KR20070090567A - 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, 프로세스 챔버 세정을 위해 불소 가스를 주입함과 동시에 공정가스 주입구를 통해서는 불활성 가스를 주입함을 특징으로 한다. 그 결과, 공정가스 주입구 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소할 수 있게 되어 파티클로 인해 공정가스 주입구의 반경이 협소해지는 문제점 및 공정가스 주입구 내부에 형성된 파티클이 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 문제점을 해소할 수 있게 된다. 그리고, 프로세스 챔버 및 웨이퍼에 대한 오염 문제를 해소하여 파티클에 의한 웨이퍼 손실을 최소화하고 PM 주기를 연장시켜 설비 가동률을 향상시킴으로써, 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성 저하를 방지할 수 있게 된다.

반도체, 증착, 불소, 불활성 가스, 파티클, 건식 세정

Description

반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법{cleaning method of processing chamber in semiconductor device manufacturing apparatus}

도 1은 공정가스 분사구 내부에 대한 오염물질 분석 결과를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 세정 방법을 설명하기 위한 통상의 CVD 장치를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 세정 방법을 나타내는 플로우챠트이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100: 프로세스 챔버 102: 상부전극

104: 하부전극 106: 척 조립체

108: 가스 링 110: 공정가스 주입구

112: 세정가스 주입구 114: 게이트 밸브

116: 터보 펌프

본 발명은 반도체 디바이스 제조설비의 세정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 디바이스는 웨이퍼 표면 상부에 절연막 또는 도전막등의 여러 물질막을 증착한 뒤, 이를 패터닝하여 다양한 회로 기하구조를 형성함으로써 제조하게 된다. 이러한 반도체 디바이스를 제조하기 위한 단위 공정은, 크게 반도체 내부로 3B족(예컨대, B) 또는 5B(예컨대, P 또는 As)족의 불순물 이온을 주입하는 불순물 이온주입 공정, 반도체 기판 상에 물질막을 형성하는 박막 증착(deposition)공정, 상기 물질막을 소정의 패턴으로 형성하는 식각 공정, 그리고 웨이퍼 상부에 층간절연막등을 증착한 후에 일괄적으로 웨이퍼 표면을 연마하여 단차를 없애는 평탄화(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 공정을 비롯하여 웨이퍼 및 챔버의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정등과 같은 여러 단위 공정들로 구분할 수 있다.

반도체 디바이스를 제조하기 위해서는 상기와 같은 여러 단위 공정들을 선택적이고도 반복적으로 실시하게 되는데, 이러한 여러 단위 공정을 진행하는 과정에서 많은 오염물질들이 필연적으로 발생하게 된다. 그러므로, 상기한 단위 공정들을 실시한 후, 웨이퍼를 비롯한 프로세스 챔버에 대한 세정공정을 필수적으로 필수적으로 진행하게 된다. 특히, 상기한 여러 단위 공정들중에서 박막 증착공정은 웨이퍼 표면 상부에 도전막 또는 절연막등의 여러 가지 물질막을 형성하는 공정으로서, 형성하고자 하는 물질막에 따라 다양한 종류의 공정가스가 사용된다. 예컨대, 반도체 기판 상부에 절연막을 형성하고자 하는 경우, SiH₄, NH₃, O₂등이 공정가스로 사용된다. 그러나, 상기한 공정가스로 인해 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구를 비롯하여 프로세스 챔버 벽, 히터, 척 및 진공 라인에 이르기까지 프로세스 챔버 전체 영역에 걸쳐 오염이 발생한다.

따라서, 본 분야에서는 분해된 불소 가스를 주기적으로 주입하는 건식 세정 방법을 이용하여 프로세스 챔버 내부의 오염물질을 제거하게 된다. 이러한 건식 세정 방법은 프로세스 챔버를 열지 않은 상태에서 실시하게 되므로 설비 가동률 저하를 방지하여 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성을 확보할 있다는 장점이 있다. 그러나, 충분히 배기되지 못하고 프로세스 챔버 내부에 잔류하고 있던 불소 가스가 박막 증착을 위해 주입된 공정가스와 결합하여 프로세스 챔버 내부에 파티클을 형성하게 된다. 이처럼, 프로세스 챔버 내부에 형성된 파티클은 박막 증착을 위해 프로세스 챔버 내부로 새로이 투입된 웨이퍼 표면으로 드롭된다. 반도체 디바이스의 신뢰성은 대기중에 존재하는 미세 먼지에 의해서도 크게 저하되는 바, 이러한 미세 먼지에 비해 수백배 크기에 달하는 파티클이 웨이퍼 표면에 드롭될 경우, 반도체 디바이스의 신뢰성에 치명적인 에러를 일으키게 된다.

그리고, 도 1은 공정가스 분사구 내부에 대한 오염물질 분석 결과를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 공정가스 주입구 내부로부터 불소(F)를 비롯하여 알루미늄 (Al) 및 실리콘(Si) 성분이 검출되었음을 알 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 불소 가스는 공정가스와 결합하여 파티클을 형성한다. 따라서, 공정가스 주입구 내부에 불소가 존재할 경우, 공정가스와 결합하여 파티클을 형성하게 되고, 이러한 파티클로 인해 공정가스 주입구 내부의 반경이 협소해진다. 그 결과, 공정가스 주입이 원활히 이루어지지 못하게 되어 박막 증착 공정에 악영향을 미치게 된다. 그리고, 공정가스 주입구 내부에서 형성된 파티클은 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키게 된다.

또한, 프로세스 챔버 내부의 파티클 제거를 위하여 오랜 시간 세정 공정을 진행할 경우, PM 주기가 단축되어 설비 가동률을 저하시키고, 그로 인해 반도체 디바이스의 생산성 저하를 야기시키게 된다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 프로세스 챔버 세정을 위해 주입된 불소 가스와 공정가스의 화학반응에 의해 파티클이 발생되는 문제점을 해소할 수 있는 프로세스 챔버 세정 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 프로세스 챔버 세정을 위해 주입된 불소 가스가 공정가스 주입구 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 프로세스 챔버 세정 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 목적은, 파티클에 의한 웨이퍼 손실 및 PM 주기 단축 문제를 해소 할 수 있는 프로세스 챔버 세정 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법은, 프로세스 챔버 내부에 웨이퍼를 로딩한 뒤, 박막 증착을 위한 공정가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부에 박막을 증착하는 단계와; 상기 박막 증착 공정이 완료된 웨이퍼를 프로세스 챔버로부터 인출하는 단계와; 세정가스 주입구를 통해서는 세정 가스를 주입하여 웨이퍼가 인출된 상기 프로세스 챔버 내부의 오염물질을 제거하고, 상기 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구를 통해서는 불활성 가스를 주입하여 상기 세정 가스가 공정가스 주입구 내부로 유입되는 것을 방지하도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

여기서, 상기 박막 증착 공정을 위해 주입된 공정가스는 SiH₄, NH₃, O₂일 수 있으며, 상기 세정 가스는 불소 가스일 수 있다.

또한, 상기 불활성 가스는 N₂, He 또는 Ar일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 카테고리를 벗어나지 않는 범위내에서 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 세정 방법을 설명하기 위한 통상의 CVD 장치를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 상기 CVD 장치는 반도체 기판 상부에 물질막을 증착하기 위한 고밀도 플라즈마 CVD 장치로서, 밀폐된 분위기의 프로세싱 공간인 프로세스 챔버(100)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 프로세스 챔버(100)의 상측 영역에는 고주파 파워가 인가되는 돔(dome) 형상의 상부전극(102)이 구비되어 있다. 그리고, 상기 상부전극(102) 하측 영역에는 프로세스 챔버(100) 내부로 투입되는 웨이퍼(도시되지 않음)를 상기 상부전극(102)에 대향하도록 흡착 고정시키며, 상기 상부전극(102)에 대응하는 고주파 파워가 인가되는 하부전극(104)을 포함하는 척 조립체(106)가 형성되어 있다.

그리고, 상기 상부전극(102)의 말단지점에는 가스 링(108)이 형성되어 있다. 상기 가스 링(108)은 상부전극(102) 및 하부전극(104) 사이에 플라즈마 형성을 위한 공정가스를 공급하기 위한 공정가스공급장치로서, 균일한 간격으로 배치된 복수개의 공정가스 주입구(110)가 형성되어 있다. 또한, 공정가스를 이용한 플라즈마 발생 효율을 높이기 위하여, 프로세스 챔버(100)의 상부에도 공정가스 주입구(110)가 형성되어 있다.

그리고, 프로세스 챔버(100) 상부에 형성되어 있는 공정가스 주입구(110)의 측부에는 세정가스 주입구(112)가 형성되어 있다. 이러한 세정가스 주입구를 통해서 프로세스 챔버(100) 내부를 세정하기 위한 세정가스가 공급된다. 따라서, 상기 공정가스 주입구(110)를 통해 프로세스 챔버(100) 내부로 공정가스를 주입하여 반 도체 기판 상부에 원하는 박막을 증착시킨다. 그리고 나서, 상기 세정가스 주입구(112)를 통해 세정가스를 주기적으로 공급함으로써, 프로세스 챔버(100) 내부를 세정하게 된다.

그리고, 상기 프로세스 챔버(100)의 외측에는 게이트 밸브(114)를 통해 터보 펌프(116)가 연결되어 있다. 상기 프로세스 챔버(100)는 박막 증착공정이 진행되는 외부와 차단된 공간으로서, 이러한 프로세스 챔버(100) 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공 장치로서, 터보 펌프(116)가 사용되고 있다. 즉, 프로세스 챔버(100) 내부로 박막 증착을 위한 공정가스가 투입되면, 프로세스 챔버(100)의 내부의 압력은 일시적으로 상승된다. 따라서, 상기 터보 펌프(116)를 이용하여 상승된 압력을 공정 조건으로 유지시키게 된다. 그리고, 상기 터보 펌프(116)에 의한 펌핑 작용으로 인하여 프로세스 챔버(100) 내부는 공정시 요구되는 압력을 유지하게 됨과 아울러 프로세스 챔버(100) 내부의 미반응 가스 및 공정이 진행되는 동안 발생된 반응부산물 또한 외부로 배출되어진다.

따라서, 상기와 같은 CVD 장치를 이용하여 반도체 기판 상부에 원하는 박막을 증착함에 있어서, 예컨대 SiH₄, NH₃, O₂등의 공정가스가 사용될 수 있다. 그러나, 상기와 같은 SiH₄, NH₃, O₂등의 공정가스를 이용한 박막 증착공정시, 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구(110)를 포함한 프로세스 챔버(100)의 내부 설비가 오염된다. 따라서, 박막 증착공정이 완료된 웨이퍼를 프로세스 챔버(100) 외부로 인출한 뒤, 상기 세정가스 주입구(112)를 통해 분해된 불소 가스를 주입함으로써 프 로세스 챔버(100) 내부의 오염물질을 제거하게 된다.

그러나, 이처럼 프로세스 챔버(100) 세정을 위하여 주입된 불소 가스가 프로세스 챔버(100) 내부, 특히 공정가스 주입구(110)로 유입되어 잔류할 경우, 후속의 박막 증착공정을 위해 주입된 공정가스와 화학적으로 결합하여 파티클을 형성하게 된다. 이처럼, 공정가스 주입구(110) 내부에 파티클이 발생할 경우, 공정가스 주입구 내부의 반경이 협소해져 공정가스 주입이 원활히 이루어지지 못하게 된다. 그리고, 공정가스 주입구 내부에 형성된 파티클은 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 프로세스 챔버(100)에 대한 세정 공정시, 상기 공정가스 주입구(110)를 통해 불활성 가스를 분사시킴으로써, 불소 가스가 공정가스 주입구(110) 내부로 유입되지 못하도록 한다. 그 결과, 공정가스 주입구(110) 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소할 수 있게 됨으로써, 프로세스 챔버 및 웨이퍼에 대한 오염을 최소화할 수 있게 된다.

그러면, 하기의 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 세정 방법을 구체적으로 살펴보기로 하자.

먼저, 제200단계에서는 상기 도 2에 도시되어 있는 CVD 장치의 프로세스 챔버 내부로 웨이퍼를 로딩한다.

제202단계에서는, 공정가스 주입구(110)를 통해 공정가스를 주입함으로써, 웨이퍼 상부에 원하는 박막을 증착한다. 이때, 상기 공정가스 주입구(110)를 통해 주입되는 공정가스는 예컨대, SiH₄, NH₃, O₂등의 공정가스일 수 있다.

제204단계에서는 박막 증착공정이 완료된 웨이퍼를 프로세스 챔버(100) 외부로 인출한다.

제206단계에서는 세정가스 주입구(112)를 통해 세정 가스를 주입하여 프로세스 챔버(100) 내부를 세정한다. 이때, 상기 세정 가스는 분해된 불소 가스일 수 있다. 그리고, 상기 불소 가스를 주입하여 프로세스 챔버(100) 내부를 세정함과 동시에 상기 공정가스 주입구(110)를 통해서는 불활성 가스(예컨대, N₂, He 또는 Ar)가 분사되도록 한다. 여기서, 상기 불활성 가스는 프로세스 챔버(100) 내부로 불소 가스가 주입되는 동안 지속적으로 주입되도록 하는 것이 바람직하다. 이처럼, 공정가스 주입구(110)를 통해 불활성 가스를 공급할 경우, 불소 가스가 공정가스 주입구(110) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다.

종래에는 프로세스 챔버 세정을 위해 주입된 불소 가스가 공정가스 주입구 내부로 유입되어 공정가스 주입구 내부에 파티클을 형성하였다. 그리고, 이러한 파티클로 인해 공정가스 주입구의 반경이 협소해져 공정가스 주입이 원활히 이루어지지 못하여 박막 증착에 차질을 빚었다. 또한, 공정가스 주입구 내부에 형성된 공급부가 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 문제점이 있었다.

그러나, 상기 제206단계에서와 같이, 불소 가스를 이용한 세정 공정 동안 상기 공정가스 주입구(110)를 통해서는 불활성 가스(예컨대, N₂, He 또는 Ar)가 분사 되도록 함으로써, 불소 가스가 공정가스 주입구(110) 내부로 유입되는 것을 방지한다. 그로 인해, 불소 가스가 공정가스 주입구(110) 내부로 유입되지 않아 공정가스 주입구(110) 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소할 수 있게 된다. 그리고, 이처럼 공정가스 주입구(110) 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소함으로써 종래의 문제점, 즉 공정가스 주입구의 반경이 협소해지는 문제점 및 공정가스 주입구 내부에 형성된 파티클이 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 문제점을 해소할 수 있게 된다.

계속해서, 제208단계에서는 세정 공정이 완료된 프로세스 챔버(100) 내부로 새로운 웨이퍼를 로딩한다. 그리고, 제210단계에서는 상기 공정가스 주입구(110)를 통해 공정가스를 주입함으로써, 상기 웨이퍼 상부에 원하는 박막을 증착하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 프로세스 챔버(100) 세정을 위해 불소 가스를 주입함과 동시에 공정가스 주입구(110)를 통해서는 불활성 가스를 주입한다. 이처럼, 공정가스 주입구(110)를 통해 불활성 가스를 주입함으로써, 상기 불소 가스가 공정가스 주입구(110) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어 공정가스 주입구(110) 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소할 수 있게 된다. 그 결과, 파티클로 인해 공정가스 주입구(110)의 반경이 협소해지는 문제점 및 공정가스 주입구(110) 내부에 형성된 파티클이 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버(100) 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 종래의 문제점을 해소할 수 있게 된다.

그리고, 프로세스 챔버 및 웨이퍼에 대한 오염 문제를 해소하여 파티클에 의한 웨이퍼 손실 및 PM 주기 단축 문제를 해소함으로써, 결과적으로 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성 저하를 방지할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는, 프로세스 챔버 세정을 위해 불소 가스를 주입함과 동시에 공정가스 주입구를 통해서는 불활성 가스를 주입함을 특징으로 한다. 그 결과, 공정가스 주입구 내부에 파티클이 형성되는 문제점을 해소할 수 있게 되어 파티클로 인해 공정가스 주입구의 반경이 협소해지는 문제점 및 공정가스 주입구 내부에 형성된 파티클이 후속의 박막 증착공정을 위한 공정가스 주입시 프로세스 챔버 내부로 분출되어 프로세스 챔버 및 웨이퍼를 오염시키는 문제점을 해소할 수 있게 된다. 그리고, 이처럼 프로세스 챔버 및 웨이퍼에 대한 오염 문제를 해소하여 파티클에 의한 웨이퍼 손실을 최소화하고 PM 주기를 연장시켜 설비 가동률을 향상시킴으로써, 반도체 디바이스의 신뢰성 및 생산성 저하를 방지할 수 있게 된다.

Claims (10)

1. 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법에 있어서:

   박막 증착 공정이 완료된 웨이퍼를 프로세스 챔버로부터 인출하는 단계와;

   상기 웨이퍼가 인출된 프로세스 챔버 내부에 세정 가스를 주입하여 프로세스 챔버 내부의 오염물질을 제거함과 동시에, 상기 세정 가스가 박막 증착용 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구 내부로 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 공정가스 주입구로 불활성 가스를 주입하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 박막 증착 공정을 위해 주입된 공정가스는 SiH₄, NH₃, O₂임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 세정 가스는 불소(F) 가스임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 불활성 가스는 N₂, He 또는 Ar임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 불활성 가스는 프로세스 챔버 내부로 세정 가스가 주입되는 동안 지속적으로 주입되도록 함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
6. 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법에 있어서:

   프로세스 챔버 내부에 웨이퍼를 로딩한 뒤, 박막 증착을 위한 공정가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부에 박막을 증착하는 단계와;

   상기 박막 증착 공정이 완료된 웨이퍼를 프로세스 챔버로부터 인출하는 단계와;

   세정가스 주입구를 통해서는 세정 가스를 주입하여 웨이퍼가 인출된 상기 프로세스 챔버 내부의 오염물질을 제거하고, 상기 공정가스가 주입되는 공정가스 주입구를 통해서는 불활성 가스를 주입하여 상기 세정 가스가 공정가스 주입구 내부로 유입되는 것을 방지하도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이 스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 박막 증착 공정을 위해 주입된 공정가스는 SiH₄, NH₃, O₂임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 세정 가스는 불소(F) 가스임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 불활성 가스는 N₂, He 또는 Ar임을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 불활성 가스는 프로세스 챔버 내부로 세정 가스가 주입되는 동안 지속적으로 주입되도록 함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조설비에서의 프로세스 챔버 세정 방법.

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