KR20080050402A

KR20080050402A - Ｎｆ₃를 사용한 표면 적층물 제거 방법

Info

Publication number: KR20080050402A
Application number: KR1020087004992A
Authority: KR
Inventors: 보 베이; 허버트 에이치. 사윈
Original assignee: 매사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-06-05
Also published as: CN101313085A; JP2009503270A; TW200718802A; RU2008108012A; US20070028944A1; WO2007016631A1; CN101278072A

Abstract

본 발명은 전자 장치를 가공하는데 사용되는 공정 챔버의 내부와 같은 표면으로부터 표면 적층물을 제거하는 향상된 원격 플라즈마 세정 방법에 관한 것이다. 개선은 적어도 약 3,000 K의 높은 중성 온도를 갖는 활성 가스를 사용하고, 에칭 속도를 향상시키기 위하여 NF₃ 세정 가스 혼합물에 산소 공급원을 추가하는 것을 포함한다.

표면 적층물, 세정, 원격 플라즈마 챔버, ＮＦ₃, 플라즈마

Description

ＮＦ₃를 사용한 표면 적층물 제거 방법 {METHOD OF USING NF3 FOR REMOVING SURFACE DEPOSITS}

본 발명은 산소 공급원과 NF₃를 포함하는 가스 혼합물을 원격적으로 활성화 함으로써 생성된 활성 가스 혼합물을 사용하여 표면 적층물을 제거하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 산소 공급원과 NF₃를 포함하는 가스 혼합물을 원격적으로 활성화시킴으로써 생성된 활성화된 가스 혼합물을 사용하여 화학 기상 증착 챔버(chemical vapor deposition chamber)의 내부로부터 표면 적층물을 제거하는 방법에 관한 것이다.

반도체 공정 산업에서 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 챔버와 플라즈마 향상 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion, PECVD) 챔버는 정기적인 세정이 요구된다. 보편적인 세정 방법은 원위치 플라즈마 세정(in-situ plasma cleaning)과 원격 챔버 플라즈마 세정(remote chamber plasma cleaning)을 포함한다.

원위치 플라즈마 세정 공정에서, 세정 가스 혼합물은 CVD/PECVD 공정 챔버 내에서 플라즈마로 활성화되고 원위치에서 적층물을 세정한다. 원위치 플라즈마 세정법은 몇 가지 결함으로 인해 어려움이 있다. 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 스퍼터링(sputtering)은 챔버 부품의 표면을 부식시키기 때문에 고가이며 많은 시간이 소모되는 부품 교체가 요구된다.

원위치 플라즈마 세정의 단점으로 인하여, 원격 챔버 플라즈마 세정법이 더욱 인기를 얻고 있다. 원격 챔버 플라즈마 세정 공정에서, 세정 가스 혼합물은 CVD/PECVD 공정 챔버가 아닌 별도의 챔버 내에서 플라즈마에 의해 활성화된다. 그후 플라즈마 중성 제품이 공급원 챔버로부터 CVD/PECVD 공정 챔버 내부로 통과한다. 수송 통로는, 예컨대 짧은 연결 튜브와 CVD/PECVD 공정 챔버의 샤워헤드(showerhead)로 이루어질 수 있다. 원위치 플라즈마 세정법과는 달리, 원격 챔버 플라즈마 세정 공정은 자발적인 화학 반응만을 포함하고, 이에 따라 공정 챔버 내에서 이온 충격으로 인해 야기되는 부식 문제를 피할 수 있다.

초단파 뿐만 아니라 용량 및 유도 결합 무선 주파수(RF) 원격 공급원은 원격 챔버 플라즈마 세정 공정용 동력원으로서 개발되어 왔지만, 당해 산업은 플라즈마가 환상형(toroidal)의 형상을 갖고 변압기의 2차 회로(secondary)로 작용하는 유도 결합 공급원과 결합한 변압기(transformer coupled inductively coupled source)를 향해 빠르게 옮겨가고 있다. 더 낮은 주파수의 RF 동력을 사용함으로써, 용량 결합에 대하여 유도 결합을 증진시키는 마그네틱 코어를 사용하게 함으로써, 원격 플라즈마 공급원 챔버 내부의 수명을 제한하는 과도한 이온 충격없이 플 라즈마에 더욱 효율적으로 에너지를 전달하도록 허용한다.

NF₃, 탄화플루오르(fluorocarbons), SF₆ 등은 플라즈마 세정 공정에서 세정 가스로 사용되어 왔다. 이들 중에서, NF₃는 비교적 약한 질소-플루오르 결합 때문에 특히 매력적이다. NF₃는 쉽게 해리되고 온실 가스 방출을 생성하지 않는다. 세정 가스로서 NF₃를 효율적으로 사용할 필요가 있다.

본 발명은 표면 적층물을 제거하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은, (a) 산소 공급원과 NF₃를 포함하는 가스 혼합물을 원격 챔버 내에서 활성 가스 혼합물을 형성하기 위해 적어도 약 3,000 K의 중성 온도(neutral temperature)에 도달하도록 충분한 시간동안 충분한 동력을 사용하여 가스 혼합물을 활성화시키는 단계와, 그 후에 (b) 활성 가스 혼합물을 표면 적층물에 접촉시킴으로써, 표면 적층물의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다.

도1은 본 공정을 수행하는데 유용한 장치의 개략도이다.

도2는 NF₃와 Ar의 공급 가스 혼합물에 산소를 추가할 때 질화규소(silicon nitride)의 에칭 속도의 효과를 나타낸 도표이다.

도3은 NF₃와 Ar의 공급 가스 혼합물에 산소를 추가할 때 이산화규소(silicon dioxide)의 에칭 속도의 효과를 나타낸 도표이다.

본 발명에 의해 제거되는 표면 적층물은 화학 기상 증착 공정 또는 플라즈마 향상 화학 기상 증착 공정 또는 이와 유사한 공정에 의해 보편적으로 퇴적되는 물질들을 포함한다. 이러한 물질은 실리콘, 도핑된 실리콘(doped silicon), 질화규소, 텅스텐, 이산화규소, 산질화규소(silicon oxynitride), 탄화규소(silicon carbide), SiBN과, FSG(fluorosilicate glass), 탄화규소 및 SiCxOxHx 또는 Black Diamond(Applied Materials), Coral(Novellus Systems) 및 Aurora(ASM International)을 포함하는 PECVD OSG와 같은 저유전 물질(low K material)로 불리는 다양한 실리콘 산소 화합물을 포함한다. 본 발명에서 양호한 표면 적층물은 질화규소이다.

본 발명의 일 실시예는 전자 장치를 제조하는데 사용되는 공정 챔버의 내부에서 표면 적층물을 제거하는 것이다. 이러한 공정 챔버는 화학 기상 증착(CVD) 챔버 또는 플라즈마 향상 화학 기상 증착(PECVD) 챔버일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 금속으로부터 표면 적층물의 제거 단계, 플라즈마 에칭 챔버의 세정 단계 및 포토레지스트의 제거 단계를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.

본 발명의 공정은, 세정 가스 혼합물이 원격 챔버 내에서 활성화되는 활성화 단계를 포함한다. 활성화는 무선 주파수(RF) 에너지, 직류(DC) 에너지, 레이저 조명 및 초단파 에너지와 같이 공급 가스의 대부분을 해리시키는 어떠한 수단에 의해서 완수될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는, 플라즈마가 환상면의 형상을 갖고 변 압기의 2차 회로로 작용하는 유도 결합된 더 낮은 주파수 RF 동력원과 결합한 변압기를 사용하는 것이다. 더 낮은 주파수의 RF 동력을 사용함으로써, 용량 결합에 대하여 유도 결합을 향상시키는 마그네틱 코어의 사용을 가능하게 하고, 이에 의해 원격 플라즈마 공급원 챔버 내부의 수명을 제한하는 과도한 이온 충격없이 플라즈마에 보다 효율적인 에너지 전달을 가능하게 한다. 본 발명에서 사용되는 전형적인 RF 동력은 1,000 KHz보다 낮은 주파수를 갖는다. 본 발명의 동력원의 또 다른 실시예는 원격 초단파, 유도 또는 용량 결합된 플라즈마 공급원이다.

본 발명의 활성화 단계는 적어도 약 3,000 K의 중성 온도를 갖는 활성 가스 혼합물을 형성하기 위하여 충분한 시간동안 충분한 동력을 사용한다. 생성된 플라즈마의 중성 온도는 동력과 원격 챔버 내에 가스 혼합물의 잔류 시간에 의존한다. 임의의 동력 입력과 조건하에서, 중성 온도는 더 긴 잔류 시간과 함께 더 높아질 것이다. 본 발명에서, 활성 가스 혼합물의 양호한 중성 온도는 약 3,000 K 이상이다. 적절한 조건(동력, 가스 조성, 가스 압력 및 가스 잔류 시간 등을 고려함)하에서, 적어도 약 6,000 K의 중성 온도를 얻을 수 있다.

활성 가스는 공정 챔버의 외부에 있는 별도의 원격 챔버 내에서 형성되지만, 그 공정 챔버에 상당히 근접하여 형성된다. 본 발명에서, 원격 챔버는 플라즈마가 생성되는 챔버를 가리키며, 공정 챔버는 표면 적층물이 위치하는 챔버를 가리킨다. 원격 챔버는 원격 챔버에서부터 공정 챔버로 활성 가스를 전달시키는 어떠한 수단에 의하여 공급 챔버와 연결된다. 예컨대, 수송 통로는 짧은 연결 튜브와 CVD/PECVD 공정 챔버의 샤워헤드로 구성될 수 있다. 원격 챔버와 그 원격 챔버를 공정 챔버와 연결하기 위한 수단은, 활성 가스 혼합물을 담을 수 있도록 이 기술 분야에서 알려진 물질로 구성된다. 예컨대, 알루미늄 및 양극 산화 알루미늄이 챔버 성분으로 일반적으로 사용된다. 때때로 Al₂O₃가 내부 표면 상에 코팅되어, 표면 재결합을 감소시킨다.

활성 가스를 형성하기 위하여 활성화되는 가스 혼합물은 산소 공급원과 NF₃를 포함한다. 여기서 본 발명의 "산소 공급원"은 본 발명의 활성화 단계에서 산소 원자를 생성할 수 있는 가스를 의미한다. 산소 공급원의 예로 산소(O₂)와 질소 산화물이 포함되지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 여기서 본 발명의 질소 산화물은 질소와 산소로 이루어지는 분자를 의미한다. 질소 산화물의 예로 NO, N₂O, NO₂를 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 바람직한 산소 공급원은 산소 가스다.

활성 가스를 형성하기 위하여 활성화되는 가스 혼합물은 아르곤, 질소 및 헬륨과 같은 캐리어 가스(carrier gas)를 더 포함할 수 있다.

활성화 단계동안 원격 챔버 내의 전압력은 약 0.1 torr 내지 약 20 torr 일 수 있다.

본 발명에서 산소 공급원은 질화규소 상의 NF₃의 에칭 속도를 극적으로 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 아래 예1에서 설명된 바와 같이 적은 양의 산소 가스의 추가로 인해 질화규소 상의 NF₃/Ar 세정 가스 혼합물의 에칭 속도를 4 배까지 증가시킬 수 있다.

다음 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이고, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

예

도1은 본 발명에서 사용되는 원격 플라즈마 공급원, 수송 튜브, 공정 챔버 및 배기 방출 장치의 개략도를 도시한다. 원격 플라즈마 공급원은 미국 매사추세츠주 앤도버에 소재하는 엠케이에스 인스트루먼츠(MKS Instruments)사에 의해 제작된 상용화된 환상형 타입의 MKS ASTRON^® ex 반응성 가스 발생기 장치이다. 공급 가스(예컨대 산소, NF₃, 아르곤)가 왼쪽에서부터 원격 플라즈마 공급원 내로 주입되고, 활성 가스 혼합물을 형성하기 위하여 400 KHz의 무선 주파수 동력에 의해 방전되는 환상형 방전기를 통과하였다. 산소는 순도 99.999%로 에어개스(Airgas)사에 의해 제조된다. NF₃는 순도 99.999%로 듀퐁(DuPont)사에 의해 제조된다. 아르곤은 5.0 등급(grade of 5.0)으로 에어개스사에 의해 제조된다. 그 후, 활성 가스 혼합물은 알루미늄 공정 챔버의 열 부하를 감소시키기 위하여 알루미늄 수냉식 열 교환기를 통과하였다. 표면 적층물이 덮힌 웨이퍼는 공정 챔버의 온도 제어된 마운팅(mounting) 위에 놓여졌다. 중성 온도는 광방사 분광계(Optical Emission Spectroscopy, OES)에 의해 측정되고, 이 장치는 C₂와 N₂와 같은 이원자 종류의 회전-진동 전이 대역(rovibrational transition band)은 중성 온도를 산출하는데 이론적으로 적합하다. 여기에서 참고문헌으로 인용되는 비. 바이(B. Bai) 및 에이 치. 사윈(H. Sawin)의 진공 과학 & 기술 저널[Journal of Vacuum Science & Technology A 22(5), 2014(2004)]을 참고한다. 활성 가스에 의한 표면 적층물의 에칭 속도는 공정 챔버 내에서 간섭계 장치(interferometry equipment)에 의해 측정된다. N₂ 가스는, FTIR 측정을 위한 적절한 농도로 제품을 희석시키고 펌프 내 제품의 장애(hang-up)를 감소시키기 위하여 배기 펌프의 입구에 주입된다. FTIR은 펌프 배기 가스 내의 종류(species)의 농도를 측정하는데 사용되었다.

예1

본 예는 산소 공급원의 추가로 인한 NF₃/Ar 시스템의 질화규소 에칭 속도에 미치는 영향을 설명하였다. 결과는 도2에 도시된다. 이 실험에서, 공급 가스는 NF₃, Ar 및 선택적으로 O₂로 구성되었고, NF₃의 유동 속도는 1333 sccm, Ar의 유동 속도는 2667 sccm 이었다. 챔버 압력은 2 torr이었다. 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3,000 K 이상의 중성 온도까지 활성화되었다. 그 후, 활성 가스가 공정 챔버로 유입되고, 50℃로 제어된 온도를 갖는 마운팅 상에서 질화규소 표면 적층물을 에칭시켰다. 공급 가스 혼합물에 산소 공급원이 없을 때, 즉 공급 가스 혼합물이 1333 sccm의 NF₃ 및 2667 sccm의 Ar으로 구성될 때, 에칭 속도는 단지 500 Å/min. 이었다. 도2에 도시된 바와 같이, 100 sccm의 O₂가 공급 가스 혼합물에 추가될 때, 즉 공급 가스 혼합물이 100 sccm의 O₂, 1333 sccm의 NF₃ 및 2667 sccm의 Ar으로 구성될 때, 질화규소의 에칭 속도는 500 Å/min.에서 1650 Å/min. 로 증가하였다. 만약 200 sccm의 O₂가 공급 가스 혼합물에 추가될 때, 즉 공급 가스 혼합물이 200 sccm의 O₂, 1333 sccm의 NF₃ 및 2667 sccm의 Ar으로 구성될 때, 질화규소의 에칭 속도는 2000 Å/min.으로 더욱 증가하였다.

예2

본 예는 NF₃/O₂/Ar 시스템의 이산화규소 에칭 속도를 보여주었다. NF₃의 유동 속도는 1333 sccm로 제어되었고, Ar의 유동 속도는 2667 sccm, O₂의 유동 속도는 각각 0, 100, 300, 500, 700, 900 sccm 이었다. 산소의 추가가 NF₃/Ar 시스템의 이산화규소의 에칭 속도에 아무런 현저한 영향을 주지 않는다는 것이 알려졌다. 이 실험에서, 챔버 압력은 2 torr 였다. 공급 가스는 400 KHz, 4.6 Kw의 RF 동력에 의하여 3,000 K 이상의 중성 온도까지 활성화되었다. 그 후, 활성 가스가 공정 챔버로 유입되고, 100℃로 제어된 온도를 갖는 마운팅 상에서 이산화규소 표면 적층물을 에칭시켰다. 에칭 속도는 도3에서 도시되었다.

Claims

(a) 산소 공급원과 NF₃를 포함하는 가스 혼합물이 적어도 약 3,000 K의 중성 온도에 도달하여 활성 가스 혼합물을 형성할 수 있도록 원격 챔버 내에서 상기 가스 혼합물을 충분한 시간 동안 충분한 동력을 사용하여 활성화시키는 단계와,

그 다음 단계로 (b) 상기 활성 가스 혼합물을 표면 적층물과 접촉시킴으로써 표면 적층물의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면 적층물이, 전자 장치를 제조하는데 사용되는 공정 챔버의 내부로부터 제거되는 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 상기 산소 공급원이 산소 가스 또는 질소 산화물인 표면 적층물 제거 방법.
제3항에 있어서, 상기 산소 공급원이 산소 가스인 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면 적층물이, 저유전 물질로 불리는 다양한 실리콘 산소 화합물, 탄화규소, 산질화규소, 이산화규소, 텅스텐, 질화규소, 도핑된 실리콘 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 표면 적층물 제거 방법.
제5항에 있어서, 상기 표면 적층물이 질화규소인 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 상기 동력이 RF 공급원, DC 공급원 또는 초단파 공급원에 의해서 발생되는 표면 적층물 제거 방법.
제7항에 있어서, 상기 동력이 RF 공급원에 의해서 발생되는 표면 적층물 제거 방법.
제8항에 있어서, 원격 챔버 내의 상기 활성 가스 혼합물은 환상형 형상을 형성하고, 상기 RF 동력은 1,000 KHz 보다 낮은 주파수를 갖는 유도 결합된 것과 결합된 변압기인 표면 적층물 제거 방법.
제9항에 있어서, 하나 이상의 마그네틱 코어가 상기 유도 결합을 강화하기 위하여 사용되는 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 원격 챔버의 압력이 0.1 torr 와 20 torr 사이인 표면 적층물 제거 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 캐리어 가스를 더 포함하는 표면 적층 물 제거 방법.
제12항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 가스의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스인 표면 적층물 제거 방법.
제13항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 아르곤, 헬륨 또는 그들의 혼합물인 표면 적층물 제거 방법.