KR20050094546A - 반도체 제조 공정에서 부산물 감소 또는 제거 방법 및반도체 제조 장비 - Google Patents

반도체 제조 공정에서 부산물 감소 또는 제거 방법 및반도체 제조 장비 Download PDF

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Abstract

부산물 감소 또는 제거 방법을 제공한다. 이 방법에 의하면, 반응 챔버; 상기 반응 챔버로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관; 상기 반응 챔버에서 나오는 배기가스가 배출되며 상기 반응 챔버와 연결되는 배기관; 상기 배기관에 연결되며 배기가스를 정화하는 플라즈마 트랩; 상기 플라즈마 트랩과 연결되며 배기가스를 배출하는 펌프; 및 상기 반응 가스 공급관 및 상기 배기관 중 적어도 어느 하나에 연결된 수소 공급관을 구비하는 반도체 제조 장비를 이용하는 금속 질화막 형성 공정에 있어서, 수소를 공급하여 부산물을 감소시키거나 또는 제거한다.

Description

반도체 제조 공정에서 부산물 감소 또는 제거 방법 및 반도체 제조 장비{Method of decreasing or remvoing by-product in a process of fabricating semiconductor devices and semiconductor fabrication equipment}
본 발명은 반도체 제조 방법 및 반도체 제조 장비에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 반도체 제조 공정 중 발생하는 부산물을 감소시키거나 제거할 수 있는 방법 및 반도체 제조 장비에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중에서 발생하는 부산물을 감소시키거나 제거하는 것은 공정 효율 및 비용 면에서 매우 중요하다. 예를 들면, 금속 질화막 형성 공정에서 NH4X 계열의 부산물들이 발생한다. 여기서 X는 불소, 염소, 브롬 및 요오드와 같은 할로겐 원소를 의미한다. 상기 NH4X 계열의 부산물들은 배기관 및 펌프의 내부에 증착되고 계속 쌓일 경우 펌프가 제 기능을 못할 수도 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해 냉각 트랩이나 플라즈마 트랩과 같은 부산물을 제거해줄 수 있는 부대설비를 이용하고 있으나 그 효과가 미미한 실정이다. 다른 방법으로 반응 가스를 공급할 때 퍼지 시간을 늘려서 서로 다른 선구 물질들이 배기관 내부에서 만나 화학적인 반응을 하지 못하도록 하는 방법이 있다. 그러나 이 경우, 스루풋이 매우 감소하는 경향을 나타낸다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 기술적 과제는 반도체 제조 공정에서 부산물을 감소시키거나 제거할 수 있는 방법 및 반도체 제조 장비를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 부산물 감소 또는 제거 방법은 수소를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 반도체 제조 장비는 수소 공급관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 제조 장비는 반응 챔버; 상기 반응 챔버로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관; 상기 반응 챔버에서 나오는 배기가스가 배출되며 상기 반응 챔버와 연결되는 배기관; 상기 배기관에 연결되며 배기가스를 정화하는 플라즈마 트랩; 상기 플라즈마 트랩과 연결되며 배기가스를 배출하는 펌프; 및 상기 반응 가스 공급관 및 상기 배기관 중 적어도 어느 하나에 연결된 수소 공급관을 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르는 상기 부산물 감소 또는 제거 방법은 상기 반도체 제조 장비를 이용하는 금속 질화막 형성 공정에 적용될 수 있다. 여기서 구체적으로, 상기 반응 가스는 불화텅스텐(WF6)과 암모니아(NH3)를 포함하며, 상기 수소는 상기 반응가스 공급관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 반응 챔버로 공급될 수 있다. 상기 반응 가스와 상기 수소가 공급되는 적어도 1 주기(cycle)의 순서는, 상기 반응챔버로 불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하는 단계; 상기 불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고, 상기 반응챔버로 암모니아(NH3)를 공급하는 단계; 및 상기 암모니아(NH3)의 공급을 중단하고, 상기 반응챔버로 수소를 공급하는 단계를 구비한다. 상기 반응 가스와 상기 수소가 공급되는 순서는, 상기 반응 챔버로 암모니아(NH3)를 공급하기 전에, 상기 반응가스 공급관을 통하여 상기 반응 챔버로 수소를 공급하는 단계를 더 구비할 수 있다.
종래 기술의 문제점인 NH4X 계열의 부산물, 특히 X가 불소인 경우인 부산물 NH4F는 상기 반응 가스가 불화텅스텐(WF6)과 암모니아(NH3)를 포함할 경우 불화텅스텐과 암모니아가 반응하여 형성될 수 있다. 그러나 상기 실시예에서 상기 반응 챔버로 수소를 공급하여 불화텅스텐 가스와 암모니아의 분압을 낮추어 반응이 일어날 확률을 줄여 부산물 NH4F의 생성을 감소시킬 수 있다. 상기 반응 가스가 불화텅스텐(WF6)과 암모니아(NH3)를 포함할 경우 형성되는 상기 금속 질화막은 텅스텐질화막일 수 있다.
상기 실시예에서 상기 반응 가스는 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 1주기의 순서는, 상기 불화텅스텐 가스를 공급하기 전에, 상기 반응 챔버로 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 공급하는 단계를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 배기관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 플라즈마트랩으로 상기 수소가 연속적으로 공급된다. 이때 상기 플라즈마트랩에서 상기 형성된 부산물 NH4F이 라디칼 형태의 암모니아와 불소로 분해되고 상기 플라즈마 트랩으로 공급된 수소 또한 역시 라디칼 형태로 분해된다. 그리고 라디칼 형태의 수소와 불소가 만나 불산이 되고 이는 펌프에 의해 배출된다. 따라서 수소를 공급함으로써, 플라즈마 트랩에서 라디칼 형태의 암모니아와 불소가 만나 부산물 NH4F가 재형성되는 것을 막음으로써 부산물 NH4F를 제거할 수 있다.
상기 수소는 상기 반응가스 공급관에 연결된 수소 공급관으로 상기 적어도 1주기의 순서를 따라 공급되는 동시에 상기 배기관에 연결된 수소 공급관으로 연속적으로 공급될 수 있다.
다른 방법으로는 상기 반응가스 공급관을 통하여 상기 반응 챔버로 상기 반응 가스들만이 공급되며 상기 수소는 상기 배기관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 플라즈마 트랩으로 연속적으로 공급될 수 있다. 이때, 상기 반응 가스들은 디보레인(B2H6) 및 모노실레인(SiH4) 중에 선택되는 어느 하나의 가스와 불화텅스텐(WF6) 및 암모니아(NH3)를 포함할 수 있으며, 상기 반응 가스가 상기 반응 챔버로 공급되는 적어도 1주기의 순서는, 상기 반응 챔버로 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 공급하는 단계; 상기 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH 4)의 공급을 중단하고 상기 반응챔버로 불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하는 단계; 및 상기 불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고 상기 반응챔버로 암모니아(NH3)를 공급하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 제조 장비를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 반응챔버(100)에 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급관(10)이 연결되어 있다. 상기 반응 챔버(100)로부터 나오는 배기가스는 배기관(20)을 통하여 플라즈마 트랩(200)과 펌프(300)를 거쳐 밖으로 배출된다. 상기 플라즈마 트랩(200)과 상기 펌프(300) 사이 또는 상기 반응 챔버(100)과 상기 플라즈마 트랩(200) 사이에 냉각 트랩이 더 배치될 수 있다. 본 발명에 의한 상기 반도체 제조 장비는 상기 반응가스 공급관(10)과 상기 배기관(20)에 각각 수소가 공급되는 수소 공급관(11, 22)들이 연결되어 있다.
상기 반응 챔버(100)는 금속 질화막 증착 장비로서 바람직하게는 텅스텐 질화막 증착 장비이다. 따라서 상기 반응 챔버(100)로 공급되는 반응 가스는 바람직하게는 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4) 및 불화텅스텐(WF6 )과 암모니아(NH3)를 포함한다. 캐리어 가스로는 불활성 기체인 아르곤이 사용된다. 상기 반응 챔버(100)에서 상기 텅스텐 질화막은 바람직하게는 ALD(Atomic layer deposition), SFD(Sequential flow deposition) 또는 PNL(Pulsed nucleation layer) 방법으로 형성된다. 상기 반응 챔버(100) 내부의 공정 온도는 바람직하게는 200~400℃이고, 공정 압력은 바람직하게는 1~50Torr이다.
상기 반응 챔버(100)로 공급되는 반응 가스의 적어도 1 주기(cycle)의 순서는 다음과 같다. 먼저 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)이 상기 반응 챔버(100)로 공급된다. 상기 형성 방법들 중에 특히 ALD 방법이 사용될 경우, 공급된 디보레인(B2H6)의 붕소원자 또는 모노실레인(SiH4)의 실리콘 원자가 반도체 기판의 표면에 1층 증착된다. 그리고 상기 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)의 공급을 중단하고, 불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하면, 상기 증착된 붕소원자 또는 실리콘 원자들이 텅스텐원자들로 치환된다. 상기 불화 텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고 암모니아(NH3)를 공급하면, 암모니아의 질소가 상기 텅스텐과 반응하여 텅스텐 질화막이 1층 형성된다. 이러한 순서를 갖는 주기(cycle)는 계속 반복되어 원하는 두께의 텅스텐 질화막을 형성한다. 상기 1 주기 동안 각각의 반응 가스들은 예를 들면 0.25초 동안 공급될 수 있다.
상기 반응챔버(100)을 나오는 배기 가스에 포함된 미반응된 디보레인(B2H6)과 암모니아(NH3)가 반응을 하거나 불화 텅스텐(WF6)과 암모니아(NH3)가 반응을 하여 부산물 NH4F를 형성할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도 2와 같이 수소를 상기 수소 공급관(11)을 통해 상기 반응 챔버(100)로 공급할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기와 같이 암모니아 가스를 공급하여 1층의 텅스텐 질화막을 형성한 후에 상기 암모니아 가스의 공급을 중단하고 상기 수소 공급관(11)을 통해 수소를 공급한다. 상기 수소는 바람직하게는 100sccm 이상의 유량으로 공급된다. 상기 공급된 수소에 의해 상기 배기관(20)에서 상기 디보레인(B2H6), 암모니아(NH3) 및 불화 텅스텐(WF6)의 분압들이 낮아져 부산물 NH4F가 형성될 가능성이 낮아진다. 따라서 부산물 NH4F이 감소한다.
아울러 상기 수소는 도 3과 같이 불화 텅스텐(WF6)이 공급되는 순서와 암모니아(NH3)가 공급되는 순서 사이에 더 공급될 수 있다. 이때 역시 상기 공급된 수소에 의해 상기 배기관(20)에서 상기 디보레인(B2H6), 암모니아(NH3) 및 불화 텅스텐(WF6)의 분압들이 낮아져 부산물 NH4F가 형성될 가능성이 낮아진다.
도 2 및 도 3에서 상기 수소는 펄스 형태로 일정 시간동안만 공급되고, 상기 주기들은 계속 반복된다.
한편 상기 수소는 도 4와 같이 상기 배기관(20)에 연결된 수소 공급관(22) 만을 통해 상기 플라즈마 트랩(200)으로 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 수소는 도 2 및 도 3에서 일정 시간 동안만 공급되는 것과 달리, 상기 반응 가스의 공급 순서에 상관없이 연속적으로 공급된다. 상기 반응 가스들에 의해 형성된 부산물 NH4F가 상기 플라즈마 트랩(200) 내부에서 암모니아 라디칼과 불소 라디칼 등으로 분해된다. 그리고 상기 공급된 수소는 상기 플라즈마 트랩(200) 내부에서 수소 라디칼로 분해되고 분해된 수소 라디칼은 상기 불소라디칼과 반응하여 불산(HF) 가스를 형성하고 이렇게 형성된 불산 가스는 상기 펌프(300)의 흡인력에 의해 밖으로 배출된다. 반응에 참여하지 않고 남은 라디칼들은 플라즈마 트랩의 전극(electrode)으로 포집되어 후속의 정기적인 보수에 의해 제거된다. 따라서 이 경우에는 상기 수소에 의해 상기 암모니아 라디칼과 불소 라디칼이 재결합되어 부산물 NH4F가 재형성되는 것이 방지된다. 결과적으로 부산물 NH4F를 제거할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 도 2 또는 도 3과 도 4의 결합된 방식도 진행될 수 있다. 즉, 상기 반응가스 공급관(10)에 연결된 수소 공급관(11)으로 상기 도 2 또는 도 3의 순서에 따라 수소를 공급하는 동시에 상기 배기관(20)에 연결된 상기 수소 공급관(22)으로 연속적으로 수소를 공급할 수 있다. 이로써, 부산물 NH4F의 형성을 감소시키는 동시에 형성된 부산물 NH4F을 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 부산물 감소 또는 제거 방법에 의하면, 수소를 공급하여 미반응된 반응물들의 분압을 낮추어 부산물의 형성을 감소시킬 수 있으며, 플라즈마 트랩에서 분해된 부산물의 라디칼들의 재결합을 방지하여 부산물을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 제조 장비를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 반응 챔버로 공급되는 가스별 순서를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 반응 챔버로 공급되는 가스별 순서를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따라 반응 챔버 및 배기관으로 공급되는 가스별 순서를 나타낸다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 반응챔버 200: 플라즈마 트랩
300: 펌프 10: 반응가스 공급관
20: 배기관 11, 22: 수소 공급관

Claims (9)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관;
    상기 반응 챔버에서 나오는 배기가스가 배출되며 상기 반응 챔버와 연결되는 배기관;
    상기 배기관에 연결되며, 배기가스를 정화하는 플라즈마 트랩;
    상기 플라즈마 트랩과 연결되며 배기가스를 배출하는 펌프; 및
    상기 반응가스 공급관 및 상기 배기관 중 적어도 어느 하나에 연결된 수소 공급관을 구비하는 반도체 제조 장비.
  2. 제 1 항의 반도체 제조 장비를 이용하는 금속 질화막 형성 공정에 있어서,
    상기 반응 가스는 불화텅스텐(WF6)과 암모니아(NH3)를 포함하며, 상기 수소는 상기 반응가스 공급관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 반응 챔버로 공급하되, 상기 반응 가스와 상기 수소가 공급되는 적어도 1 주기(cycle)의 순서는,
    상기 반응챔버로 불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하는 단계;
    상기 불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고, 상기 반응챔버로 암모니아(NH3)를 공급하는 단계; 및
    상기 암모니아(NH3)의 공급을 중단하고, 상기 반응챔버로 수소를 공급하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 1주기의 순서는,
    상기 반응 챔버로 암모니아(NH3)를 공급하기 전에,
    상기 반응가스 공급관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 반응 챔버로 수소를 공급하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  4. 제 2 또는 3 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 더 포함하며,
    상기 적어도 1주기의 순서는, 상기 불화텅스텐 가스를 공급하기 전에, 상기 반응 챔버로 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 공급하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 플라즈마 트랩으로 상기 수소가 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  6. 제 1 항의 반도체 제조 장비를 이용하는 금속 질화막 형성 공정에 있어서,
    상기 반응 가스는 디보레인(B2H6) 및 모노실레인(SiH4) 중에 선택되는 어느 하나의 가스와 불화텅스텐(WF6) 및 암모니아(NH3)를 포함하며,
    상기 반응 가스가 상기 반응 챔버로 공급되는 적어도 1주기의 순서는,
    상기 반응 챔버로 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)을 공급하는 단계;
    상기 디보레인(B2H6) 또는 모노실레인(SiH4)의 공급을 중단하고 상기 반응챔버로 불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고 상기 반응챔버로 암모니아(NH3)를 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 배기관에 연결된 수소 공급관을 통하여 상기 플라즈마 트랩으로 상기 수소가 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  7. 제 2 또는 6 항에 있어서,
    상기 수소는 100sccm 이상의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  8. 제 2 또는 6 항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부 압력은 1~50Torr인 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
  9. 제 2 또는 6 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내에서 상기 금속 질화막은 ALD(Atomic layer deposition), SFD(Sequential flow deposition) 또는 PNL(Pulsed nucleation layer) 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 부산물 감소 또는 제거 방법.
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