딩단계(S3) 이후, 상기 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시보다 낮은 임의의 온도로 하강하는 온도하강단계(S3.5)와; 상기 온도하강단계(S3.5) 이후 상기 챔버(10) 내부에 퇴적된 박막을 제거하는 드라이클리닝단계(S4)와; 상기 드라이클리닝단계(S4) 이후 상기 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지하면서 상기 웨이퍼블럭(20)의 온도를 박막증착시의 온도로 상승시키는 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5)와; 상기 온도상승 및 챔버퍼지단계(S4.5) 이후 본격적인 박막증착환경을 조성하기 위한 챔버시즈닝단계(S5)를 포함하며,상기 드라이클리닝단계(S4)는, 웨이퍼언로딩 후 상기 웨이퍼블럭(20)상에 더미웨이퍼를 로딩하는 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)와, 상기 챔버(10) 내부로 불활성가스 및 클리닝가스를 유입시키면서 상기 챔버(10)로 RF 에너지를 인가하여 상기 챔버(10) 내부 표면에 퇴적된 박막을 드라이클리닝하여 제거하는 메인드라이클리닝단계(S4-2)와, 상기 메인드라이클리닝단계(S4-2) 이후 상기 챔버(10)로의 클리닝가스의 유입을 배제시킨 상태에서 H2, NH3, Ar, N2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스를 상기 챔버(10) 내부로 흘리면서 RF 에너지를 인가하여 선택된 가스들을 활성화시킴으로써 상기 챔버(10) 내표면에 존재하는 클리닝가스 원소 성분을 제거하는 서브드라이클리닝단계(S4-3), 상기 서브드라이클리닝단계(S4-3) 이후 상기 더미웨이퍼를 웨이퍼블럭(20)에서 언로딩하는 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제9항에 있어서, 상기 더미웨이퍼로딩단계(S4-1)에서 더미웨이퍼언로딩단계(S4-4) 사이의 순차적인 단계를 적어도 1회 이상 수행하되, 새로운 더미웨이퍼를 이용하여 수행하는 반복단계(S4-5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제9항에 있어서,상기 웨이퍼상에 증착되는 박막은 Al203, HfO2, HfSiO4, ZrO2, AlHfO, Ta2O5중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제9항에 있어서,상기 메인드라이클리닝단계(S4-2)에 있어, 상기 클리닝 가스는 BCl3또는 희석(dilution) 가스와 혼합된 BCl3가스이며, 상기 희석가스는 Ar, He 와 같은 불활성가스나 N2를 단독으로 혹은 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제12항에 있어서,상기 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.2KW 이상 5KW 이하인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제9항에 있어서,상기 서브드라이클리닝단계(S4-3)에 있어서, 유입되는 클리닝가스는 Ar을 배제한 혼합가스이거나, Ar을 포함시킬 경우는 유입되는 혼합 가스는 (X+Ar)이 되며, 여기서 X 가 H 또는 N 원소를 포함한 단일 내지는 혼합가스일 때, X/Ar 의 값이 적어도 1 이상이 되도록 유량비를 설정하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제14항에 있어서,상기 서브드라이클리닝단계(S4-3)에 있어서, 상기 샤워헤드(40)에 인가되는 RF 에너지는 0.1KW 이상 4KW 이하인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제9항에 있어서,상기 챔버시즈닝단계(S5)는, 상기 챔버(10) 내부를 불활성가스로 퍼지시키는 챔버퍼지단계와, 클리닝부산물로 챔버(10) 내표면에 남아있는 파티클을 그챔버(10) 내표면에 고착시키는 프리코팅단계와, 더미웨이퍼를 이용하여 박막을 증착하는 서브박막증착단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
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