KR20080050401A - Ｃｖｄ/ｐｅｃｖｄ-플라즈마 챔버 내부의 표면 퇴적물을제거하기 위하여 플루오르화황을 이용한 원격 챔버 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 장치 가공에 사용되는 공정 챔버의 내부 표면과 같은 표면으로부터 표면 퇴적물을 제거하기 위한 개선된 원격 플라즈마 세정 방법에 관한 것이다. 개선 사항은 산소 공급원과 플루오르황을 포함하는 공급 가스 혼합물에 질소 공급원을 더하는 것이다.

공정 챔버, 원격 챔버, 플라즈마, 질소 공급원, 세정 방법

Description

ＣＶＤ/ＰＥＣＶＤ-플라즈마 챔버 내부의 표면 퇴적물을 제거하기 위하여 플루오르화황을 이용한 원격 챔버 방법 {REMOTE CHAMBER METHOD USING SULFUR FLUORIDE FOR REMOVING SURFACE DEPOSITS FROM THE INTERIOR OF A CVD /PECVD- PLASMA CHAMBER}

본 발명은 산소 공급원, 플루오르화황 및 질소 공급원을 포함하는 가스 혼합물을 원격적으로 활성화시켜 생성된 활성화된 가스 혼합물을 사용하여 표면 퇴적물을 제거하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 산소 공급원, 플루오르화황 및 질소 공급원을 포함하는 가스 혼합물을 원격적으로 활성화시켜 생성된 활성화된 가스 혼합물을 사용하여 화학기상증착 챔버의 내부로부터 표면 퇴적물을 제거하는 방법에 관한 것이다.

반도체 공정 산업에서 화학기상증착(CVD) 챔버와 플라즈마 증강 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion, PECVD) 챔버에는 정기적인 세정이 요구된다. 보편적인 세정 방법에는 원위치 플라즈마 세정(in-situ plasma cleaning)과 원격 챔버 플라즈마 세정(remote chamber plasma cleaning)이 포함된다.

상기 원위치 플라즈마 세정 공정에서, 세정 가스 혼합물은 CVD/PECVD 공정 챔버 내에서 플라즈마로 활성화되고 원위치에서 퇴적물을 세정한다. 원위치 플라즈마 세정법은 몇 가지 결함을 갖는다. 첫째로, 플라즈마에 직접적으로 노출되지 않는 챔버 부품은 세정될 수 없다. 둘째로, 세정 공정은 이온 충격 유도 반응(ion bombardment-induced reaction)과 자발적인 화학 반응을 포함한다. 이온 충격 스퍼터링은 챔버 부품의 표면을 부식시키기 때문에 고가이며 많은 시간이 소모되는 부품 교체가 요구된다.

원위치 플라즈마 세정의 단점으로 인하여, 원격 챔버 플라즈마 세정법이 더욱 보편적이 되고 있다. 상기 원격 챔버 플라즈마 세정 공정에서, 세정 가스 혼합물은 CVD/PECVD 공정 챔버가 아닌 별개의 챔버 내에서 플라즈마에 의해 활성화된다. 그 후 플라즈마 중성 생성물이 공급원 챔버에서 CVD/PECVD 공정 챔버 내부로 이동한다. 수송 통로는 예컨대, 짧은 연결 튜브와 CVD/PECVD 공정 챔버의 샤워헤드(showerhead)를 포함할 수 있다. 원위치 플라즈마 세정법과는 반대로, 원격 챔버 플라즈마 세정 공정에서는 오직 자발적인 화학 반응만이 관련되며, 따라서 공정 챔버 내에서의 이온 충격으로 인해 야기되는 부식 문제를 피할 수 있다.

플라즈마 세정 성능에 있어서 세정 가스의 선택은 중요하다. 약한 질소-플루오르의 결합력으로 인해 NF₃ 는 쉽게 해리되고 고효율 세정 가스로서 보편적으로 사용되어 왔다. 그러나, NF₃는 유독성이고, 반응성이 크며 가격이 비싸다. 이는 또한 분해를 방지하기 위해 조심스럽게 운반되어야 한다.

에칭 속도와 같은 세정 성능을 희생시키지 않으면서도 보다 저렴하고 안전한 대안적인 세정 가스가 요구된다.

본 발명은 표면 퇴적물 제거 방법에 관한 것이며, 상기 방법은: (a) 산소 공급원, 플루오르화황 및 질소 공급원을 포함하는 가스 혼합물을 원격 챔버에서 활성화시키는 단계와; (b) 그 후 표면 퇴적물의 적어도 일부를 제거하기 위하여 상기 활성화된 가스 혼합물을 상기 표면 퇴적물과 접촉시키는 단계를 포함한다.

도1은 본 발명의 공정을 수행하는데 유용한 장치의 개략도이다.

도2는 SF₆ + O₂ + Ar의 공급 가스 혼합물에 N₂ 및 NF₃를 추가할 때 질화규소(silicon nitride)의 에칭 속도에 미치는 효과를 나타낸 표이다.

도3은 NF₃/O₂/Ar 시스템과 SF₆/O₂/N₂/Ar 시스템에 있어서의 질화규소의 에칭 속도를 비교한 것이다.

도4는 SF₆ + O₂ + Ar의 공급 가스 혼합물에 N₂를 추가할 때 이산화규소(silicon dioxide)의 에칭 속도에 미치는 효과를 나타낸 표이다.

도5는 SF₆ + O₂ + Ar + N₂ 플라즈마에 노출된 후의 사파이어(Sapphire) 웨이퍼의 X선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 검사 결과이다.

본 발명에 의해 제거되는 표면 퇴적물은 화학기상증착법 또는 플라즈마 증강 화학기상증착법 또는 유사한 공정에 의해 보편적으로 퇴적되는 물질들을 포함한다. 이러한 물질은 실리콘, 도핑된 실리콘(doped silicon), 질화규소, 텅스텐, 이산화규소, 산질화규소(silicon oxynitride) 및 탄화규소(silicon carbide)와, FSG(fluorosilicate glass), 탄화규소 및 SiCxOxHx 또는 블랙 다이아몬드(Black Diamond)(어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials)), 코랄(Coral)(노벨러스 시스템즈(Novellus Systems)) 및 오로라(Aurora)(ASM 인터네셔널(ASM International))를 포함하는 PECVD OSG와 같은 낮은 K물질(low K material)로 불리는 다양한 실리콘 산소 화합물을 포함한다. 본 발명에서 양호한 표면 퇴적물은 질화규소이다.

본 발명의 일 실시예는 전자 장치의 가공에 사용되는 공정 챔버의 내부로부터 표면 퇴적물을 제거하는 것이다. 이러한 공정 챔버는 화학기상증착(CVD) 챔버 또는 플라즈마 증강 화학기상증착(PECVD) 챔버일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 금속으로부터 표면 퇴적물을 제거하는 것과, 플라즈마 에칭 챔버를 세정하는 것과 포토레지스트(photoresist)를 제거하는 것을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.

본 발명의 공정은 원격 챔버 내에서 세정 가스 혼합물이 활성화되는 활성화 단계를 포함한다. 활성화는 무선 주파수(RF) 에너지, 직류(DC) 에너지, 레이저 조명 및 마이크로웨이브 에너지와 같은 공급 가스의 대부분을 해리시킬 수 있는 임의의 수단에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 플라즈마가 환상형의 형상을 갖고 변압기의 이차측으로 작용하는 유도결합되며 변압기에 결합되는(transformer coupled inductively coupled) 저주파 RF 동력원을 사용하는 것이 다. 저주파 RF 동력의 사용은 용량 결합에 비하여 유도 결합을 강화하는 마그네틱 코어의 사용을 허용하여, 원격 플라즈마 공급원 챔버 내부의 수명을 제한하는 과도한 이온 충격없이 플라즈마에 더욱 효율적으로 에너지를 전달하도록 허용한다. 본 발명에서 사용되는 전형적인 RF 동력은 1,000 KHz보다 낮은 주파수를 갖는다. 본 발명의 동력원의 다른 실시예는 원격 마이크로웨이브, 유도 또는 용량 결합된 플라즈마 공급원이다.

본 발명의 일 실시예는 적어도 약 3,000 K의 중립 온도(neutral temperature)를 갖는 활성화된 가스 혼합물을 형성하기 위하여 충분한 시간 동안 충분한 동력을 사용하는 활성화 단계를 수반한다. 생성된 플라즈마의 중립 온도는 동력과 원격 챔버 내 가스 혼합물의 잔류시간에 의존한다. 일정 동력 입력과 조건 하에서, 중립 온도는 잔류시간이 길어질수록 상승할 것이다. 본 발명에서, 활성화된 가스 혼합물의 양호한 중립 온도는 약 3,000 K 이상이다. 적절한 조건(동력, 가스 조성, 가스 압력 및 가스 잔류 시간 등을 고려한 조건) 하에서, 적어도 약 6000 K의 중립 온도를 얻을 수 있다.

상기 활성화 가스는 공정 챔버의 외부에 있으나, 공정 챔버에 아주 근접하여 있는 원격 챔버에서 형성된다. 본 발명에서 원격 챔버는 플라즈마가 생성되는 챔버를 말하며, 공정 챔버는 표면 퇴적물이 있는 챔버를 말한다. 상기 원격 챔버는 원격 챔버에서 공정 챔버로 활성화 가스의 수송을 가능케하는 임의의 수단을 통해 공정 챔버와 연결된다. 예를 들어, 수송 통로는 짧은 연결 튜브와 CVD/PECVD 공정 챔버의 샤워헤드를 포함할 수 있다. 원격 챔버 및 원격 챔버와 공정 챔버를 연결 하기 위한 수단은 이 분야에서 활성화 가스 혼합물을 함유할 수 있는 것으로 알려진 재료로 구성된다. 예를 들어, 알루미늄과 양극 처리된 알루미늄이 챔버 성분으로 일반적으로 사용된다. 때로는 표면 재결합을 감소시키기 위하여 내부 표면을 Al₂O₃로 코팅하기도 한다.

활성화 가스를 형성하기 위해 활성화되는 가스 혼합물은 산소 공급원, 플루오르화황 및 질소 공급원을 포함한다. 본 발명의 "산소 공급원"은 본 발명의 활성화 단계에서 산소 원자를 생성할 수 있는 가스를 말한다. 본 산소 공급원의 예로 산소(O₂) 및 산화질소가 포함되나 이들로 제한되지는 않는다. 본 발명에서 산화질소는 본원에서 질소와 산소를 포함하는 분자를 가리킨다. 산화질소의 예로 NO, N₂O, NO₂가 포함되나 이들로 제한되지는 않는다. 양호한 산소 공급원은 산소 가스이다. 세정 가스 내의 불필요한 산소 가스는 에칭 속도를 제한한다. 산소 가스와 플루오르화황의 양호한 분자 비율은 5:1 보다 작다. 본 발명의 플루오르화황은 SF₆, SF₅ 또는 SF₄이다. 양호한 플루오르화황은 SF₆이다. 본 발명에서 "질소 공급원"은 본 발명의 활성화 단계에서 질소 원자를 생성할 수 있는 가스를 말한다. 상기 질소 공급원의 예로 N₂, NF₃ 및 산화질소가 포함되나 이들로 제한되지는 않는다. 양호한 질소 공급원은 질소 가스이다.

활성화 가스를 형성하기 위해 활성화되는 가스 혼합물은 아르곤 및 헬륨과 같은 케리어 가스(carrier gas)를 더 포함할 수 있다.

활성화 단계 동안 원격 챔버 내의 전체 압력은 약 0.1 torr 내지 약 20 torr일 수 있다.

본 발명을 통하여 질소 공급원이 질화규소 상의 플루오르화황의 에칭 속도를 현저히 증가시킬 수 있음이 확인되었다. 본 발명의 일 실시예에서, 후술하는 실례1에서 보여지는 바와 같이 적은 양의 질소 가스의 추가로 질화규소 상의 SF₆/O₂/Ar 세정 가스 혼합물의 에칭 속도를 열세 배 증가시킬 수 있다. 실제로, 본 발명의 SF₆/O₂/Ar/N₂ 시스템의 에칭 속도는 유사한 조건 하의 NF₃/O₂/Ar 시스템의 에칭 속도를 능가할 수 있다. 비교례2를 추가적으로 참조한다.

또한 본 발명의 조건 하에서, 활성화 가스 처리 후 공정 챔버 내부 표면에 황 퇴적물이 남아있지 않음이 또한 확인되었다. 실례4 및 도5를 추가적으로 참조한다.

후술하는 실례는 본 발명을 예시하기 위한 것이고 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

실례

도1은 본 발명에서 사용되는 원격 플라즈마 공급원, 수송 튜브, 공정 챔버 및 배기 방출 장치의 개략도를 도시한다. 상기 원격 플라즈마 공급원은 미국 매사추세츠주 앤도버에 있는 MKS 인스트루먼츠(MKS Instruments) 사에 의해 제작된 상용화된 환상형-타입 MKS 애스트론(MKS ASTRON)^® ex 반응성 가스 발생기 장치이다. 공급 가스(예를 들어 산소, 플루오르화황, NF₃, 아르곤)는 원격 플라즈마 공급원의 왼쪽에서 주입되고, 활성화된 가스 혼합물을 형성하기 위하여 상기 공급 가스가 400 KHz의 무선 주파수 동력에 의해 방전되는 환상형 방전부를 통과한다. 산소는 에어가스(Airgas) 사에 의해 순도 99.999%로 제조된다. SF₆는 에어가스 사에 의해 순도 99.8%로 제조되며, NF₃ 가스는 듀폰(DuPont) 사에 의해 순도 99.999%로 제조된다. 질소 가스는 에어가스 사에 의해 4.8등급(grade of 4.8)으로 제조되며, 아르곤은 에어가스 사에 의해 5등급으로 제조된다. 이후 활성화된 가스 혼합물은 알루미늄 공정 챔버의 열 부하를 감소시키기 위하여 알루미늄 수냉식 열 교환기를 통과하였다. 표면 퇴적물로 덮힌 웨이퍼는 공정 챔버 내에서 온도가 제어된 마운팅(mounting) 위에 놓여졌다. 중립 온도는 C₂와 N₂와 같은 이원자종의 회전-진동 전이 대역(rovibrational transition band)에서 중립 온도가 산출하도록 이론적으로 설정된 광학적 방출 분광법(Optical Emission Spectroscopy, OES)에 의해 측정된다. 본원에서 참고문헌으로 인용되는 비. 베이(B. Bai) 및 에이치. 사윈(H. Sawin)의 베쿰 싸이언쓰 & 테크놀로지 저널 A22(5)(Journal of Vacuum Science & Technology A 22(5)), 2014(2004)을 또한 참고한다. 활성화된 가스에 의한 표면 퇴적물의 에칭 속도는 공정 챔버 내에서 간섭계 장치에 의해 측정된다. FTIR 측정을 위하여 생성물을 적절한 농도로 희석시키고 펌프 내의 생성물의 지체(hang-up)를 감소시키기 위하여 N₂ 가스가 배기 펌프의 입구에서 주입된다. FTIR은 펌프 배기부에서 화학종(species)의 농도를 측정하는데 사용되었다.

실례 1

본 실례는 질소 공급원의 추가가 SF₆/O₂/Ar 시스템의 질화규소 에칭 속도에 미치는 효과를 설명한다. 그 결과는 도2에 또한 도시된다. 본 실험에서, 공급 가스는 O₂, SF₆ 및 Ar과 선택적으로 N₂ 또는 NF₃을 포함하여 구성되었고, O₂의 유동 속도는 667 sccm, Ar의 유동 속도는 2000 sccm, SF₆의 유동 속도는 667 sccm이었다. 챔버 압력은 2 torr이었다. 상기 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3000 K 이상의 중립 온도까지 활성화되었다. 활성화 가스는 그 후 공정 챔버로 유입되고, 50℃로 온도 제어된 마운팅 위의 질화규소 표면 퇴적물을 에칭하였다. 공급 가스 혼합물에 질소 공급원이 없을 때, 즉, 공급 가스 혼합물이 667 sccm의 O₂ 및 2000 sccm의 Ar 및 667 sccm의 SF₆로 구성될 때, 에칭 속도는 189 Å/min에 불과했다. 도2의 가운데 열에 도시된 대로, 100 sccm의 N₂가 공급 가스 혼합물에 추가될 때, 즉, 공급 가스 혼합물이 100 sccm의 N₂, 667 sccm의 O₂, 2000 sccm의 Ar 및 667 sccm의 SF₆로 구성될 때, 질화규소의 에칭 속도는 189에서 2465 Å/min으로 증가하였다. 만약 300 sccm의 NF₃가 공급 가스 혼합물에 대신 추가된 경우, 즉, 공급 가스 혼합물이 300 sccm의 NF_{3 ,} 667 sccm의 O₂, 2000 sccm의 Ar 및 667 sccm의 SF₆로 구성된 경우, 에칭 속도는 2975 Å/min으로 더욱 증가하였다.

실례 2(비교례)

본 실례는 실례1의 조건과 유사한 조건 하에서의 NF₃/O₂/Ar 시스템의 질화규소 에칭 속도를 보여준다. NF₃의 유동 속도는 총 플루오르 원소의 양이 실레1에서와 동일하도록 1333 sccm로 제어되었다. 본 실험에서 공급 가스는 O₂, NF₃ 및 Ar로 구성되며, O₂의 유동 속도는 200 sccm, Ar의 유동 속도는 2667 sccm, NF₃의 유동 속도는 1333 sccm이었다. 챔버 압력은 2 torr이었다. 상기 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3000 K 이상의 중립 온도까지 활성화되었다. 활성화된 가스는 그 후 공정 챔버로 유입되고, 50℃로 온도 제어된 마운팅 위의 질화규소 표면 퇴적물을 에칭하였다. 에칭 속도는 2000 Å/min로 측정되었으며, 이는 SF₆/O₂/Ar/N₂ 혼합물의 속도에 비해 약 20% 작은 것이다(도3을 추가적으로 참조).

실례 3

본 실례는 질소 공급원의 추가가 SF₆/O₂/Ar 시스템의 이산화규소 에칭 속도에 미치는 효과를 설명한다. 그 결과가 도4에 또한 도시된다. 본 실험에서, 공급 가스는 O₂, SF₆ 및 Ar과 선택적으로 N₂을 포함하여 구성되었고, O₂의 유동 속도는 667 sccm, Ar의 유동 속도는 2000 sccm, SF₆의 유동 속도는 667 sccm이었다. 챔버 압력은 2 torr이었다. 상기 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3000 K 이상의 중립 온도까지 활성화되었다. 활성화 가스는 이후 공정 챔버로 유입되고, 100℃로 제어된 온도의 마운팅 위의 이산화규소 표면 퇴적물을 에칭하였다. 공급 가스 혼합물에 질소 공급원이 없을 때, 즉, 공급 가스 혼합물이 667 sccm의 O₂ 및 2000 sccm의 Ar 및 667 sccm의 SF₆로 구성될 때, 에칭 속도는 736 Å/min에 불과했다. 100 sccm의 N₂가 공급 가스 혼합물에 추가될 때, 즉, 공급 가스 혼합물이 100 sccm의 N₂, 667 sccm의 O₂, 2000 sccm의 Ar 및 667 sccm의 SF₆로 구성될 때, 이산화규소의 에칭 속도는 736에서 854 Å/min으로 증가하였다.

실례 4

본 실험에서, 공급 가스는 O₂, N₂, SF₆ 및 Ar으로 구성되었고, O₂의 유동 속도는 667 sccm, N₂의 유동 속도는 100 sccm, Ar의 유동 속도는 2000 sccm, SF₆의 유동 속도는 667 sccm이었다. 챔버 압력은 2 torr이었다. 상기 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3000 K 이상의 중립 온도까지 활성화되었다. 활성화된 가스는 이후 공정 챔버로 유입되고, 25℃로 제어된 온도의 마운팅 위의 사파이어 웨이퍼 표면을 10분간 처리하였다. 도5는 후속 처리로 표면에 황이 남지 않게 되는 것을 설명한다.

Claims (17)

1. 표면 퇴적물 제거 방법이며,

   (a) 활성화된 가스 혼합물을 형성하기 위해 산소 공급원, 플루오르화황 및 질소 공급원을 포함하는 가스 혼합물을 원격 챔버에서 활성화시키는 단계와,

   (b) 그 후 표면 퇴적물의 적어도 일부를 제거하기 위하여 상기 활성화된 가스 혼합물을 상기 표면 퇴적물에 접촉시키는 단계를 포함하는 표면 퇴적물 제거 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 표면 퇴적물은 전자 장치 가공에 사용되는 공정 챔버의 내부로부터 제거되는 표면 퇴적물 제거 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 산소 공급원은 산소 가스 또는 산화질소인 표면 퇴적물 제거 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 산소 공급원은 산소 가스인 표면 퇴적물 제거 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 산소 가스 및 상기 플루오르화황의 분자 비율이 5:1 보다 작은 표면 퇴적물 제거 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 질소 공급원은 질소 가스, NF₃ 또는 산화질소인 표면 퇴적물 제거 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 질소 공급원은 질소 가스인 표면 퇴적물 제거 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 표면 퇴적물은 실리콘, 도핑된 실리콘, 질화규소, 텅스텐, 이산화규소, 산질화규소, 탄화규소 및 낮은 K물질로 불리는 다양한 실리콘 산소 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 표면 퇴적물 제거 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 표면 퇴적물은 질화규소인 표면 퇴적물 제거 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 적어도 약 3,000 K의 중립 온도에 이르도록 충분한 시간 동안 충분한 동력을 사용하여 활성화되는 표면 퇴적물 제거 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 동력은 RF 공급원, DC 공급원 또는 마이크로웨이브 공급원에 의해 구동되는 표면 퇴적물 제거 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 동력은 RF 공급원에 의해 구동되는 표면 퇴적물 제거 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 RF 동력은 유도결합되며 변압기에 결합되고, 주파수가 1,000 KHz 보다 낮은 표면 퇴적물 제거 방법.
14. 제10항에 있어서, 원격 챔버 내의 상기 압력은 0.1 torr 내지 20 torr인 표면 퇴적물 제거 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 캐리어 가스를 더 포함하는 표면 퇴적물 제거 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 아르곤과 헬륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가스인 표면 퇴적물 제거 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 플루오르화황은 SF₆인 표면 퇴적물 제거 방법.

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