KR20070004609A - 기판을 처리하는 동안 실리콘 질화물을 선택적으로에칭하는 시스템 및 방법 - Google Patents

기판을 처리하는 동안 실리콘 질화물을 선택적으로에칭하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 산화물 에칭율을 안정화하면서 높은 선택도를 제공하는, 실리콘 산화물의 존재하에 실리콘 질화물을 선택적으로 에칭하기 위한 시스템(도 5) 및 방법을 제공한다. 본 발명은 처리 챔버(10), 분배 선로(20, 21, 22), 주입 선로(30, 31, 32), 재순환 선로(40), 처리 제어기(200), 농도 센서(50), 미립자 계수기(55) 및 유출 선로(90)를 포함한다. 본 발명은 하나 이상의 기판을 처리하는 동안에 사용되는 에천트의 구성 성분의 농도비를 제어하고 에천트 내의 미립자 수를 동적으로 제어한다. 그 결과 에천트의 전해조 수명은 증가되고 에칭 처리 파라미터들이 더 철저하게 제어된다.

Description

기판을 처리하는 동안 실리콘 질화물을 선택적으로 에칭하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVE ETCHING OF SILICON NITRIDE DURING SUBSTRATE PROCESSING}
이 출원은 2003년 12월 30일에 출원한 미국 가출원 번호 제60/533,097호를 우선권 주장하며, 그 전체 내용을 참조로서 본 명세서에 포함한다.
마이크로 전자 장치의 치수가 그 크기면에 있어서 계속적으로 감소되어 이제는 낮은 nm 규모로까지 됨에 따라, 웨이퍼 표면 예비 절차가 IC 제조에서 점증적으로 중요한 임무를 띠게 되었다. 처리 화학물질, 순서 및 클리닝 단계의 수는 희망하는 최종 결과를 판정하는데 있어서 더욱 중요하게 되고 있다. 반도체 제조 기술이 진보를 계속함에 따라, 점점 더 작은 소자들이 설계되고 그 소자들은 동일한 웨이퍼 표면 영역에 내장된다. 이러한 미세 구조들은 팹(fab) 기술자 및 과학자들에게 새로운 처리 쟁점(issue) 세트를 안겨 주었다. 그 문제점들 중 하나는 하부의 실리콘 산화물막과 비교하여 실리콘 질화물(Si3N4)를 선택적으로 에칭하는 것이다.
Si3N4의 에칭은 현재 플라즈마 건식 에칭 또는 반응성 이온 에칭(RIE)을 비롯한 다양한 방법으로 달성되고 있다. 그러나 Si3N4의 RIE는 하부 산화막에 대하여 높은 선택도(selectivity)를 제공하지 못한다. 또한, Si3N4의 RIE는 표면 피팅(surface pitting), 하부 막 또는 실리콘 기판의 형태에서 감퇴할 수 있다. Si3N4를 에칭하기 위한 다른 하나의 기존 방법은 인산(H3PO4)을 적용하는 것이다. H3PO4를 사용하는 것은 이실리콘 산화물(SiO2)와 비교해서 Si3N4의 에칭 선택도가 높기 때문에 예전부터 사용되어 왔다. H3PO4를 이용하는 전형적인 Si3N4 에칭 반응은 다음과 같이 표현할 수 있다.
3Si3N4 + 27H2O + 4H3PO4 ------> 4(NH4)3PO4 + 9H2SiO3
이 반응에서, 물은 Si3N4를 가수분해하여 수화 실리카(hydrous silica) 및 암모니아를 형성한다. 암모니아는 용액 상태로 잔류하여 암모늄 인산염을 형성한다. 이 반응은 물이 Si3N4를 에칭하기 위한 화학물질의 필수부(integral part)임을 나타낸다. 질화물이 에칭될 때, 수산화 SiO2(H2OSiO2)는 용액 내에 형성되어 SiO2의 에칭을 방해한다. 즉, 이것은 선택도를 더 높인다. SiO2 에칭은 시스템(인산 용액과 웨이퍼)이 평형 상태(질량 이동이 없음)에 도달할 때까지, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 계속적으로 감소하고, 평형 상태에 도달하였을 때 에칭이 중단된다. 일단 평형 상태에 도달하면, SiO2 막이 명백히 재증착된다. 전해조 수명(bath life)은 팹(fab)이 상기 재증착을 가능하게 하는 허용도(tolerance)에 따라서 판정될 것이다. 이러한 느린 산화물 에칭율이 유리하긴 하지만(즉, 높은 선택도), 이 증착은 웨이퍼 상에서 바람직하지 못한 미립자 수(particle count)를 증가시킬 것이다. 이 현상은 가시적인 것이어서 예보될 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 미립자 수준은 전해조에서 처리된 최대 21×50 웨이퍼에 약 40 미립자가 추가되었고, 그 후에 미립자 수의 괄목할만한 증가가 보고되었다.
반도체 제조 중에 실리콘 산화물과 비교하여 Si3N4를 더욱 선택적으로 에칭하기 위한 시도에서 다수의 처리 방법들이 개발되었지만, 기존의 시스템들은 아직 최적화 이하이고 다수의 결함을 갖고 있다. 예를 들어서, 미국 특허 제6,376,261호(이하, 261 특허라고 함)에서, 시스템은 웨이퍼 표면에서의 에칭율를 예보하기 위한 제어 방식이 있는 것으로 기술되어 있다. 이 시스템은 웨이퍼 상의 박막의 두께를 측정하고 이전에 행한 막 두께 측정에 기초하여 시스템 파라미터를 조정한다. 상기 조정은 웨이퍼 묶음(batch)들 사이에서 행하여지고, 에칭 용액이 오염되고/되거나 그 성분들의 농도비가 시간 경과에 따라 변화할 때 제조 시간 단축 및 각 묶음의 웨이퍼 내에서 에칭 선택도 감소의 결과를 가져온다. 또한, 261 특허에 기술된 시스템은 IC 팹 수준에서 진보된 처리 제어 시스템(APC)을 필요로 한다.
추가의 에칭 시스템은 미국 특허 제3,715,249호(249 특허), 미국 특허 제6,087,273호(273 특허) 및 미국 특허 제5,885,903호(903 특허)에 기술되어 있다. 이 시스템들은 황산과 인산의 혼합물을 이용하여 선택적 에칭을 달성하려고 시도하고 있지만, 이 시스템들은 처리 및 혼합물 파라미터를 조절함으로써 에칭에서의 최대 선택도를 보장하기 위한 제어 시스템을 포함하지 않는다. 따라서, 이 시스템들 은 에칭 용액이 오염되고/되거나 그 성분의 농도비가 시간 경과에 따라 변화할 때 각 묶음의 웨이퍼 내에서 에칭 선택도가 감소되는 결과를 가져온다.
미국 특허 제5,310,457호에서, 에칭 시스템은 실리콘 산화물에 대한 질화물의 에칭 선택도를 증가시키기 위해 인산에 HF 및 질산을 추가하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 인산에 HF 및 질산을 추가하면 성능면에서 최적 이하로 되는 것이 증명되었다.
마지막으로, 몇가지 종래의 에칭 시스템 및 방법은 이실리콘 산화물에 대한 실리콘 질화물의 에칭에 있어서 높은 선택도를 달성할 수 있기는 하지만, 에칭 선택도의 최대화는 만족스러운 유일한 목표가 아니다. 실리콘 질화물 에칭 및 실리콘 산화물 에칭 둘 다에 대해 일정하고 안정적인 에칭율이 또한 바람직하다. 전술한 바와 같이, 도 1은 165℃에서 인산(85 중량%)을 이용한 종래의 실리콘 질화물 에칭 시스템으로부터 얻어진 결과를 보여주고 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 질화물 에칭율은 안정적이지만 산화물 에칭율은 처리되는 웨이퍼의 수에 따라 감소한다. 유사한 행동이 도 2에서도 나타나고 있는데, 도 2에서는 질화물 및 산화물 에칭율을 시(hour) 단위의 시간 간격으로 감시한 것이다. 선택도(즉, 실리콘 질화물 에칭율/실리콘 산화물 에칭율)는 도 3에 도시되어 있다. 실리콘 산화물 에칭율의 계속적인 강하(drop) 때문에, 선택도는 명백히 시간 경과에 따라 증가한다. 이러한 추세는 실리콘 산화물 손실을 최소화하기 때문에 바람직하지만, 처리 가능한 웨이퍼의 유형을 또한 제한한다. 전형적으로, 웨이퍼는 일정 시간 동안 에칭산(etching acid)에 담궈진다. 따라서, 실리콘 질화물 에칭율은 고정이지만, 제거되는 실리콘 산화물의 양은 로트(lot)마다 변화하고, 그래서 소자 치수가 변화하고 성능이 변화한다. 명백한 이유 때문에 이것은 바람직하지 못하다. 또한, 웨이퍼를 이러한 방식으로 계속 처리함으로써, (에칭 부산물로부터의) 미립자들이 전해조에서 생성되고 종국적으로는 도 4에 도시한 바와 같이 웨이퍼 상에 증착한다. 웨이퍼 상의 미립자들은 전해조에서 처리된 최대 20×50×200 mm 웨이퍼에 대해 허용가능한 수준(< 40 (0.16 um에서))으로 잔류한다. 그 시점에서, 전해조가 배수되고 새로운 처리 사이클을 시작하기 위해 새로운 산(acid)으로 다시 충전될 필요가 있다. 이 시나리오에서, 전해조를 배수/충전/가열하는 데는 약 2 시간이 소요되고, 이것은 전해조의 활용을 최소화한다. 따라서, 에칭율의 가변성은 기존의 실리콘 질화물 에칭 시스템 및 방법에서의 주요 단점이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 실리콘 산화물에 대한 실리콘 질화물의 에칭 선택도를 증가시키는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 처리 조건 및 파라미터의 동적 제어를 제공하는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 선택적으로 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 에칭 혼합물의 성분 농도비 및/또는 규산염 농도에 기초하여 처리 조건 및 파라미터의 동적 제어를 제공하는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 IC 팹 수준에서 APC 시스템(APC)을 필요로하지 않고 오히려 질화물 에칭 툴 수준에서 APC를 필요로 하는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 인(또는 인/유황) 전해조에서 미립자 오염물의 실시간 측정을 가능하게 하는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 안정된 실리콘 질화물 에칭율을 제공하여 산화물 에칭율의 변동을 감소시키고/감소시키거나 에천트에 형성된 미립자 오염을 감소시키는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 전체 전해조 수명 동안 고도의 안정된 에칭 선택도, 안정된 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물 에칭율, 최소의 산화물 손실, 더 긴 전해조 수명(및 이에 따라 더 낮은 소유 비용), 기판에서의 허용가능한 미립자 수준, 및/또는 처리 단계 수의 감소를 제공하는, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 및 그 외 목적들은 본 발명에 의해 알 수 있는데, 본 발명은, 일 양태(aspect)으로서, 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서, 처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체적으로 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템을 제공하는 단계와; 폐루프 순환 시스템에 미리 정해진 양만큼 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비 및 미리 정해진 양을 가진 혼합물- 이 혼합물은 처리 챔버를 충전하고 재순환 선로로 오버플로우하는 것임-을 형성하는 단계와; 처리 챔버 내의 혼합물에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와; 폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 순환시키는 단계와; 혼합물의 농도비를 농도 센서로 계속하여 측정하는 단계와; 측정된 농도비를 미리 정해진 농도값과 비교하여 측정된 농도값이 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있는지를 판정하는 단계와; 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않다고 판정되면, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 농도비가 미리 정해진 범위 내로 다시 복귀되도록 폐루프 순환 시스템으로부터 소정 양의 혼합물이 유출되는 동안 실질적으로 동일한 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 자동으로 주입하는 단계를 포함하는 실리콘 질화물 에칭 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 양태의 본 발명의 방법은, 혼합물 내의 미립자 수를 미립자 계수기로 계속하여 측정하는 단계와; 측정된 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수와 비교하여 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰지를 판정하는 단계와; 혼합물이 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰 미립자 수를 갖는 것으로 검출될 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 다시 복귀하도록 소정 양의 혼합물을 폐루프 순환 시스템으로부터 자동으로 유출시키고 실질적으로 동일한 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 주입하는 단계를 더 포함한다.
다른 양태로, 본 발명은 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서, (a) 처리 챔버에 미리 정해진 양만큼 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비를 가진 미리 정해진 양의 혼합물을 형성하는 단계와; (b) 폐루프 순환 시스템의 처리 챔버를 통해 혼합물을 순환시키는 단계와; (c) 처리 챔버 내의 혼합물에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와; (d) 순환하는 혼합물에서 에칭 부산물의 효과를 감소시키기 위해 폐루프 시스템으로부터 소정 양의 혼합물을 유출시키는 단계와; (e) 폐루프로부터 유출된 양의 혼합물을 대체하기 위해 황산, 인산 및/또는 물을 주입하는 단계를 포함하고; 여기에서 상기 유출된 양은 혼합물의 농도비를 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에서 유지하거나 그 범위 내로 복귀하도록 선택되는 것인 실리콘 질화물 에칭 방법을 제공한다.
이 양태에서, 본 발명의 일부 실시예는 상기 단계 (d) 및 (e)의 유출시키는 단계 및 주입하는 단계가 계속적으로 또는 설정된 간격으로 수행되도록 할 수 있다. 다른 실시예에서, 이 양태의 본 발명은 (f) 하나 이상의 기판의 처리 중에 농도 센서로 혼합물의 농도비를 계속하여 측정하는 단계와; (g) 측정된 농도비를 미리 정해진 농도 값과 비교하여 측정된 농도 값이 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있는지를 판정하는 단계와; (h) 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않다고 판정되면 상기 단계 (d) 및 (e)를 자동으로 수행하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
다른 양태로서, 본 발명은 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템에 있어서, 처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체적으로 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템과; 폐루프 순환 시스템에 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비를 가진 미리 정해진 양의 혼합물을 형성하는 수단과; 폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 유동시키는 수단과; 처리 챔버에서 하나 이상의 기판을 처리하는 동안에 혼합물의 농도비를 계속하여 측정하고 측정된 농도비를 표시하는 신호를 생성하는 농도 센서와; 폐루프 순환 시스템에 황산, 인산 및 물을 주입하는 수단과; 폐루프 순환 시스템으로부터 혼합물을 유출시키는 수단과; 상기 농도 센서, 주입 수단 및 유출 수단에 동작적으로 결합된 프로세서를 포함하고; 여기에서 상기 프로세서는, 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않음을 표시하는 신호를 농도 센서로부터 수신한 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 농도비를 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내로 복귀시키기 위해 소정 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 추가하도록 프로세서가 상기 주입 수단을 자동으로 활성화시키고, 폐루프 순환 시스템으로부터 실질적으로 동일한 양의 혼합물을 배수시키도록 상기 유출 수단을 활성화시키게끔 프로그래밍된 것인 실리콘 질화물 에칭 시스템을 제공한다.
일부 실시예에 있어서, 본 발명의 시스템은 처리 챔버에서 하나 이상의 기판을 처리하는 동안 혼합물의 미립자 수를 계속하여 측정하고 측정된 미립자 수를 표시하는 신호를 생성하는 미립자 계수기를 더 포함하며; 상기 프로세서는 미립자 계수기에 동작적으로 또한 결합되고, 상기 프로세서는, 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수 이상임을 표시하는 신호를 수신한 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 복귀시키도록 소정 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 추가하게끔 프로세서가 상기 주입 수단을 자동으로 활성화시키고, 폐루프 순환 시스템으로부터 실질적으로 동일한 양의 혼합물을 배수시키게끔 유출 수단을 활성화시키도록 추가로 프로그램될 수 있다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서, 처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체적으로 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템을 제공하는 단계와; 폐루프 순환 시스템에 미리 정해진 양의 에천트- 이 에천트는 처리 챔버를 충전하고 재순환 선로로 오버플로우하는 것임-을 공급하는 단계와; 처리 챔버 내의 에천트에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와; 폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 순환시키는 단계와; 에천트의 미립자 수를 미립자 계수기로 계속하여 측정하는 단계와; 에천트가 미리 정해진 미립자 수 이상의 측정된 미립자 수를 갖는 것으로 검출되면, 폐루프 순환 시스템 내의 에천트의 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 복귀시키도록 하나 이상의 기판 처리 중에 폐루프 순환 시스템으로부터 소정 양의 오염된 에천트를 자동으로 유출시키는 한편 폐루프 순환 시스템에 새로운 에천트를 주입함으로써 그 양을 교환하는 단계를 포함하는 실리콘 질화물 에칭 방법을 제공한다.
도 1은 종래의 인산만의 혼합물을 이용하여 처리된 웨이퍼의 수의 함수로서 질화물 에칭율과 산화물 에칭율를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 인산만의 혼합물을 이용하여 50개의 200 mm 웨이퍼 묶음에 대해 시간의 함수로서 질화물 에칭율과 산화물 에칭율를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 인산만의 혼합물을 이용하여 50개의 200 mm 웨이퍼 묶음에 대해 시간의 함수로서 실리콘 산화물 에칭율에 대한 실리콘 질화물 에칭율의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래의 인산만의 혼합물을 이용하여 처리된 웨이퍼의 수의 함수로서 미립자와 에칭율를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 에칭 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 선택적 에칭 시스템을 동작시킬 때 시스템 제어기에 의해 수행되는 고준위 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 미립자 오염 수준을 측정하는 도 5의 질화물 에칭 시스템의 전형적인 동작 및 제어 방식을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 인산만의 에천트에 대해 주입 및 유출 알고리즘을 이용하여 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물 에칭율의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 인산-황산 혼합 에천트에 대해 주입 및 유출 알고리즘을 이용하여 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물 에칭율의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따라 처리된 때 웨이퍼의 미립자 오염 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 기판 에칭 시스템(100)을 개략적으로 나타 내는 도이다. 기판 에칭 시스템(100)은 처리 챔버(10), 황산(H2SO4) 분배 선로(20), 인산(H3PO4) 분배 선로(21), 물(H2O) 분배 선로(22), H2SO4 주입 선로(30), H3PO4 주입 선로(31), H2O 주입 선로(32), 재순환 선로(40), 처리 제어기(200), 농도 센서(50), 미립자 계수기(55), 펌프(60), 히터(70), 필터(80) 및 유출 선로(90)를 포함한다. 조정가능한 밸브(23-25)는 각 선로를 통과하는 유체의 흐름을 제어하기 위해 분배 선로(20-22)에 각각 동작적으로 결합된다. 유사하게, 조정가능한 밸브(33-35)는 각 선로를 통과하는 유체의 흐름을 제어하기 위해 분배 선로(30-32)에 각각 동작적으로 결합된다.
비록 도시하진 않았지만, H2SO4 분배 선로(20)와 H2SO4 주입 선로(30)는 각각 보조 드럼 또는 저장고와 같은 H2SO4의 소스에 동작적으로 결합된다. H2SO4 분배 선로(20)와 H2SO4 주입 선로(30)는 처리의 필요성 및/또는 공간 제한에 따라서 H2SO4의 동일한 소스 또는 다른 소스에 결합될 수 있다. 유사하게, H3PO4 분배 선로(21)와 H3PO4 주입 선로(31)는 각각 H3PO4의 소스에 동작적으로 결합된다. H3PO4 분배 선로(21)와 H3PO4 주입 선로(31)는 처리의 필요성 및/또는 공간 제한에 따라서 H2SO4의 동일한 소스 또는 다른 소스에 결합될 수 있다. H2O 분배 선로(22)와 H2O 주입 선로(32)는 각각 H2O의 소스에 동작적으로 결합된다. H2O 분배 선로(22)와 H2O 주입 선 로(32)는 처리의 필요성 및/또는 공간 제한에 따라서 H2SO4의 동일한 소스 또는 다른 소스에 결합될 수 있다.
처리 챔버(10)은 직사각형 둑(weir)(11)과 처리 용적(12)을 포함한다. 한 쌍의 입구 다기관(13)은 유체를 처리 용적(12) 내로 유입시키기 위해 처리 챔버(10)의 처리 용적(12)의 바닥부에 제공된다. 처리 용적(12)은 복수의 웨이퍼(14)가 그 내부에 지지될 수 있도록 충분한 크기를 갖는다. 비록 웨이퍼(14)가 수직 방위로 지지되는 것으로 도시되어 있지만, 웨이퍼는 또한 수평 방위로 지향될 수 있다. 처리 챔버(10)은 또한 단일 웨이퍼 처리용으로 설계될 수 있다.
처리 챔버(10)은 유출 선로(90)를 또한 포함한다. 유출 선로(90)는 유체가 웨이퍼 처리 중에 처리 챔버(10)의 처리 용적(12)으로부터 배수될 수 있도록 처리 챔버(10)의 유출 포트(도시 생략됨)에 유체적으로 결합된다. 조정가능한 유출 밸브(91)는 유출 선로(90)를 통한, 및 이에 따라 폐루프 순환 시스템을 벗어나는 유체의 흐름율(질량 또는 양)이 제어될 수 있도록 유출 선로(90)에 동작적으로 결합된다.
재순환 선로(40)의 일단부는 직사각형 둑(11)의 바닥부에 있는 구멍에 유체적으로 결합되어, 만일 필요하다면 처리 챔버(12)로부터 직사각형 둑(11)으로 오버플로우된 임의의 액체를 재순환 선로(40)로 끌어당길 수 있다.재순환 선로(40)의 다른 단부는 입구 다기관(13)에 유체적으로 결합된다. 재순환 선로(40)는 처리 챔버(10)의 직사각형 둑(11)으로부터 처리 용적(12)까지 유체 통로를 형성한다. 따라 서, 재순환 선로(40)는 처리 챔버(10)과 결합하여 폐루프 순환 시스템을 형성한다.
펌프(60)와 히터(70) 및 필터(80)는 모두 동작적 및 유체적으로 재순환 선로(40)에 결합된다. 그래서, 재순환 선로(40)를 통과한 액체가 히터(70)에 의해 원하는 온도까지 가열될 수 있다. 필터(80)는 액체가 재순환 선로(40)를 통과할 때 액체로부터 이온 및/또는 미립자 오염물질을 제거할 수 있다. 농도 센서(50)와 미립자 계수기(55)는 재순환 선로(40)를 통과하는 임의의 유체에 대해 적당한 측정을 행할 수 있도록 재순환 선로(40)에 또한 동작적으로 결합된다. 농도 센서(50)는 예를 들면 NIR 분광계 또는 FT-NIR 분광계와 같이, 혼합물을 분석하여 그 구성 성분들의 농도비를 판정할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 미립자 계수기(55)는 예를 들면 이 기술계에서 표준형인 액체 운반 미립자 계수기(liquid borne particle counter)와 같이, 액체 내의 미립자들을 계수할 수 있는 임의의 장치일 수 있다.
처리 제어기(200)는 조정가능한 밸브(33-35), 농도 센서(50), 미립자 계수기(55) 및 유출 밸브(91)와 동작적으로 접속되어 이들과 통신한다. 상기 동작적 접속은 적당한 전기 접속, 광섬유 접속, 케이블 접속 또는 기타 적절한 접속을 통하여 이루어질 수 있다. 도 5에서, 각 구성 요소(33-35, 50, 55, 91)와 처리 제어기(200)의 동작적 접속은 점선으로 도시되어 있다. 처리 제어기(200)는 처리 제어를 위한 적당한 마이크로프로세서를 기반으로 한 프로그램가능 논리 제어기, 퍼스널 컴퓨터 등으로 구성되고, 바람직하게는 제어 및/또는 통신을 필요로 하는 에칭 시스템(100)의 각종 구성 요소(33-35, 50, 55, 91)에 대한 접속을 제공하기 위해 사용되는 각종 입력/출력 포트를 포함한다.
처리 제어기(200)는 처리 비법, 파라미터, 및 예컨대 미리 정해진(즉, 목표) 농도비, 미리 정해진 미립자 수, 미리 정해진 범위, 흐름율, 처리 시간, 처리 조건 등과 같은 기타 데이터를 저장하기 위한 충분한 메모리를 포함하는 것이 또한 바람직하다. 처리 제어기(200)는 주입 선로(30-32) 중의 임의의 선로를 단독으로 또는 조합적으로 통과하는 흐름의 활성화, 유출 선로(90)를 통한 흐름의 활성화, 펌프 활성화, 가열 및 여과와 같은 처리 조건들을 자동으로 조정하기 위하여 동작적으로 접속되는 에칭 시스템(100)의 각종 구송 요소들 중 일부 및 모두와 통신할 수 있다. 비록 도시를 생략하였지만, 처리 제어기(200)는 만일 원한다면 히터(70), 펌프(60), 입구 다기관(13) 및 조정가능 밸브(23-25)에 동작적으로 또한 결합될 수 있다.
처리 제어기(200)는 농도 센서(55) 및 미립자 계수기(55)로부터의 데이터 신호를 수신하고, 입력 데이터 신호를 분석하며, 입력 데이터 신호에 의해 표시되는 값들을 미리 저장된 값 및 범위와 비교하고, 에천트 혼합물 내의 미리 정해진 특성을 달성하기 위해 새로운 에천트 성분들을 선로(30-32)를 통하여 순환 시스템에 주입하고/하거나 오염된/오래된 에천트를 유출 선로(90)를 통하여 유출시킴으로써 웨이퍼(14)를 처리하기 위해 사용되는 에천트에 대해 적당한 조정을 자동으로 행하기 위한 적당한 알고리즘으로 또한 프로그래밍된다. 예를 들어서, 처리 제어기(200)는 농도비 또는 미립자 수의 미리 정해진 값 및 미리 정해진 허용가능한 동작 범위를 저장할 수 있다. 이것은 시스템(100)의 동작과 관련해서 뒤에서 더 자세히 설명될 것이다. 사용되는 처리 제어기의 유형은 그 처리 제어기를 포함한 시스템의 정확한 필요성에 따라 달라진다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 에칭 시스템의 동작에 대하여 설명하겠다. 설명의 용이성을 위해, 본 발명의 방법을 도 5의 에칭 시스템과 관련하여 설명하지만, 다른 변형예, 수정예 및 다른 에칭 시스템이 에칭 처리를 수행하기 위해 사용될 수 있음은 물론이다.
에칭을 행할 복수의 웨이퍼(14)가 제공된다. 웨이퍼(14)는 바람직하게 IC 제조용의 실리콘 웨이퍼이고, 그 표면에 실리콘 질화물(Si3N4) 층과 실리콘 산화물(SiO2) 층을 포함한다. 그러나, 예컨대 MEMS 기판, 평판 디스플레이 등과 같은 다른 유형의 기판을 사용할 수도 있다. 처리의 시작 단계에서 모든 밸브(23-25, 33-35, 90)는 폐쇄 위치에 있다.
먼저, 조정가능 밸브(23-25)가 개방 위치로 전환되어 H2SO4, H3PO4 및 H2O의 액체가 선로(20-22)를 통해 처리 챔버(10)의 처리 용적(12) 내로 분배된다. H2SO4, H3PO4 및 H2O가 처리 챔버(10)의 처리 용적(12)에 공급되면, H2SO4, H3PO4 및 H2O가 혼합되어 혼합물(즉, 부식 용액)을 형성한다. 조정가능 밸브(23-25)는 분배 선로(20-22)를 통한 H2SO4, H3PO4 및 H2O의 흐름율을 제어하여 혼합물이 H2SO4:H3PO4:H2O의 미리 정해진/원하는 농도비를 갖고 생성되게 한다. 일 실시예에서, 혼합물은 2부의 H2SO4(96 중량%), 2부의 H3PO4(85 중량%) 및 1부의 H2O의 농도비를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 만일 원한다면, 임의의 다른 농도비를 사용할 수 있다. 더욱이, 만 일 원한다면, 본 발명의 일부 실시예에서, H2SO4만의 에천트와 같은 단일 화학물질을 에천트로서 사용할 수 있다.
H2SO4, H3PO4 및 H2O는 혼합물이 처리 용적(12)을 오버플로우하여 재순환 둑(11) 및 재순환 선로(40)로 흘러들 때까지 선로(20-22)를 통하여 처리 용적(12)에 계속적으로 공급된다. 일단 미리 정해진 양의 에천트 혼합물이 폐루프 순환 시스템(즉, 처리 챔버(10) 및 재순환 선로(40))에 공급되어 형성되면, 밸브(23-25)가 폐쇄되고, 그에 따라 처리 챔버(10)로의 H2SO4, H3PO4 및 H2O의 공급이 중단된다.
이 시점에서, 펌프(60)가 기동하여 처리 챔버(10)로부터(둑(11)을 거쳐) 재순환 선로(40)를 통해 다시 처리 챔버(10)로(입구 다기관(13)을 거쳐) 혼합물의 순환적 흐름이 일어난다. 혼합물이 재순환 선로(40)를 통과할 때, 혼합물은 히터(70)와 필터(80)를 통과한다. 히터(60)는 혼합물을 약 160-180℃ 범위의 온도로, 가장 바람직하게는 약 165℃의 온도로 가열한다. 혼합물은 또한 둘 다 재순환 선로(40)에 동작적으로 결합된 농도 센서(50)와 미립자 계수기(55)를 통과한다.
농도 센서(50)는 혼합물이 재순환 선로(40)를 통과할 때 혼합물의 농도비(즉, H2SO4:H3PO4:H2O의 비)를 계속하여 측정한다. 농도 수준의 계속적인 측정은 미리 정해진 패턴에 따라서 본질적으로 계속적 또는 주기적으로 되도록 수 초당 수 회 실행될 수 있다. 농도 센서(50)는 혼합물의 측정된 농도비를 표시하는 데이터 신호를 생성하여 이 신호들을 처리를 위한 처리 제어기(200)에 그 전기 접속을 통해 계속적으로 전송한다. 유사하게, 미립자 계수기(55)는 혼합물이 재순환 선로(40)를 통과할 때 혼합물의 미립자 수준을 또한 계속하여 측정한다. 미립자 계수기(55)는 혼합물의 측정된 미립자 수/수준을 표시하는 데이터 신호를 생성하여 이 신호들을 처리를 위한 처리 제어기(200)에 그 전기 접속을 통해 계속적으로 전송한다.
농도 센서(50) 및 미립자 계수기(55)로부터 각 데이터 신호를 수신한 때, 처리 제어기(200)는 그 데이터 신호들을 분석하고, 측정된 값들을 그 메모리에 저장된 미리 정해진/바람직한 값들과 비교한다. 더 구체적으로 말하면, 측정된 농도비는 저장된 미리 정해진/바람직한 농도비와 비교하여 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진/허용가능한 범위 내에 있는지를 판정한다. 측정된 미립자 수는 저장된 미리 정해진/바람직한 미립자 수와 비교되어 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰지를 판정한다. 미리 정해진 농도비는 85 ~ 50 중량%의 인산, 0 ~ 30 중량%의 황산, 및 15 ~ 20 중량%의 물의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 농도비의 미리 정해진/허용가능한 범위는 +/- 5 중량%가 바람직하다. 미리 정해진 미립자 수는 밀리리터(ml)당 10 내지 1000개의 범위 내, 가장 바람직하게는 0.2 ㎛에서 약 100 개/ml가 좋다.
처리 제어기(200)는 재순환 선로(40)를 통해 흐르는 혼합물의 측정된 농도비를 미리 정해진/바람직한 농도비와 비교하여 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있는지 여부를 판정한다. 유사하게, 처리 제어기(200)는 혼합물의 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰지 여부를 또한 판정한다.
만일 처리 제어기(200)가 (1) 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있고 (2) 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수와 같거나 그 미만이라고 판정되면, 아무런 동작도 행하여지지 않고 웨이퍼(14)는 처리 준비 상태로 유지된다. 그러나, 만일 (1) 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않거나 (2) 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수와 같거나 그 미만이 아니라고 판정되면, 처리 제어기는 혼합물의 수용가능한 농도비 및 수용가능한 미립자 수를 달성하기 위해 적절한 주입 및 유출 동작을 취할 것이다. 주입 및 유출 동작에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하겠다.
(1) 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있고 (2) 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수와 같거나 그 미만이라고 가정하면, 처리 제어기는 전해조가 웨이퍼 에칭/처리를 위한 준비가 되었음을 표시하는 신호를 사용자 인터페이스에 전송한다. 이 때, 웨이퍼(14)의 묶음(batch)은 혼합물에 완전히 담궈질 때까지 처리 챔버(10)의 처리 용적(12) 내로 내려진다. 펌프(60)는 전체 로딩 및 처리 시간 동안 혼합물이 폐루프 순환 시스템을 통해 계속하여 강제적으로 흐르게 한다. 농도 센서(50)와 미립자 계수기(55)는 둘 다 웨이퍼 처리 및 로딩 동안 그들 각각의 측정 기능을 계속하여 수행한다.
웨이퍼(14)가 혼합물(즉, 에천트)에 담궈졌을 때, 실리콘 질화물이 실리콘 산화물에 관하여 소정의 선택도를 갖고 에칭된다. 정상 조건(165℃) 하에서의 실리콘 질화물 처리는 55±5 A/분(min)의 질화물 에칭율을 갖는다. 새로 준비된 탱크의 전형적인 선택도는 대략 40:1이다. 이 선택도는 오늘날의 낮은 트렌치 이격 (shallow trench isolation; STI) 처리에 대하여 충분히 크지 않다. 대부분의 조직은 산화물 손실을 수 옹스트롱까지 제한하기를 희망한다. 혼합물이 사용될 때, 인규산염이 혼합물 내에 형성되어 산화물 에칭에 있어서 역반응(back reaction)을 주고, 사실상 산화물 에칭율을 감소시키고 선택도를 상승시킨다. 이것은 인규산염이 포화 상태에 도달할 때까지 계속된다. 이 때, 산화물 증착이 발생할 수 있는데, 여기에서 포화 효과는 웨이퍼(14) 상에 인이 도핑된 산화물층을 형성할 수 있다. 따라서, 80:1 이상, 가능하다면 100:1 이상의 선택도로 웨이퍼를 처리하기 위해 포화와 "충분히 로드된" 전해조 사이에 처리 기회의 "창"(window)이 있다. 그러나, 혼합물이 생산성 손실을 야기하는 질화물 더미(dummy)로 "완화"(seasoned)될 필요가 있고 포화에 이르기까지 혼합물의 전해조 수명이 다시 짧아져서 생산성 손실을 야기하기 때문에 논쟁의 여지가 존재한다.
에칭 시스템(100)은 전해조에서 규산염의 수준을 관리/제어하고 규산염을 안정 수준으로 유지함으로써 손실된 생산성을 다시 획득할 수 있도록 설계된다. 에칭 시스템(100)은 (1) 농도 센서(50) 및 미립자 계수기(55)로 혼합물의 농도비 및/또는 미립자 수준을 면밀히 감시하고, 및/또는 (2) 자동 주입 및 유출에 의해 농도비 및/또는 혼합물 농도비의 미립자 수준을 철저히 제어함으로써 상기 생산성 재획득을 달성한다. 전형적인 주입 및 유출 처리에서는 일정 양의 새로운 혼합물(또는 그 구성 성분)이 전해조에 추가되고 동일 양의 "오래된" 혼합물이 제거된다. 그 결과, 인규산염의 포화가 거의 일정하게 유지된다. 혼합물 전해조를 "조절"할 필요성을 감소시키는 외에, 유지될 필요가 있는 공지 양의 포화 용액은 초기의 선택도가 비 교적 높은 경우에도 새로운 용액에 추가되어야 한다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 주입 및 유출 제어 개념의 예를 설명하겠다. 웨이퍼(14)가 혼합물에 담궈지고 실리콘 질화물층 및 실리콘 산화물층이 선택적으로 에칭된 때, 미립자를 비롯한 에칭 부산물이 혼합물 내에 형성되고 혼합물의 농도비가 변할 것이다. 이 처리 시간 동안, 농도 센서(50)와 미립자 계수기(55)는 그들 각각의 측정 기능을 계속적으로 수행하고 처리 제어기(200)는 위에서 언급한 바와 같이 그 데이터 분석 기능을 수행한다. 혼합물은 계속하여 폐루프 순환 시스템을 통해 흐르고, 처리 제어기(200)는 (1) 측정 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않거나 (2) 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수와 같거나 그 미만이 아니라고 판정될 때까지 어떤 변화없이 웨이퍼(14)를 처리한다.
미립자 수준 제어에 대한 최초로 되돌아가서, 처리 제어기(200)가 측정된 미립자 수를 감시하고, 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수보다 더 큼을 검출하였다고 가정한다. 이 시점에서, 처리 제어기(200)는 밸브(33-35) 및 유출 밸브(91)에 적당한 제어 신호를 동시에 보낸다. 밸브(33-35)와 유출 밸브(91)는, 제어 신호를 수신하면, 개방 위치로 전환된다. 유출 밸브(91)가 개방되면, 오래된/오염된 혼합물이 폐루프 순환 시스템으로부터 유출 선로(90)를 통해 유출(즉, 배수)된다. 밸브(33-35)가 개방되면, 원하는 비율의 H2SO4, H3PO4 및 H2O가 주입/스파이크 선로(30-32)를 통해 폐루프 순환 시스템에 주입(즉, 추가)된다. 처리 제어기(200) 는 주입 및 유출 흐름율이 각 선로(90, 30-32)에서 정확히 제어되도록 밸브(33-35) 및 유출 밸브(91)를 개방한다.
유출 밸브(91)는 희망 양의 오래된 혼합물이 폐루프 순환 시스템으로부터 제거될 때까지 개방 위치에서 유지된다. 밸브(33-35)는 소정 양의 혼합물(또는 그 구성 성분)이 폐루프 순환 시스템에 추가될 때까지 또한 개방 위치에서 유지된다. 유출 선로(90)를 통해 폐루프 순환 시스템으로부터 유출되는 오래된 혼합물의 양은 주입 선로(30-32)를 통해 폐루프 순환 시스템에 추가되는 혼합물의 양(또는 그 구성 성분)과 실질적으로 동일하다. 희망 양의 혼합물이 유출 및 대체되어 폐루프 순환 시스템 내 혼합물의 미립자 수/수준이 미리 정해진 미립자 수 미만으로 복귀될 때까지 주입 및 유출은 계속되고, 그 동안 웨이퍼(14)가 계속하여 처리된다. 사용자는 측정된 미립자 수준 및 초기에 처리 챔버(10)에 공급된 미리 정해진 전체 양의 혼합물에 기초해서 각종 조건에 대해 유출 및 주입될 적당한 양을 프로그램 할 수 있다. 이 방법으로, 혼합물 내의 미립자 수준(이것은 규산염 수준을 나타냄)이 웨이퍼 처리 중에 동적으로 제어될 수 있다.
이제, 농도 제어로 되돌아가서, 처리 제어기(200)가 재순환 선로(40)를 통해 흐르는 혼합물의 측정된 농도비를 감시하고, 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않음을 판정했다고 가정한다. 이 시점에서, 처리 제어기(200)는 밸브(33, 34 및/또는 35) 및 유출 밸브(91)에 적당한 제어 신호를 동시에 보낸다. 밸브(33, 34 및/또는 35)와 유출 밸브(91)는, 제어 신호를 수신하면, 개방 위치로 전환된다. 유출 밸브(91)가 개방되면, 오래된 혼합물이 폐루프 순 환 시스템으로부터 유출 선로(90)를 통해 유출(즉, 배수)된다. 비율이 감소된 혼합물의 성분(들)에 따라서, H2SO4, H3PO4 및/또는 H2O가 적당한 밸브(33, 34 및/또는 35)의 활성화에 의해 주입/스파이크 선로(30, 31 및/또는 32)를 통해 폐루프 순환 시스템의 혼합물에 주입(즉, 추가)된다. 처리 제어기(200)는 주입 및 유출 흐름율이 각 선로(90, 30-32)에서 정확히 제어되도록 적당한 밸브(들)(33, 34 및/또는 35) 및 유출 밸브(91)를 개방한다.
적당한 밸브(들)(33, 34 및/또는 35)은 폐루프 순환 시스템 내에 잔류하는 혼합물의 농도비를 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내로 복귀시킬 필요가 있는 소정 양의 H2SO4, H3PO4 및/또는 H2O가 주입될 때까지 개방 위치에서 유지된다. 유출 밸브(91)는 추가되는 H2SO4, H3PO4 및/또는 H2O의 양과 실질적으로 동일한 양의 오래된 혼합물이 폐루프 순환 시스템으로부터 제거될 때까지 개방 위치에서 유지된다. 주입 및 유출은 계속되고, 그 동안 웨이퍼(14)가 계속하여 처리된다. 사용자는 미리 정해진 범위로부터 측정된 농도비의 편차 및 초기에 처리 챔버(10)에 공급된 혼합물의 미리 정해진 전체 양에 기초해서 각종 조건에 대해 유출 및 주입될 적당한 양을 프로그램할 것이다. 이 방법으로, 혼합물 내의 농도비가 웨이퍼 처리 중에 동적으로 제어될 수 있다.
도 6은 본 발명을 실행하는 에칭 시스템(200)의 처리 제어기(200)에 의해 실행되는 프로그래밍 기능을 보인 고준위(high level) 흐름도이다. 도 7은 처리 제어기(200)가 미립자 수를 감시하고 측정된 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수, 범위 및 수용가능한 허용도와 비교하는 방법의 예를 보인 도이다.
처리의 필요성에 따라서, 미립자 수준 및 농도비에 대하여 위에서 설명한 주입 및 유출 제어가 에칭 시스템에서 개별적으로 또는 결합하여 구현될 수 있다. 더욱이, 미립자 수준의 주입 및 유출 제어는 예컨대 H3PO4 만의 단일 화학물질 에천트를 이용하여 에칭 시스템 및 방법에서 구현될 수 있다. 본 발명은 온도와 함께 질화물, 에칭율의 소인수(prime factor)인 규산염 포화 수준 및 물 농도를 유지하기 위해 필요한 소프트웨어 및 하드웨어 제어 방식을 개발하였다.
요약하자면, 본 발명은 전술한 제어 방식을 구현함으로써 종래의 에칭 시스템 및 방법의 많은 문제점들을 극복한다. 전해조 내의 규산염 농도가 일정하게 유지되도록 혼합물의 전해조가 부분적으로 배수되고 새로운 혼합물이 공급되게 함으로써, 결과적인 산화물 에칭율이 또한 일정하게 될 것이다. 전술한 바와 같이, 규산염의 농도는 액체 운반 미립자 계수기에 의해 감시될 수 있다. 만일 미립자 수가 희망 임계치 이상으로 증가하면, 시스템은 혼합물 전해조가 부분적으로 배수되고 새로운 혼합물이 공급되게 할 것이다. 사용자는 미립자 센서(PS)에 의해 검출된 시스템 로딩 및 결과적인 오염 수치에 기초해서 빈도 및 주기를 입력해야 할 것이다. 결과적인 질화물 에칭율은 안정 상태로 유지되고 산화물 에칭율은 감소한다. 일단 산화물 에칭율이 더 낮은 허용가능한 에칭율 수준(또는 미립자 수)에 도달하면, 혼합물 전해조는 부분적으로 배수되고 미립자 수(및 그에 따라 산화물 에칭율)을 그 수용가능한 수준까지 끌어오는 공지 양의 새로운 산으로 다시 충전될 것이다. 이 처리는 이론상 무한하게 계속될 것이고, 사용자는 새로운 사이클의 시작을 결정한다.
실시예
본 발명의 2가지 실시예의 효과를 테스트하기 위한 실험을 행하였다. 실험을 행함에 있어서, 실리콘 질화물 웨이퍼를 에칭하기 위한 산 전해조(acid bath)를 사용하였다. 전해조는 여과되고 가열되고 여과되었다. 처리 순서는 화학적 에칭 단계, 탈이온수 헹굼 단계 및 건조 단계의 순이었다. 화학적 단계는 황산 96%:인산(85 중량%):물 또는 인산(85 중량%):물로 구성하였다. 화학적 단계는 황산(96 중량%), 인산(85 중량%) 및 물의 혼합물, 또는 인산(85 중량%) 및 15 중량%의 물의 혼합물로 구성하였다. 하기의 파라미터 및 조건이 존재하거나 및/또는 설정되었다.
-전해조 전체의 혼합비를 유지하기 위한 농도 제어
-주입 및 유출 알고리즘이 활성화됨
-열적 질화막 및 산화막을 가진 200 mm 웨이퍼
-재순환 및 여과 기능이 있는 시스템 구성
-전해조 온도 = 165℃
-웨이퍼는 테스트 전에 표면 정상화를 위해 묽은 HF 또는 SC1 클리닝을 처리받았다.
에칭율 측정은 5 mm 엣지를 제외하고 49 포인트 측정을 가진 루돌프 S300을 이용하여 수행하였다. 질화물 로딩 효과는 연장된 시간 동안 풀 로트(full lot)의 질화물 웨이퍼를 처리함으로써 테스트되었다.
하기의 제어 방법을 사용하였다.
-주입 및 유출: 에칭 부산물의 효과를 감소시키기 위한 것. 공지 양의 전해조가 배수되고 공지 양 화학물질의 공급이 행하여졌다. 사용자는 주입되는 화학물질 및/또는 물의 빈도 및 양을 프로그램할 것이다.
-액체 운반 미립자 계수 설비: 에칭 처리에서 발생된 액체 운반 미립자를 감시하기 위한 것.
-예를 들면 NIR, FT-NIR과 같은 농도 센서: 시스템은 황산, 인산 및 물의 농도를 감시할 것이다. 사용자는 설정점(setpoint)을 선택할 것이고, 시스템은 조정할 올바른 구성물을 주입함으로써 설정점을 유지할 것이다. 예를 들어서, 시스템은 만일 황산이 특정치 이하로 되면 황산을 주입할 것이다.
-조절된 산(들) 공급(인산 및/또는 황산)
-조절된 탈이온수 공급
-화학적 농도 센서(들)
-액체 운반 미립자 계수기
-제어 알고리즘
웨이퍼는 2가지 다른 에천트를 사용하여 전술한 방식으로 처리되었다. 한 가지 실험에서, 웨이퍼는 인산만의 에천트에 대해서 주입 및 유출 알고리즘을 이용하여 처리되었다. 다른 실험에서, 웨이퍼는 인산-황산 혼합물 에천트에 대해서 주입 및 유출 알고리즘을 이용하여 처리되었다.
인산만의 에칭 예
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 인산만의 에천트에 대해 주입 및 유출 알고리즘을 이용한 경우의 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물 에칭율을 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 질화물 에칭율은 약 50 A/분이었다. 산화물 에칭율은 2.47 A이었지만 400:1의 선택도를 얻었다. 이것은 종래의 새로운 인 전해조에서 전형적으로 얻어진 것보다 훨씬 더 높은 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 산화물 에칭율은 처리되는 웨이퍼의 수에 따라 감소하기 시작한다. 일단 산화물이 더 낮은 허용가능한 제한치에 도달하면, 주입/유출 시스템이 활성화되어 공지 양의 인산을 전해조에 주입하고, 그에 따라 에칭율이 필요한 제로값으로 되게 한다. 시스템은 주입/유출을 계속하고, 에칭율을 평균 ~-0.08 A/분에서 유지한다.[또는 이론상 무한의 선택도 (네가티브 에칭율은 가설 막 증착(hypothetical film deposition)을 의미한다].
인산-황산 혼합물 에칭 예
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 인산-황산 혼합물 에천트에 대해 주입 및 유출 알고리즘을 사용한 경우의 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물 에칭율의 선택도를 나타낸 그래프이다. 앞의 도 8에 도시된 바와 같이, 공지 농도의 규산염(그때 그때의 미립자 계수에 의해 표시됨)은 희망 선택도를 달성하기 위해 유지되어야 한다. 이것은 전해조가 최초로 사용되었을 때(순수 전해조) "완화"(seasoned)될 것을 필요로 한다. 이 문제점은 만일 규산염이 희망 선택도를 보증하는 수준까지 되도록 더미 질화물 웨이퍼가 전해조 내에서 처리되면 극복될 수 있다. 이 처리는 명백히 웨이퍼들을 처리하기 위해 시간을 필요로 한다. 즉, 툴 활용도를 떨어뜨린다.
상기 문제점(완화)을 극복하기 위한 다른 하나의 방법은 산화물 에칭율을 억제하는 화학물질을 가진 인산을 주입하여 희망 선택도를 산출하는 것이다. 강산화제로서의 황산이 인산에 추가되었고, 그 결과는 도 9에 도시하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 산화물 에칭율은 시작부터 최소이었다. 또한, (질화물 에칭이 항상 일정하게 유지되는 동안) 산화물 에칭율의 감소 추세가 없고, 시작부터 높은 선택도를 산출한다. 주입 및 유출 시스템은 규산염 농도(또는 미립자 수)를 일정 값으로 유지하기 위해 공지 양의 인산(및/또는 황산)이 추가될 수 있게 하였다.
전형적으로, 미립자 클리닝 시스템은 전체 처리 단계의 일부로서 구현된다. 이 미립자 제거 단계는 메가소닉(megasonic)에 의해 보조된 수산화 암모늄, 과산화수소 및 물의 혼합물에서의 웨이퍼 처리로 구성된 SC1(Standard Clean 1)이다. 이 단계는 이들 오염물질을 제거하는데 매우 효과적이지만, 만일 오염 수준이 너무 높으면 미립자 제거 효율이 떨어질 것이다.
전술한 2가지 예에서, 일단 전해조 내의 미립자 수준이 최소 수준으로 유지되었으면, 웨이퍼상(on-wafer) 미립자 추가가 또한 그 가능한 최저값으로 유지되었다. 그 결과는 도 10에 도시하였고, 여기에서 평균 미립자 추가는 거의 제로값으로 유지되었다. 상기 결과들은 평균 미립자 추가가 40 이상인 도 4에 도시된 것보다 더 좋다. 또한, 전해조를 인산(또는 인산과 황산 혼합물)으로 항구적으로 새롭게 하여 미립자 수가 일정하게 유지되기 때문에 미립자 수의 급격한 증가가 없다.
전술한 설명은 본 발명의 단지 예시적인 실시예를 기술한 것이다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 정신 또는 그 본질적 특성으로 부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 실시될 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 사용된 에천트용으로 제조된 임의의 특정 화학물질로 제한되는 것이 아니라, 제조된 화학물질 및/또는 농도비와 관계없이 임의의 에천트와 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 농도 제어만, 또는 미립자 수 제어만, 또는 이 두가지를 함께 실시하는데 필요한 능력 및 설비를 가진 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 설명은 후속하는 청구범위에서 규정한 본 발명의 범위를 설명하는 것일 뿐 제한하는 것이 아니다.

Claims (23)

  1. 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서,
    처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체가 흐르도록(fluidly) 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템을 제공하는 단계와;
    폐루프 순환 시스템에 미리 정해진 양만큼 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비 및 미리 정해진 양을 가진 혼합물을 형성하는 단계로서 상기 혼합물은 처리 챔버를 충전하고 재순환 선로로 오버플로우하는 것인 혼합물의 형성 단계와;
    처리 챔버 내의 혼합물에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와;
    폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 순환시키는 단계와;
    혼합물의 농도비를 농도 센서로 계속하여 측정하는 단계와;
    측정된 농도비를 미리 정해진 농도값과 비교하여 측정된 농도값이 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있는지를 판정하는 단계와;
    측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않다고 판정되면, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 농도비가 미리 정해진 범위 내로 다시 복귀하도록 소정 양의 혼합물을 폐루프 순환 시스템으로부터 유출시키는 한편 실질적으로 동일한 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 자동으로 주입하는 단계를 포함하는 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서, 황산, 인산 및 물은 초기에 분배 선로를 통해 처리 챔버에 공급되는 것인 에칭 방법.
  3. 제1항에 있어서, 주입 단계 중에 혼합물에 추가되는 상기 소정 양의 황산, 인산 및/또는 물은 스파이크 선로를 통해 공급되는 것인 에칭 방법.
  4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 웨이퍼를 혼합물에 담그기 전에 혼합물을 가열하는 단계를 더 포함하는 에칭 방법.
  5. 제4항에 있어서, 혼합물은 160-180℃ 또는 그 인접 온도로 가열되는 것인 에칭 방법.
  6. 제5항에 있어서, 혼합물은 165℃ 또는 그 인접 온도로 가열되는 것인 에칭 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 농도비는 대략해서 2부의 황산, 2부의 인산 및 1부의 물인 것인 에칭 방법.
  8. 제1항에 있어서, 오버플로우된 혼합물을 여과하는 단계를 더 포함하는 에칭 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    혼합물 내의 미립자 수를 미립자 계수기로 계속하여 측정하는 단계와;
    측정된 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수와 비교하여 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰지를 판정하는 단계와;
    혼합물이 미리 정해진 미립자 수보다 더 큰 미립자 수를 갖는 것으로 검출될 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 다시 복귀하도록 소정 양의 혼합물을 폐루프 순환 시스템으로부터 자동으로 유출시키고 실질적으로 동일한 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 주입하는 단계를 더 포함하는 에칭 방법.
  10. 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서,
    (a) 처리 챔버에 미리 정해진 양만큼 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비를 가진 미리 정해진 양의 혼합물을 형성하는 단계와;
    (b) 폐루프 순환 시스템의 처리 챔버를 통해 혼합물을 순환시키는 단계와;
    (c) 처리 챔버 내의 혼합물에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와;
    (d) 순환하는 혼합물에서 에칭 부산물의 효과를 감소시키기 위해 폐루프 시스템으로부터 소정 양의 혼합물을 유출시키는 단계와;
    (e) 폐루프로부터 유출된 양의 혼합물을 대체하기 위해 황산, 인산 및/또는 물을 주입하는 단계를 포함하고;
    상기 유출된 양은 혼합물의 농도비를 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에서 유지하거나 그 범위 내로 복귀하도록 선택되는 것인 에칭 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 단계 (d) 및 (e)의 유출시키는 단계 및 주입하는 단계는 계속적으로 또는 설정된 간격으로 수행되는 것인 에칭 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    (f) 하나 이상의 기판의 처리 중에 농도 센서로 혼합물의 농도비를 계속하여 측정하는 단계와;
    (g) 측정된 농도비를 미리 정해진 농도 값과 비교하여 측정된 농도 값이 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있는지를 판정하는 단계와;
    (h) 측정된 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않다고 판정되면 상기 단계 (d) 및 (e)를 자동으로 수행하는 단계를 더 포함하는 에칭 방법.
  13. 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템에 있어서,
    처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체가 흐르도록 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템과;
    폐루프 순환 시스템에 황산, 인산 및 물을 공급하여 미리 정해진 농도비를 가진 미리 정해진 양의 혼합물을 형성하는 수단과;
    폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 유동시키는 수단과;
    처리 챔버에서 하나 이상의 기판을 처리하는 동안에 혼합물의 농도비를 계속하여 측정하고 측정된 농도비를 표시하는 신호를 생성하는 농도 센서와;
    폐루프 순환 시스템에 황산, 인산 및 물을 주입하는 수단과;
    폐루프 순환 시스템으로부터 혼합물을 유출시키는 수단과;
    상기 농도 센서, 주입 수단 및 유출 수단에 결합하여 동작하는 프로세서를 포함하고;
    여기에서 상기 프로세서는, 농도비가 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내에 있지 않음을 표시하는 신호를 농도 센서로부터 수신한 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 농도비를 미리 정해진 농도비의 미리 정해진 범위 내로 복귀시키기 위해, 소정 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 추가하도록 상기 주입 수단을 자동으로 활성화시키고, 폐루프 순환 시스템으로부터 실질적으로 동일한 양의 혼합물을 배수시키도록 상기 유출 수단을 활성화시키게끔 프로그래밍된 것인 에칭 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 처리 챔버는 복수의 기판을 수용하도록 구성된 것인 에칭 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 재순환 선로에 결합하여 동작하는 필터를 더 포함하는 에칭 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 재순환 선로에 결합되고 혼합물을 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 에칭 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 처리 챔버에 황산, 인산 및 물을 공급하는 상기 수단은 밸브를 가진 복수의 분배 선로인 것인 에칭 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 혼합물에 황산, 인산 및 물을 주입하는 수단은 밸브를 가진 복수의 스파이크 선로인 것인 에칭 시스템.
  19. 제13항에 있어서, 처리 챔버에 황산, 인산 및 물을 공급하는 수단과 혼합물에 황산, 인산 및 물을 주입하는 수단은 동일한 것인 에칭 시스템.
  20. 제13항에 있어서, 상기 유출 수단은 유출 선로에 동작적으로 결합된 유출 밸브를 포함하는 것인 에칭 시스템.
  21. 제13항에 있어서,
    처리 챔버에서 하나 이상의 기판을 처리하는 동안 혼합물의 미립자 수를 계속하여 측정하고 측정된 미립자 수를 표시하는 신호를 생성하는 미립자 계수기를 더 포함하며;
    상기 프로세서는 미립자 계수기에 더 결합되어 동작하고;
    상기 프로세서는, 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수 이상임을 표시하는 신호를 수신한 때, 하나 이상의 기판 처리 중에 혼합물의 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 복귀시키기 위해, 소정 양의 황산, 인산 및/또는 물을 폐루프 순환 시스템에 추가하도록 상기 주입 수단을 자동으로 활성화시키고 폐루프 순환 시스템으로부터 실질적으로 동일한 양의 혼합물을 배수시키도록 유출 수단을 활성화하게끔 추가로 프로그래밍된 것인 에칭 시스템.
  22. 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 방법에 있어서,
    처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체가 흐르도록 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템을 제공하는 단계와;
    폐루프 순환 시스템에 미리 정해진 양의 에천트를 공급하는 단계로서 상기 에천트는 처리 챔버를 충전하고 재순환 선로로 오버플로우하는 것인 에천트 공급 단계와;
    처리 챔버 내의 에천트에 하나 이상의 기판을 담그는 단계와;
    폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 순환시키는 단계와;
    에천트의 미립자 수를 미립자 계수기로 계속하여 측정하는 단계와;
    에천트가 미리 정해진 미립자 수 이상의 측정된 미립자 수를 갖는 것으로 검출되면, 폐루프 순환 시스템 내의 에천트의 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 복귀시키기 위해, 하나 이상의 기판 처리 중에 폐루프 순환 시스 템으로부터 소정 양의 오염된 에천트를 자동으로 유출시키는 한편 폐루프 순환 시스템에 새로운 에천트를 주입함으로써 그 양을 대체시키는 단계를 포함하는 에칭 방법.
  23. 하나 이상의 기판으로부터 실리콘 질화물을 에칭하는 시스템에 있어서,
    처리 챔버 및 이 처리 챔버에 유체가 흐르도록 결합된 재순환 선로를 구비한 폐루프 순환 시스템과;
    미리 정해진 양의 에천트를 폐루프 순환 시스템에 공급하는 수단과;
    폐루프 순환 시스템을 통해 혼합물을 유동시키는 수단과;
    처리 챔버에서 하나 이상의 기판을 처리하는 동안 에천트 내의 미립자 수를 계속하여 측정하고 측정된 미립자 수를 표시하는 신호를 생성하는 미립자 계수기와;
    폐루프 순환 시스템에 에천트를 주입하는 수단과;
    폐루프 순환 시스템으로부터 에천트를 유출시키는 수단과;
    미립자 계수기, 주입 수단 및 유출 수단에 결합하여 동작하는 프로세서를 포함하고;
    상기 프로세서는, 측정된 미립자 수가 미리 정해진 미립자 수 이상임을 표시하는 신호를 수신한 때, 폐루프 순환 시스템 내의 에천트의 미립자 수를 미리 정해진 미립자 수로 또는 그 미만으로 복귀시키기 위해, 하나 이상의 기판 처리 중에 프로세서가 소정 양의 새로운 에천트를 폐루프 순환 시스템에 추가하도록 상기 주 입 수단을 자동으로 활성화시키고 폐루프 순환 시스템으로부터 실질적으로 동일한 양의 에천트를 배수시키도록 상기 유출 수단을 활성화시키게끔 프로그래밍된 것인 에칭 시스템.
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