KR20070031031A

KR20070031031A - 막 형성 장치 세정 방법

Info

Publication number: KR20070031031A
Application number: KR1020050085580A
Authority: KR
Inventors: 서정훈; 홍진기; 구경범; 최윤호; 이은택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-19

Abstract

막 형성 장치 내부의 세정 효율을 증가시킬 수 있는 막 형성 장치의 세정 방법은 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스및 ClF₃ 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 두 개의 가스를 Ti 또는 TiN 증착 공정이 완료된 공정 챔버로 공급한 후, 상기 가스들로 상기 공정 챔버 내부에 증착된 Ti막 또는 TiN막을 제거한다. 이때, 상기 공정 챔버의 세정은 상기 공정 챔버가 상기 증착 공정시의 공정 온도와 동일한 온도 상태에서 이루어진다.

Description

막 형성 장치 세정 방법{Method for cleaning apparatus for forming a layer}

도 1은 종래 기술에 따른 막 형성 장치의 세정시 공정 챔버의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 2는 증착 공정이 수행되는 막 형성 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막 형성 장치의 세정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4는 도 3의 막 형성 장치의 세정시 공정 챔버의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 챔버 120 : 스테이지

130 : 스테이지 히터 140 : 냉각 라인

150 : 샤워 헤드 160 : 반응 가스 공급부

170 : 샤워 헤드 히터 180 : 방열판

190 : 냉각 공간 200 : 절연 부재

210 : 고주파 전원 220 : 구동부

W : 웨이퍼

본 발명은 막 형성 장치의 세정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증착 공정에 의해 공정 챔버의 내부에 형성된 막을 제거하기 위한 막 형성 장치의 세정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼 상에 막을 형성하기 위해 증착 공정이 수행된다. 상기 증착 공정에 의해 상기 웨이퍼 상에 금속 물질 또는 금속 질화물도 증착된다. 상기 금속 물질 또는 금속 질화물들은 금속 배선이나 콘택, 배리어로 사용되며 낮은 저항을 가지며 내부식성이 우수하다. 상기 금속 물질의 예로는 Ti(티탄), W(텅스텐), Mo(몰리브덴) 등이 있다. 특히, Ti 막은 전기 저항 및 내부식성 등과 같은 특성이 우수하여 다용도로 사용되고 있다.

화학 기상 증착(chemical vapor deposition, 이하 CVD라 합니다) 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 CVD 방법으로 Ti막 또는 TiN막을 형성하는 경우, TiCl₄(사염화 티탄) 가스 및 H₂ 가스를 공정 가스로 공급하여 Ti막 또는 TiN막을 형성한다.

상기 막 형성시 상기 Ti막 또는 TiN막은 웨이퍼 뿐만 아니라 공정 챔버의 내벽, 웨이퍼가 놓여지는 스테이지, 상기 공정 가스가 공급되는 샤워 헤드 등에도 형성된다.

상기 공정 챔버의 내벽, 스테이지, 샤워 헤드 등에 증착된 Ti막 또는 TiN막은 상기 막 형성 공정시 떨어져 파티클로 작용할 수 있다. 따라서 웨이퍼 결함의 한 원인이 된다.

따라서, 상기 공정 챔버 내부에 형성된 Ti막 또는 TiN막을 제거하기 위한 세정 공정은 임의의 개수, 예를 들면 25 매의 증착 공정이 완료되면 이루어진다.

일반적으로 상기 세정 공정은 상기 증착 공정이 완료된 웨이퍼가 공정 챔버 외부로 이송되면, 상기 공정 챔버의 온도를 Ti막 또는 TiN막 형성 온도인 약 650℃로부터 세정 온도인 약200 내지 300℃의 온도로 하강시킨다. 상기 공정 챔버의 온도가 세정 온도에 도달하면 상기 공정 챔버로 ClF₃ 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부의 Ti막 또는 TiN막을 제거하는 세정 공정을 수행한다.

상기에서와 세정 공정시 상기 공정 챔버의 온도를 약 200 내지 300℃로 하강하는데, 그 이유는 막 형성 온도인 약 650℃에서는 상기 ClF₃ 가스의 식각 속도가 너무 빨라 상기 공정 챔버의 내벽이나 스테이지, 샤워 헤드 등을 손상시키기 때문이다.

따라서, 상기 세정 공정이 완료되면, 상기 공정 챔버의 온도를 다시 막 형성 온도인 약 650℃의 온도로 상승시킨 후 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 공정을 다시 수행하게 된다.

도 1을 참조하면, T1은 공정 챔버의 온도가 막 형성 온도인 약 650℃로 설정된 Ti막 또는 TiN막 형성 단계이다. 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 단계에서는 공정 가스가 공급되면서 다수의 웨이퍼들이 순차적으로 증착된다.

상기 Ti막 또는 TiN막 형성 단계가 완료되면, T2, T3 및 T4로 이루어지는 세정 단계가 수행된다. 상기 세정 단계에서, 우선 T2 동안 상기 공정 챔버의 온도가 막 형성 온도인 650℃로부터 세정 온도인 약 200 내지 300℃로 하강한다. 상기 공정 챔버의 온도가 세정 온도에 도달하면, T3 동안 ClF₃ 가스를 상기 공정 챔버로 공급하여 ClF₃ 가스로 상기 공정 챔버 내부의 Ti막 또는 TiN막을 제거한다. 상기 Ti막 또는 TiN막의 제거가 완료되면, T3 동안 상기 공정 챔버의 온도를 다시 막 형성 온도인 약 650℃로 상승하고 세정 단계가 완료된다.

이후, 다시 막 형성 단계를 진행한다. 그러므로 상기 막 형성 단계(T1) 및 세정 단계(T2 내지 T4)가 반복적으로 수행된다.

상기에서와 같이 종래의 세정 처리를 위해서는 Ti막 또는 TiN막이 제거되는 시간(T3) 전후에 상기 공정 챔버의 온도를 하강시키기 위한 시간(T2) 및 상기 공정 챔버의 온도를 상승시키기 위한 시간(T4)이 필요하다. 따라서 상기 공정 챔버의 온도 상승 및 하강 시간(T2 및 T4) 동안 막 형성 공정이 수행될 수 없다. 그러므로 상기 막 형성 장치의 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

그리고 상기 공정 챔버의 온도가 막 형성 온도 및 세정 온도 사이에서 상승 및 하강을 반복하므로 상기 공정 챔버 내벽, 스테이지 및 샤워 헤드 등의 피로가 누적되어 수명이 단축되는 문제점도 발생한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공정 챔버의 온도를 막 형성 온도로 유지한 상태에서 상기 공정 챔버의 내부를 세정할 수 있는 막 형성 장치의 세정 장치를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 막 형성 장치의 세정 방법은 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스및 ClF₃ 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 두 개의 가스를 Ti 또는 TiN 증착 공정이 완료된 공정 챔버로 공급한 후, 상기 가스들로 상기 공정 챔버 내부에 증착된 Ti막 또는 TiN막을 제거한다.

상기 Ti막 또는 TiN 막 제거시 상기 공정 챔버는 상기 증착 공정시의 공정 온도인 450 내지 700℃와 동일한 온도 상태인 것이 바람직하다. 또한, 상기 가스들의 유량비는 약 1 : 0.1 내지 10인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 막 형성 장치의 세정 방법은 Ti/TiN 증착 공정이 수행되는 온도와 동일한 온도 상태에서 바로 상기 공정 챔버 내부의 세정을 수행한다. 따라서 상기 막 형성 장치의 세정 효율을 높일 수 있다. 그리고 상기 불화질소 가스 및 불소 가스의 혼합 가스에 의한 세정 속도가 빠르지 않아 상기 혼합 가스에 의해 상기 공정 챔버 내부가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 막 형성 장치의 세정 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 상기 막 형성 장치(100)는 기밀하게 구성된 대략 원통형 혹은 박스 형상의 챔버(110)를 갖고 있다. 챔버(110)의 속에는 피처리체인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 스테이지(120)가 설치되어 있다. 챔버(110)의 바닥부 중앙에는, 하방으로 돌출하는 스테이지 유지 부재(112)가 밀봉 링을 거쳐 장착되어 있다. 스테이지(120)의 바닥면에 접합된 원통형의 지지 부재(122)가 스테이지 유지 부재(112)를 관통하여 외부까지 연장된다. 챔버(110) 및 스테이지 유지 부재(112)는 도시되지는 않았지만 가열 기구를 갖고 있다. 상기 가열 기구에 전원(미도시)으로부터 전력 공급됨으로써 챔버(110) 및 스테이지 유지 부재(112)는 소정의 온도로 가열된다.

상기 스테이지(120)의 외연부에는 플라즈마의 생성을 안정시키는 링(124)이 설치되어 있다. 또한, 스테이지(120)내에는 스테이지 히터(130)가 내장되어 있다. 이 스테이지 히터(130)가 도시하지 않은 전원으로부터 전력 공급됨으로써, 스테이지(120) 상에 놓여지는 피처리체인 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 가열된다.

상기 스테이지 히터(130)는 상기 웨이퍼(W) 상에 Ti 막을 형성하는 경우에는 630℃ 정도의 온도로 가열되고, TiN 막을 형성하는 경우에는 700℃ 정도의 온도로 가열된다.

상기 스테이지(120)의 내부에는 상기 스테이지(120)에 의해 지지되는 웨이퍼(W) 또는 상기 스테이지(120)를 냉각하기 위한 냉각 라인(140)이 구비된다. 상기 냉각 라인(140)은 냉매를 순환시켜 상기 웨이퍼(W) 또는 상기 스테이지(120)를 원하는 온도로 냉각시킨다. 상기 막 형성 장치(100)는 웨이퍼(W) 상에 Ti 막을 형성하는 공정 후 TiN 막을 형성하는 공정이 수행된다. 따라서 상기 냉각 라인(140)은 TiN 막 형성 공정이 완료된 웨이퍼(W)를 냉각한다. 또한 상기 냉각 라인(140)은 선행하는 웨이퍼(W)에 대한 상기 TiN 막 형성 공정 후 후속의 웨이퍼(W)에 대한 Ti 막 형성 공정을 위해 고온의 스테이지(120)를 냉각한다.

상기 웨이퍼(W)를 냉각하기 위해 상기 스테이지(120)에 의해 지지되는 웨이퍼(W)의 뒷면에 직접 냉각 가스를 공급할 수도 있다. 상기 냉각 가스로는 불활성 가스가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 챔버(110)의 상부에는 스테이지(120)에 대향하도록 샤워헤드(150)가 설치되어 있다. 상기 샤워헤드(15O)는 상단 플레이트(151), 중단 플레이트(152) 및 하단 플레이트(153)를 갖고 있다. 샤워헤드(150)의 평면 형상은 원형이다.

상단 플레이트(151)는 중단 플레이트(152) 및 하단 플레이트(153)와 함께 샤워헤드 본체 부분을 구성하는 수평부(151a)와, 이 수평부(151a)의 외주 상방으로 연속하는 환형의 지지부(151b)를 갖고 있다. 상단 플레이트(151)는 전체적으로 오목 형상이다.

상단 플레이트(151)는 베이스 부재로서 기능한다. 이 상단 플레이트(151)의 수평부(151a)의 외주의 하부에, 환형으로 형성된 오목 형상의 중단 플레이트(152) 의 외주의 상부가 나사 고정된다. 또한, 중단 플레이트(152)의 하면에 상기 하단 플레이트(153)의 상면이 나사 고정된다. 상단 플레이트(151)의 수평부(151a)의 하면과 오목부를 갖는 중단 플레이트(152)의 상면 사이에 제1 공간(154)이 기밀하게 형성되어 있다. 중단 플레이트(152)의 하면에는, 복수의 홈이 방사상으로 균등하게 형성되어 있다. 중단 플레이트(152)와 하단 플레이트(153)도 기밀하게 접합되고, 중단 플레이트(152)의 하면에 형성된 복수의 홈과 하단 플레이트(153)의 상면 사이에 제2 공간(155)이 형성되어 있다. 중단 플레이트(152)에는 제1 공간(154)으로부터 중단 플레이트(152)에 형성되는 복수의 구멍을 거쳐 하단 플레이트(153)를 향해 관통하는 다수의 제1 가스 통로(152a)와, 제1 공간(154)으로는 연통하지 않고 상기 제2 공간(155)과 연통하는 제2 가스 통로(152b)가 형성되어 있다. 하단 플레이트(153)에는 제1 가스 통로(152a)로 연통하는 다수의 제1 가스 토출 구멍(153a)과, 상기 제2 공간(155)으로 연통하는 다수의 제2 가스 토출 구멍(153b)이 형성되어 있다.

상단 플레이트(151)의 상면에는 제1 가스 도입관(156)과 제2 가스 도입관(157)이 접속되어 있다. 그리고, 제1 가스 도입관(156)은 제1 공간(154)으로 연통하고 있고, 제2 가스 도입관(157)은 중단 플레이트(152)의 제2 가스 통로(152b) 및 상기 제2 공간(155)으로 연통하고 있다. 따라서, 제1 가스 도입관(156)으로부터 도입되는 가스는 제1 공간(154) 및 제1 가스 통로(152a)를 통과하여 제1 가스 토출 구멍(153a)으로부터 토출된다.

한편, 제2 가스 도입관(157)으로부터 도입되는 가스는 제2 가스 통로(152b) 를 통해 상기 제2 공간(155)으로 도입되고, 제2 가스 토출 구멍(153b)으로부터 토출된다. 즉, 샤워 헤드(10)는 제1 도입관(156)으로부터 공급되는 가스와 제2 도입관(157)으로부터 공급되는 가스가 독립적으로 챔버(110) 내에 공급되는 매트릭스 타입으로 되어 있다. 즉, 제1 도입관(156)으로부터 공급되는 가스와 제2 도입관(157)으로부터 공급되는 가스는 샤워헤드(150)내에서 혼합되지 않은 상태로 별도로 공급된다.

반응 가스 공급부(160)는 제1 세정 가스인 NF₃ 가스를 공급하는 NF₃ 가스 공급원(161), 공정 가스인 TiCl₄ 가스를 공급하는 TiCl₄ 가스 공급원(162), 캐리어 가스인 Ar 가스를 공급하는 Ar 가스 공급원(163), 환원 가스인 H₂ 가스를 공급하는 H₂ 가스 공급원(164), TiN 막의 형성시에 사용하는 NH₃ 가스를 공급하는 NH₃ 가스 공급원(165) 및 제2 세정 가스인 F₂ 가스를 공급하는 F₂ 가스 공급원(166)을 갖고 있다.

상기에서 제1 세정 가스로 NF3, 제2 세정 가스로 F2가 사용되는 것으로 설명되었지만, 상기 제1 세정 가스 및 제2 세정 가스는 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스, ClF₃ 가스로 이루어진 군에서 선택된 어느 두 개가 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스, ClF₃ 가스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 두 개의 가스가 세정 가스로 사용될 수도 있다.

NF₃ 가스 공급원(161), TiCl₄ 가스 공급원(162), Ar 가스 공급원(163)은 상 기 제1 도입관(156)과 연결된다. 따라서, NF₃ 가스 공급원(161), TiCl₄ 가스 공급원(162), Ar 가스 공급원(163)으로부터 공급되는 각 가스는 제1 도입관(156)을 통과하여 샤워헤드(150)의 중단 플레이트(152)의 제2 가스 통로(152b)에 이른다. 이어서 상기 제2 공간(155)에 도입되고, 하단 플레이트(153)의 제2 가스 토출 구멍(153b)으로부터 토출된다.

또한, H₂ 가스 공급원(164), NH₃ 가스 공급원(165), F2 가스 공급원(166)은 상기 제2 도입관(157)과 연결된다. 따라서 H₂ 가스 공급원(164), NH₃ 가스 공급원(165), F2 가스 공급원(166)으로부터 공급되는 각 가스는 제2 도입관(157)을 통과하여 샤워헤드(150)의 제1 공간(154)에 도입된다. 이어서 중단 플레이트(152)의 제1 가스 통로(152a)를 통과하여, 하단 플레이트(153)의 제1 가스 토출 구멍(153a)으로부터 토출된다.

따라서, Ti 막을 형성하는 경우 TiCl₄ 가스와 H₂ 가스는 가스의 공급 도중에는 혼합되지 않은 상태로 챔버(110) 내로 토출된 후에 혼합된다. 플라즈마가 형성되어 원하는 반응이 일어나고, 웨이퍼(W) 상에 Ti 박막이 형성된다.

TiN 막을 형성하는 경우 TiCl₄ 가스와 NH₃ 가스는 가스의 공급 도중에는 혼합되지 않은 상태로 챔버(110) 내로 토출된 후에 혼합된다. 고온에 의해 열분해되어 원하는 반응이 일어나고, 웨이퍼(W) 상에 TiN 박막이 형성된다.

상기에서 캐리어 가스로 Ar이 사용되었지만 N₂ 또는 He가 사용될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만 각 가스 공급원과 가스 도입관의 사이에는 각각 유량 제어기와 개폐 밸브가 구비되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 가스 도입관으로 공급되는 가스의 종류를 변경할 수 있다.

상단 플레이트(151)의 수평부(151a)의 상면에는, 스테이지(120)상에 탑재되는 웨이퍼(W) 전면에 대응하도록 샤워헤드 히터(170)가 배치되어 있다. 샤워헤드 히터(170)는 예컨대 얇은 판 형상의 히터재를 운모(mica) 절연판으로 샌드위치 구조로 끼워서 구성될 수 있다. 상기 샤워 헤드 히터(170)는 전원(172)과 연결된다.

샤워헤드 히터(170)의 상방에는 제3 공간(190)이 형성되어 있다. 제3 공간(190)의 상방에는 절연 부재(200)가 설치되어 있다. 상기 제3 공간(190)은 상기 샤워헤드(150)의 냉각을 위한 건식 가스가 순환하기 위한 공간이다. 상기에서는 제3 공간(190) 형태로 형성되었지만, 상기 절연 부재(200)의 내부에 라인 형태로 구비될 수도 있다.

상기 제3 공간(190)은 건식 가스 공급 라인(202)과 연결된다. 따라서 상기 건식 공기는 냉매체로서 절연 부재(200)를 관통하여 제3 공간(190)으로 도입된다. 그리고, 샤워헤드 히터(170)로부터 제3 공간(190) 내로 방출된 열을 빼앗아 배출구(미도시)를 거쳐 배출된다.

상기 절연 부재(200)의 상부에는 방열판(180)이 구비된다. 상기 방열판(180)은 알루미늄 재질로 형성된다. 상기 방열판(180)은 상기 샤워 헤드(10)로부터 발생하는 열을 고르게 분산시켜 공기 중으로 발열이 쉽게 이루어지도록 한다.

상기에서는 냉각 가스로 건식 공기가 사용되었지만, 상기 건식 공기 대신 헬 륨, 아르곤, 수소, 질소 등이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다.

또한, 샤워헤드(150)의 상단 플레이트(151)의 상면에는 전력 공급봉(45)이 접속되어 있다. 이 전력 공급봉(214)에는 정합기(212)를 거쳐 고주파 전원(210)이 접속되어 있다. 그리고, 이 고주파 전원(210)으로부터 샤워헤드(150)에 고주파 전력이 공급된다.

상기 고주파 전원(210)은 온/오프가 가능하도록 구비된다. 웨이퍼(W)에 Ti 막을 형성하는 경우 상기 고주파 전원(210)이 온 상태가 되어 상기 반응 가스 공급부(160)에서 공급되는 TiCl₄ 가스 및 H₂ 가스가 플라즈마 상태가 되도록 한다.

상기에서는 상기 샤워헤드(150)에 연결된 고주파 전원(210)에 의해 상기 가스들이 플라즈마 상태가 되지만, 경우에 따라서는 상기 가스들이 리모트 플라즈마 방식에 의해 플라즈마 상태로 상기 챔버(110)로 공급될 수도 있다.

한편 웨이퍼(W)에 TiN 막을 형성하는 경우 상기 반응 가스 공급부(160)로부터 공급되는 TiCl₄ 및 NH₃ 가스가 고온에 의해 열분해되므로 상기 고주파 전원(210)이 오프 상태가 된다.

챔버(110)의 바닥부에 장착된 원통형의 스테이지 유지 부재(112)의 바닥부의 측벽에는 배기관(114)이 접속되어 있다. 배기관(114)에는 배기 장치(116)가 접속되어 있다. 상기 배기 장치(116)의 작동에 의해 챔버(110) 내부의 미반응 가스 및 공정 부산물이 배기된다. 그리고 상기 배기 장치(116)를 작동시킴으로써 챔버(110)내가 소정의 진공도까지 감압될 수 있다.

상기 유지 부재(112)의 외부로 연장된 지지 부재(122)에는 구동부(220)가 연결된다. 상기 구동부(220)는 상기 지지부재(122) 및 스테이지(120)를 상승 및 하강시킨다. 따라서 상기 스테이지(120)와 샤워 헤드(150)와의 간격을 조절할 수 있다. 구체적으로 상기 웨이퍼(W) 상에 Ti 막을 형성하는 경우에는 상기 스테이지(120)와 상기 샤워 헤드(150)의 간격을 상대적으로 좁게 유지시키고, 상기 웨이퍼(W) 상에 TiN 막을 형성하는 경우에는 상기 스테이지(120)와 상기 샤워 헤드(150)의 간격을 상대적으로 넓게 유지시킨다.

한편 상기 지지부재(122)에는 상기 구동부(220)에 의해 상승 또는 하강 범위를 한정하기 위한 걸림턱이 구비될 수도 있다.

상기 실시예에서 상기 스테이지(120)가 상승 또는 하강하여 상기 스테이지(120)와 샤워 헤드(150) 사이의 간격을 조절하는 것으로 도시되었지만, 상기 샤워 헤드(150)에 상기 샤워 헤드를 하강 또는 상승시킬 수 있는 구동부를 구비하여 상기 스테이지(120)와 샤워 헤드(150) 사이의 간격을 조절할 수도 있다. 또한 상기 스테이지(120) 및 샤워 헤드(150)에 각각 구동부를 구비하여 상기 스테이지(120)와 샤워 헤드(150) 사이의 간격을 조절할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 막 형성 장치의 세정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 도 3의 막 형성 장치의 세정시 공정 챔버의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 4의 T1에서는 우선 챔버(110) 일측에 구비된 게이트 밸브(미도시)가 개방되고, 웨이퍼(W)가 챔버(110)내로 반입되어 스테이지(120) 상에 지지된다. 이어서 Ti 막 또는 TiN 막 형성 공정이 수행된다.

구체적으로, 상기 Ti 막 형성을 위해 상기 스테이지 히터(130)는 상기 스테이지(120)를 약 450 내지 700℃ 정도, 바람직하게는 약 630℃로 가열한다. 이어서, 상기 가스 공급부(160)로부터 Ti 막 증착을 위한 반응 가스, 즉 H₂ 가스, TiCl₄ 가스 및 그 밖의 가스가 소정 유량으로 공급되고, 상기 고주파 전원(210)으로부터 샤워헤드(150)로 고주파 전력이 공급되어 상기 챔버(110) 내에 플라즈마가 생성된다. 따라서 웨이퍼(W) 상에 Ti막이 형성된다.

한편, 상기 TiN 막 형성을 위해 상기 스테이지 히터(130)는 상기 스테이지(120)를 약 450 내지 700℃ 정도, 바람직하게는 약 700℃로 가열한다. 이어서, 상기 가스 공급부(160)로부터 TiN 막 증착을 위한 반응 가스, 즉 NH₃ 가스, TiCl₄ 가스 및 그 밖의 가스가 소정 유량으로 공급된다. TiN 막은 열분해 방식으로 이루어지므로 샤워헤드(150)로 고주파 전력이 공급되지 않도록 상기 고주파 전원(210)은 오프 상태로 된다. 따라서 웨이퍼(W) 상에 TiN막이 형성된다.

상기와 같은 Ti막 또는 TiN막 형성 공정에 의해 상기 공정 챔버(110)의 내벽, 상기 스테이지(120), 샤워 헤드(150) 등에도 Ti막 또는 TiN막이 형성된다. 이어서 상기 게이트 밸브(미도시)를 개방하여 Ti막 또는 TiN막 형성 공정이 완료된 웨이퍼(W)를 챔버(110)의 외부로 반출한다.

이후 도 4의 T2에서와 같이 본 발명에 따른 상기 공정 챔버(110)의 세정이 수행된다.(도 3참조)

구체적으로, 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 공정이 완료된 웨이퍼(W)를 챔버(110)의 외부로 반출된 후, 상기 게이트 밸브는 차단된다. 그리고 상기 배기 장치(116)의 작동에 의해 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 공정의 미반응 가스 및 공정 부산물이 배기구(114)를 통해 배출된다. 이때, 상기 공정 챔버(110)의 온도는 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 공정시와 동일한 온도로 유지된다.

상기와 같은 상태에서 상기 공정 챔버(100)의 내벽, 상기 스테이지(120), 샤워 헤드(150) 등에 형성된 Ti막 또는 TiN막을 제거하기 위해 상기 가스 공급부(160)로부터 상기 공정 챔버(110)의 세정을 위한 반응 가스, NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스, ClF₃ 가스로 이루어진 군에서 선택된 어느 두 개의 가스가 제1 세정 가스 및 제2 세정 가스로 공급된다.(S100)

예를 들면, NF₃ 가스 및 F₂ 가스, NF₃ 가스 및 C₂F₂ 가스, NF₃ 가스 및 ClF₃ 가스, F₂ 가스 및 C₂F₂ 가스, F₂ 가스 및 ClF₃ 가스, C₂F₂ 가스 및 ClF₃ 가스가 각각 세정을 위한 공정 가스로 공급될 수 있다. 경우에 따라서는 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스, ClF₃ 가스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 세 개의 가스가 세정 가스로 사용될 수도 있다.

상기 가스들의 유량비, 즉 제1 세정 가스와 제2 세정 가스의 유량비는 약 1 : 0.1 내지 10 정도인 것이 바람직하다. 상기 두 가스의 유량비는 약 1 : 1인 것이 보다 바람직하다. 그리고 상기 고주파 전원(210)으로부터 샤워헤드(150)로 고주파 전력이 공급되어 상기 공정 챔버(110)로 공급된 가스들을 플라즈마 상태로 형성한다. 경우에 따라서는 상기 고주파 전원(210)이 아닌 리모트 플라즈마 방식에 의해 상기 가스들이 상기 공정 챔버(110)의 외부에서 플라즈마 상태로 형성된 후 상기 공정 챔버(110)로 공급될 수 있다.

그러나, 상기 고주파 전원(210)이 오프되어 인가되지 않고, 상기 가스들이 상기 플라즈마 상태가 되지 않을 수도 있다.

이후, 상기 가스들과 상기 공정 챔버(110)의 내벽, 상기 스테이지(120), 샤워 헤드(150)에 형성된 Ti막 또는 TiN막의 반응에 의해 상기 공정 챔버(110) 내부의 Ti막 또는 TiN막을 제거한다.(S200)

한편, 상기 가스들과 상기 Ti막 또는 TiN막의 반응에 의해 다양한 부산물이 생성된다. 상기 부산물에는 TiF₄ 와 TiF₃가 포함된다.

상기에서 TiF₄의 경우 상온에서 고체(solid) 상태이지만 녹는점(melting point)이 155℃, 끓는점(boiling point) 377℃이다. 따라서 공정 챔버의 온도가 450 내지 700℃로 유지될 경우 TiF₄가 가스 상태가 되므로 안정적으로 부산물인 TiF₄를 제거할 수 있다. 상기 TiF₃의 경우 녹는점이 1200℃, 끓는점이 1400℃로 450 내지 700℃로 유지되는 상기 공정 챔버 내에서도 고체 상태이므로 제거가 어렵다.

그러나 상기 가스들과 상기 Ti막 또는 TiN막의 반응에 의해 생성되는 부산물은 고체 상태의 TiF₃보다 기체 상태인 TiF₄가 많으므로 제거가 용이하다.

상기와 같이 Ti막 또는 TiN막이 제거되는 동안에도 상기 공정 챔버(110)의 온도는 막 형성 공정의 온도, 약 450 내지 700℃로 유지된다. 따라서 상기 막 형성 공정의 온도와 동일한 온도 조건에서 상기 Ti막 또는 TiN막이 제거된다. 이어서, 고주파 전원(210)의 전력 공급 및 NF₃ 가스 및 F₂ 가스의 공급이 중지된다.

이어서, 다시 웨이퍼(W)가 챔버(110)내로 반입되어 스테이지(120) 상에 지지되며, T1과 같이 Ti 막 또는 TiN 막 형성 공정이 수행된다. 상기 Ti막 또는 TiN막 형성 공정이 다시 수행되더라도 상기 공정 챔버(110)의 온도를 변화시킬 필요가 없다. 따라서 상기 공정 챔버(110)의 세정후 막 형성 공정이 바로 시작될 수 있다. 그 이유는 상기 공정 챔버(110)의 온도가 상기 세정 공정에서나 막 형성 공정에서 약 450 내지 700℃의 온도로 일정하게 유지되기 때문이다.

이후, 상기 막 형성 공정 및 세정 공정은 도 4에 도시된 바와 같이 순차적으로 반복된다. 그리고 상기 막 형성 공정에서 세정 공정으로 진행하거나 세정 공정에서 막 형성 공정으로 진행하더라도 상기 공정 챔버(110)의 온도를 상승시키거나 하강시킬 필요가 없다. 그러므로 상기 공정 챔버(110)의 온도를 변화시키는데 소요되는 시간을 절약할 수 있어 상기 막 형성 장치(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.

시뮬레이션 결과

이하에서는 TiN을 여러 종류의 세정 가스를 이용하여 세정하는 경우 부산물의 종류 및 생성 정도를 시뮬레이션한 결과이다.

시뮬레이션 1은 온도(T) 300.00℃, 압력(P) 4.00000E-03atm, 부피(V) 1.68254E+04dm3 의 조건에서 TiN(s) 1 mol과 ClF₃(ideal gas) 1 mol을 반응하였다. 총 생성물은 1.4310mol(0.45177 TiF₄ + 0.34941 N₂ + 0.15059 TiCl ₄ + 0.48226E-01 Cl₂ + 0.21336E-07 Cl + 0.21455E-09 TiF₃ + 0.48335E-14 ClF + 0.27037E-15 TiCl₃ + 0.32732E-21 F + 0.72360E-26 Ti₂Cl₆ + 0.71542E-32 TiF₂ + 0.10091E-36 F₂ + 0.36505E-37 TiCl₂ + 0.89037E-39 N + 0.34311E-40 NF + 0.15354E-42 N₃ + 0.14491E-44 NF₂ + 0.89375E-51 ClF₃ + 0.66253E-53 FNNF(g) + 0.41533E-53 NF₃ + 0.70460E-54 FNNF(g2) + 0.17625E-64 TiF + 0.10233E-66 TiCl)이다.

상기에서와 같이 TiN 1mole이 ClF₃ 1mole과 반응하여 0.45177 mole TiF₄ 를 생성하였으며, 0.15059 mole TiCl₄ 및 0.21455E-09 mole TiF₃ 를 생성하였다. 따라서 TiN 1mole 중에 60%인 0.6mole 정도가 반응되었음을 확인할 수 있다.

상기에서 ClF₃로 300℃인 공정 챔버를 세정시 부산물로 고체 상태인 TiF₃ 보다는 가스 상태인 TiF₄가 생성되므로 효과적인 세정이 가능하였다.

시뮬레이션 2는 온도(T) 650.00℃, 압력(P) 4.00000E-03atm, 부피(V) 1.96781E+04dm3 의 조건에서 TiN(s) 1.0000E+00 mol과 NF₃(ideal gas) 1.0000E+00 mol을 반응하였다. 총 생성물은 1.0391mol( 0.96233 N₂ + 0.37356E-01 TiF₃ + 0.30974E-03 TiF₄ + 0.18521E-07 TiF₂ + 0.26503E-17 F + 0.10534E-19 TiF + 0.38674E-22 N + 0.15979E-27 N₃ + 0.23416E-29 Ti + 0.29181E-30 NF + 0.15421E-34 F₂ + 0.10340E-40 NF₂ + 0.64583E-48 FNNF(g) + 0.19509E-48 FNNF(g2) + 0.36419E-54 NF₃) 이다.

상기 시뮬레이션 2의 결과에 따르면, NF₃ 가스를 이용하여 650℃의 고온에서 반응을 실시할 경우 TiN 1mole 중 0.037mole 만이 반응하였다. 그리고 상기 반응에 의한 생성물도 대부분이 TiF₃로 고체 상태이므로 파티클 소스로 남게 된다. 그러므로 650℃에서의 NF₃ 가스를 이용한 세정을 적용하기 어려움을 알 수 있다.

시뮬레이션 3은 온도(T) 650.00℃, 압력(P) 4.00000E-03atm, 부피(V) 6.55937E+03dm3 의 조건에서 TiN(s) 1.0000E+00 mol과 F₂(ideal gas) 1.0000E+00 mol을 반응하였다. 총 생성물은 0.34636 mol(0.96233 N₂ + 0.37356E-01 TiF₃ + 0.30974E-03 TiF₄ + 0.18521E-07 TiF₂ + 0.26503E-17 F + 0.10534E-19 TiF + 0.38674E-22 N + 0.15979E-27 N₃ + 0.23416E-29 Ti + 0.29181E-30 NF + 0.15421E-34 F₂ + 0.10340E-40 NF₂ + 0.64583E-48 FNNF(g) + 0.19509E-48 FNNF(g2) + 0.36419E-54 NF₃)이다.

상기 시뮬레이션 3의 결과에 따르면, 시뮬레이션 2에서와 마찬가지로 F₂ 가 스를 이용하여 650℃의 고온에서 반응을 실시할 경우 TiN 1mole 중 0.037mole 만이 반응하였다. 그리고 상기 반응에 의한 생성물도 대부분이 TiF₃로 고체 상태이므로 파티클 소스로 남게 된다. 그러므로 650℃에서의 F₂ 가스를 이용한 세정을 적용하기 어려움을 알 수 있다.

시뮬레이션 4는 온도(T) 650.00℃, 압력(P) 4.00000E-03atm, 부피(V) 4.26436E+04 dm3 의 조건에서 TiN(s) 1.0000E+00 mol, NF₃(ideal gas) 1.0000E+00 mol 및 F₂(ideal gas) 1.0000E+00 mol을 반응하였다. 총 생성물은 2.7692 mol( 0.36112 TiF ₄ + 0.36107 N₂ + 0.19459 F + 0.83131E-01 F₂ + 0.88298E-04 NF₃ + 0.34144E-07 NF₂ + 0.13124E-13 NF + 0.13063E-14 FNNF(g) + 0.59318E-15 TiF₃ + 0.39460E-15 FNNF(g2) + 0.47035E-22 N₂F₄ + 0.23689E-22 N + 0.36725E-28 N₃ + 0.40056E-38 TiF₂ + 0.31028E-67 TiF)이다.

상기 시뮬레이션 4의 결과에 따르면, 650℃ 온도에서 NF₃ 및 F₂ 가스를 각각 1mole 씩 적용하여 TiN 1mole과 반응을 실시하였을 때 TiN 1mole 중 0.361mole이 반응하였으며, 대부분의 반응 부산물은 TiF₄ 였다. 즉, 상기 시뮬레이션 2 또는 3에서와 같이 NF₃ 또는 F₂ 가스 단독으로 TiN과 반응하였을 경우 3.7%의 TiN 만이 반응하였으며, 고체 상태의 TiF₃ 부산물이 생성되어 파티클 소스로 남게 되었던 반면, 복수의 NF₃ 및 F₂ 가스를 적용하여 TiN과 반응하였을 때 36%의 TiN이 반응하였으며, 대부분의 반응 부산물은 가스 상태의 TiF₄임을 확인할 수 있었다.

시뮬레이션 1에서와 같은 300℃에서 ClF₃ 가스를 이용한 세정의 경우 60%의 TiN이 반응하였던 것에 비해 시뮬레이션 4의 650℃에서 NF₃ 가스와 F₂ 가스의 혼합 가스를 이용한 세정의 경우 36%의 TiN이 반응하였으므로 상기 시뮬레이션 4에서의 반응 효율은 낮지만, 고온에서도 공정 챔버 내부의 손상을 방지하면서 TiN도 효과적으로 제거할 수 있는 것으로 판단된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 막 형성 장치의 세정 방법은 NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스 및 ClF₃ 가스 중에서 선택된 두 개의 가스를 이용하여 막 형성 공정의 공정 온도와 동일한 온도 상태에서 상기 공정 챔버의 내부에 형성된 Ti막 또는 TiN막을 제거한다. 상기 공정 챔버의 온도 변화 없이 막 형성 공정 및 세정 공정을 수행할 수 있으므로 상기 공정 챔버를 포함하는 막 형성 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 상기 가스들로 상기 Ti막 또는 TiN막을 제거하는 경우 반응 부산물로 가스 상태인 TiF₄가 주로 생성된다. 그러므로 상기 반응 부산물을 용이하게 제거할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

NF₃ 가스, F₂ 가스, C₂F₂ 가스 및 ClF₃ 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 두개의 가스를 Ti 또는 TiN 증착 공정이 완료된 공정 챔버로 공급하는 단계; 및

상기 가스들로 상기 공정 챔버 내부에 증착된 Ti막 또는 TiN막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치의 세정 방법.
제1항에 있어서, 상기 공정 챔버는 상기 증착 공정시의 공정 온도와 실질적으로 동일한 온도 상태인 것을 특징으로 하는 막 형성 장치의 세정 방법.
제2항에 있어서, 상기 온도는 450 내지 700℃ 인 것을 특징으로 하는 막 형성 장치의 세정 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스들의 유량비는 1 : 0.1 내지 10인 것을 특징으로 하는 막 형성 장치의 세정 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스들은 플라즈마 상태인 것을 특징으로 하는 막 형성 장치의 세정 방법.