KR20080100220A - 플라즈마를 향한 벽의 수증기 패시베이션 - Google Patents

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Abstract

수소 래디컬로 비아홀 안으로 배리어층을 코팅하기 이전에 낮은-k 유전체의 수소 플라즈마 세정에 특히 유용한 챔버 패시베이션 방법이 원격 플라즈마 소스(60)로부터 제공된다. 각각의 웨이퍼에 대해, 수소 플라즈마의 점화 이전에 원격 플라즈마 소스를 통과한 수증기(86)(또는 플라즈마가 향한 벽 상에서 화학 흡착된 다른 가스)로 패시베이트된다. 수증기는 원격 플라즈마 소스의 알루미나 및 석영 부품과 같은 벽(78, 79) 상에 흡착되고, 보호성 단일층을 형성하며 이 단일층은 수소 플라즈마의 생성 동안 그 벽을 보호할 정도로 충분히 오래 지속된다. 이에 의해, 특히 알루미나와 같은 유전체로 된 플라즈마를 향하는 벽이 에칭으로부터 보호된다.

Description

플라즈마를 향한 벽의 수증기 패시베이션 {WATER VAPOR PASSIVATION OF A WALL FACING A PLASMA}
본 발명은 직접 회로를 제조하는 프로세스에서 플라즈마 세정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유전층 및 증착의 패턴화된 에칭 사이에서 수행되는 플라즈마 세정에 관한 것이다.
45nm 노드에 대한 것과 같은 향상된 직접 회로는 두 레벨의 와이어링(two levels of wiring)을 상호 연결하는 레벨간 유전층(interlevel dielectric layer)을 위한 매우 낮은-k 유전체(전기적으로 절연성) 물질의 이용을 필요로 할 것이다. 약 3.9(실리콘 이산화물에 대한 값) 미만의 유전 상수를 갖는 낮은-k 물질은 이미 상업 생산에 돌입하였다. 그러나, 예를 들어 2.5 미만의 더 낮은 유전 상수가 미래에 필요할 것이다. 이러한 물질의 예는 블랙 다이아몬드TMII(BDII) 유전체이고 이는 미국 캘리포니아 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스사로부터 구입 가능하다. 리(Li)가 미국 특허 출원 제 2003/0194495호에서 설명한 이 유전체 물질은 10at% 초과의 탄소 비율을 갖는 탄소 도핑된 실리콘 산화물(또한 실리콘 옥시카바이드라고도 불림)로서 특징지어질 수 있다. 이는 BDIIx 유전체로 개선되었고, 이 유전체는 UV 경화되고 30%의 다공성을 가지며, DBIIebeam 유전체는 전자로 경화된다. 다우 케미칼로부터 구입 가능한 Silk® 및 Cyclotene®(벤조시클로부텐)를 포함하는 다른 탄소 함유 낮은-k 유전체가 공지되어 있다. 많은 이러한 물질은 유기 또는 중합 유전체로서 특징지어진다.
레벨간 상호연결의 형성에서의 원형적인 구조는 도 1의 단면도에서 도시된다. 낮은 유전체층(10)은 그 표면에 형성된 전도성 피쳐(12)를 포함한다. 향상된 레벨간 연결을 위한 전도성 피쳐(12)는 일반적으로 구리로 이루어지지만 유사한 배열구조(geometries)는 실리콘 기판의 접촉 활성 반도체 영역에 적용된다. 매우 낮은-k 유전체 물질로 된 상부 유전체층(14)은 하부 유전체층(10)와 전도성 피쳐 위에 증착된다. 홀(16)은 전도성 피쳐(14)로 상부 유전체층(14)을 통해 포토리소그래피 공정으로(photolithographically) 에칭되어 형성된다. 구리 금속화에 이용되는 일반적인 이중 다마신 상호연결에 대해, 홀(16)은 전도성 피쳐(12)로의 수직 상호 연결을 형성하는 좁고 낮은 비아(narrow lower via)와 직접 회로의 서로 다른 부분 사이의 수평 상호 연결을 형성하는 넓고 높은 트렌치로 이루어진다. 이중 다마신 구조에 대해, 전도성 피쳐(12)는 낮은 레벨의 유전체(10)에 형성된 구리가 채워진 트렌치의 일부분일 수 있다. 홀이 에칭된 이후, 예를 들어 Ta/TaN으로 된 얇은 거의 등각의 배리어 층이 상부 유전체층(14)의 필드 구역 위에 그리고 홀(16)의 측부 상으로 일반적으로 마그네트론 스퍼터에 의해 코팅된다. 얇은 거의 등각의 구 리 씨드층이 일반적으로 마그네트론 스퍼터링에 의해 배리어층 위에 증착된다. 이후, 구리가 필드 구역 위에서 그리고 홀(16) 안으로 전기 도금된다. 마지막으로, 화학 기계적 폴리싱(CMP)이 홀(16) 외부의 구리를 제거하는데 이용된다.
포토레지스트 에슁(ashing) 이후, 포토리소그래픽 에칭 단계는 홀(16)의 측부 상에 탄소질 또는 플루오르화탄소 중합체층(18)을 종종 남기고, 이는 에칭의 중지 이후 남아 있는 높은 이방성 에칭을 얻는데 유리하게 이용된다. 또한, 트렌치의 바닥부에 에칭 잔여물(20)을 남길 수도 있는데, 이는 에칭 화학 작용의 탄소, 실리콘 및 플루오르 부산물의 조합물일 수 있다. 또한, 전도성 피쳐(12)에서 노출된 구리는 구리 산화물로 쉽게 산화된다. 또한, 에슁 잔여물(22)은 홀(16)의 구멍 위쪽(lip)에서 형성되기 쉽다. 홀(16)의 바닥부에서 구리 산화물 및 에칭 잔여물(20)은 금속화 증착 이전에 배리어 증착 이전에 제거되지 않으면 접촉 저항을 증가시킨다. 중합체 코팅(18) 및 에슁 잔여물(22)은 유전체층(14)에 대한 배리어층의 결합을 방해하고 이에 의해 배리어층 및 구리 비아 구조는 제작 동안 또는 작동 동안 얇은 층으로 갈라질 수 있으며, 이는 실질적인 신뢰도 문제를 일으킨다. 따라서, 배리어 증착이 시작되기 이전에 구리 산화물 및 잔여물(18, 20, 22)을 제거하는 것이 바람직하다.
종래의 실리카 유전체의 경우, 잔여물을 제거하기 위해 패턴화된 웨이퍼를 스퍼터 에칭함에 의해 에칭 단계 및 증착 단계 사이에 웨이퍼를 건조 세정하는 것이 일반적이었다. 이러한 스퍼터 에칭은 일반적으로 높은 에너지 이온을 포함하고, 이 이온은 비교적 단단한 실리카 유전체층에 크게 영향을 미치지 아니한다. 그러나, 낮은-k 유전체층은 상대적으로 소프트한 경향이 있다. 따라서, 스퍼터 에칭은 악영향을 미치도록 에칭하고 낮은-k 유전체층을 디그레이드(degrade)시킨다. 더욱 소프트한 화학적 에칭은 웨이퍼에 인접한 세정 챔버에서 생성된 산소 플라즈마, 즉 인시츄(in situ) 플라즈마를 이용하여 수행될 수 있다. 이 세정 프로세스는 다공성이지 않고 약 3.7의 유전 상수(k)를 갖는 낮은-k 유전체의 초기 형태에 만족스러운 것으로 증명되었다. 그러나, 인시츄 산소 플라즈마는 10%보다 큰 다공성 및 약 2.5의 k 값을 갖는 가장 최근의 매우 낮은-k 필름에 대해서는 만족스럽지 않은 것으로 나타났다. 산소 플라즈마는 플라즈마에 노출된 플로팅 바디(floating body) 상에서 형성되는 네거티브 자체 바이어스에 대해 끌어 당겨지는 높은 분율의 산소 원자를 포함한다. 이후 산소 이온은 매우 낮은-k 필름을 때리고 이 경우 이 필름을 손상시키기에 충분한 에너지를 가진다. 따라서, 미국 특허 출원 공개 공보 제 2004/0219789호에서 우드 등에 의해 개시된 것과 같이 원격 플라즈마 소스로부터 생성된 산소 플라즈마로 패턴화된 웨이퍼를 세정하는 방법이 개발되었다. 원격으로 생성된 플라즈마는 전기적으로 중성의 래디컬을 강조하고 있고(emphasize), 플라즈마가 프로세싱 스페이스에 도달할 때 이온은 계속 남아 있을 수 있으며, 인시츄 플라즈마는 프로세싱 스페이스에서 또는 그 근처에서 생성된 전기적으로 대전된 이온들을 강조하고 있다. 원격으로 생성된 산소 플라즈마는 많은 중성의 그리고 낮은 에너지의 산소 래디컬을 웨이퍼로 발사하고, 이는 산화되고 그렇지 아니하면 서로 다른 잔여물들을 제거하기 위해 잔여물과 화학적으로 반응한다.
그러나, 여기된(excited) 산소는 매우 낮은-k 유전체 물질에 대해서는 만족 스럽지 않은 것으로 증명되었다. 유전 상수에서의 감소는 유전체 물질에서 높은 다공성에 의해 종종 얻어진다. BDII의 유전체층은 10%를 넘는, 30%를 초과하는 다공성을 가질 수 있다. 따라서, 이들은 매우 소프트할 뿐만 아니라 산화 건조 세정에 매우 민감하다. 또한, 유전체에 포함된 산소는 실리콘 및 탄소 결합보다 더욱 분극화 가능한 결합을 만드는 경향이 있는데, 즉 유전 상수를 증가시키는 경향이 있다. 결과적으로, 환원 화학 작용에 기초한 건조 세정은 예를 들어 NH3의 원격 생성된 플라즈마(크로퓨니키 등의 미국 특허 제 6,440,864호) 또는 H2의 비교적 높은 압력을 이용하여 개발되었다. 수소 접근법이 유행하였지만 그 결과는 완전히 만족스럽지는 않았다. 수소 플라즈마에서 매우 작은 양의 수증기는 다공성 낮은-k 필름의 소수성 성질을 크게 감소시키고 이에 의해 유전 상수를 증가시키는 경향이 있다. 더욱 순수한 수소 플라즈마는 낮은-k을 디그레이드시키는 경향이 있다. 또한, 합리적인 에칭 속도는 챔버 압력을 증가시킴에 의해 이루어졌고, 전력 공급장치의 수용 능력은 증가된 압력을 따라갈 필요가 있다. 또한, 높은 수소 압력에서, 이온화되고 세정 챔버로 새는 원격 플라즈마 소스로부터의 수소의 분율이 증가한다. 수소 이온은 웨이퍼로 강력하게 당겨지는 경향이 있고, 이러한 이온이 다공성의 낮은-k 물질에 손상을 입힐 수 있다.
여기서 참조로 인용된 2006년 1월 17일 출원된 미국 특허출원 제 11/334,803호는 수소 및 헬륨 가스의 혼합물 또는 순수한 수소 가스로 된 원격으로 생성된 플라즈마를 이용하여 미리 세정하는 다공성 낮은-k 유전체를 위한 프로세스를 설명한 다. 플라즈마는 원격 플라즈마 소스에서 생성되고 이온은 소스 출력부로부터 필터되며 이에 의해 수소 래디컬은 웨이퍼에 도달한다. 챔버 세정을 위해 원격으로 생성된 래디컬의 이용 및 이러한 원격 플라즈마 소스의 예는 2003년 8월 반도체 잡지 6pp의 "300mm의 평면 패널 CVD 시스템을 세정하기 위한 원격 플라즈마 소스에서의 기술 발전"에서 첸 등에 의해 설명되었다. 세정 성능은 예를 들어 순수 수소에 대해서 150밀리토르 미만 그리고 바람직하게는 30밀리토르 미만의 수소의 낮은 부분압력에서 작동함에 의해 향상된다. 세정 성능은 매우 좋은 것으로 관찰되었지만, 값비싼 원격 플라즈마 소스는 고장 이전에 짧은 수명을 나타내었다. 수소 플라즈마는 플라즈마 소스의 알루미나 벽을 부식시키고 에칭한다. 화학적으로 유사한 알루미나 벽과 같은 애노드화된(anodized) 알루미늄은 수소 플라즈마로 디그레이드하는 것이 관찰된다. 알루미나를 석영으로 대체하는 것은 어느 정도 수명을 증가시킬 것이다. 그러나, 석영-라인된(quartz-lined) 플라즈마 소스는 더욱 비싸고 석영은 또한 수소 플라즈마에서 디그레이드 하는 것으로 관찰되었다. 유사한 에칭 효과가 플라즈마 소스 및 이온 필터 사이의 알루미나 라이너에서 관찰되었다.
프로세싱 가스, 예를 들어 에칭 또는 세정 가스, 특히 수소와 같은 환원성 가스의 플라즈마의 점화 이전에 비활성화된 수증기로 플라즈마 프로세싱 챔버가 패시베이트된다. 바람직하게 패시베이션은 기판 프로세싱의 각각의 사이클 동안 수행된다.
본 발명은 유전체벽을 구비한 원격 플라즈마 소스를 갖는 플라즈마 사전 세정 챔버에 특히 유용하고, 이 경우 수소 또는 수소와 헬륨의 혼합물이 플라즈마로 원격적으로 생성되고, 이로부터 이온이 필터되어 수소 래디컬의 활성화된 가스를 제공한다. 수증기 패시베이션에 일체화된 이러한 세정 프로세스는 다공성의 소프트 낮은-k 유전체를 효과적으로 세정한다.
질량 유동 제어기로부터의 하류에서 약 1Torr 압력의 수증기가 20 Torr 또는 그 미만의 압력으로 펌프된 진공 및 상온에서 액체 워터로부터 자연적으로 생성될 수 있다. 동일한 수증기가 예를 들어 1milliTorr 미만의 부분 압력과 같은 매우 낮은 압력에서 수증기를 공급하는데 이용될 수 있다.
도 1은 상호-레벨 상호연결 구조 또는 비아의 단면도이다.
도 2는 본 발명으로 이용 가능하고 원격 플라즈마 소스를 이용하는 세정 챔버의 단면도이다.
도 3은 원격 플라즈마 소스의 개략 단면도이다.
도 4는 수증기 공급 시스템의 더욱 상세한 파이핑(piping) 도면이다.
도 5는 수증기 패시베이션 및 원격 수소 플라즈마 세정을 위한 프로세스 흐름도이다.
도 6은 수증기를 분사하는 것을 중단한 이후 진공 챔버에서 수증기 부분 압력의 감소를 도시하는 시간에 따른 도면이다.
도 7은 수증기 패시베이션을 이용한 세정 성능의 개선을 도시하는 막대 그래프이다.
인용 특허 출원 제 11/334,803호에서 설명된 수소 사전-세정 프로세스는 세정 플라즈마의 워터 성분을 유리하게 분배하고, 이에 의해 다공성 낮은-k 유전체의 유전 상수의 하락을 막는다. 그러나, 수증기를 포함하는 종래의 플라즈마는 알루미나 및 다른 유전체 벽에 대해 일정한 보호를 제공한다. 인용된 특허 출원의 플라즈마 사전-세정 프로세스는, 바람직하게 수소를 함유하고 워터를 포함하지 않는 플라즈마의 점화 이전에 플라즈마로 활성화되지 않은 수증기를 가진 플라즈마를 향하는 다른 벽 및 원격 플라즈마 소스를 패시베이트 함에 의해 향상될 수 있다.
도 2의 단면도에서 도시된 원격 플라즈마 세정 챔버(30)는 진공 펌핑 시스템(36)에 의해 펌프되고 힌지 주위로 개방될 수 있는 뚜껑(34)을 포함하는 진공 프로세싱 챔버(32)를 포함한다. 챔버(32) 내의 페데스탈(38)은 다수의 구멍(44)을 통해 프로세스 가스를 공급하는 가스 샤워헤드(41)에 대향하여 세정되는 웨이퍼(40)를 지지한다. 페데스탈(38)은 히터 전력 공급부(48)로부터의 전류를 선택적으로 공급받는 저항성 히터(46)를 포함하고 이에 의해 원하는 에칭 또는 사전-세정 온도로 웨이퍼(40)의 온도를 올린다.
사전 세정을 위한 프로세스 가스는 질량 유동 제어기(52)를 통해 수소 가스 소스(50)로부터 선택적으로 공급되는 순수한 수소 가스(H2) 이거나 다른 질량 유동 제어기(56)를 통해 헬륨 가스 소스(54)로부터 선택적으로 제공되는 헬륨(He)과 수소의 조합물이다. 원하는 헬륨 분율의 단일 H2/He 가스 공급으로 대체될 수 있다. 뚜껑(34) 상에 장착된 원격 플라즈마 소스(RPS)(60)는 공급 라인(62)으로부터 프로세스 가스를 받고 이를 플라즈마로 활성화시킨다. 원격 플라즈마 소스는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예시적인 RF 유도성 원격 플라즈마 소스(64)가 도 3에서 개략적으로 도시되고, 이는 유전체 튜브(66) 및 그 주위에 감긴 유도성 코일(68)을 포함한다. RF 전력 소스(70)는 코일(68)에 전기적으로 전력을 공급하고, 이는 유도적으로 RF 에너지를 튜브(64)의 보어로 커플시키며(couples) 이에 의해 튜브(66) 내에서 유동하는 가스를 플라즈마로 활성화시킨다. 본 발명에서, 수소 가스(H2)는 대전된 수소 이온(H+) 및 중성 수소 래디컬(H*)을 포함한 플라즈마로 활성화된다. 향상된 원격 플라즈마 소스는 더욱 복잡한데, 예를 들어 토로이달 활성화 튜브(toroidal excitation tubes), 및 가능한 다른 형태의 플라즈마 생성기에 따라 다르다. 활성화된 가스는 공급 튜브(72)를 통해 샤워헤드(42)의 뒤에 있는 가스 다기관(74)으로 전달된다.
도 2를 참고하면, 원격 플라즈마 소스는 진공 챔버(32)의 상류에 있다. 이온 필터는 원격 플라즈마 소스(60) 및 다기관(74) 사이를 따라 배치되고 이에 의해 수소 이온(H+)을 제거하며, 이로써 오직 중성 수소 래디컬(H*) 만이 웨이퍼(40)에 도달한다. 이온 필터는 공급 튜브(72)를 가로질러 대향하여 배치된 두 개의 자석(76, 77)을 포함할 수 있고, 이에 의해 튜브 내부를 가로질러 자기장(B)을 투사하여 대전된 수소 이온들을 편향시키거나 또는 붙잡는다. 제거 가능한 유전체 튜브 라이너(78)는 공급 튜브(72)의 내부에 위치할 수 있고, 유전체 챔버 라이너(79)는 다기관(74)의 벽을 덮을 수 있으며 이에 의해 벽을 보호하고 수소 래디컬과의 재결합을 감소시킨다. 일 실시예에서, 튜브 라이너(78)는 알루미나(Al2O3)로 이루어지고, 다기관 라이너(79) 및 샤워헤드(42)는 석영(SiO2)으로 이루어진다. 따라서, 활성화된 가스는 세정되는 웨이퍼(40)로 샤워헤드(41)를 통해 균일하게 전달된다.
본 발명의 이러한 실시예에서, 액체 워터의 풀(a pool of liquid water)을 함유한 진공-밀봉된 앰풀(ampoule; 80)이 챔버 뚜껑(34) 상에 장착되고, 질량 유동 제어기(84)는 앰풀(80)로부터 원격 플라즈마 소스(60)로의 수증기를 계량한다. 상온에서 워터의 증기 압력은 약 20Torr이고, 이는 원격 플라즈마 소스(60)가 작동하는 통상의 진공 레벨보다 훨씬 높다. 따라서, 앰풀(80)이 백 펌프되었다면(back pumped), 약 20Torr의 압력을 갖는 수증기는 앰풀(80)에서 액체 워터 풀(82) 위의 헤드 공간(head space; 86)에 존재한다. 앰풀(80)은 배관 길이를 최소화하기 위해 챔버 뚜껑(34) 상에 직접 장착되고, 배관 벽에 수증기가 응축되기 쉬우며 이 경우 가스 소스(50, 54) 및 그 질량 유동 제어기(52, 56)는 챔버(30) 및 원격 플라즈마 소스(60)로 일정한 길이의 배관(88)을 가진 원격 가스 패널 상에 일반적으로 장착 된다. 액체 워터의 단일 충전(single charge)은 관찰 결과 100,000 이상의 웨이퍼 사이클 동안 일정하게 유지되는 것을 관찰되었고, 8초 동안 수증기의 5sccm의 예시적 레서피(recipe)는 대기 압력 수증기의 0.66cc 및 액체 워터의 약 0.54x10-3에 이른다. 그럼에도 불구하고, 워터 레벨 센서는 워터 앰풀(80)에서 함께 유리하게 포함된다.
수증기 공급 시스템의 더욱 완전한 실시예는 도 4에서 개략적으로 도시된다. 제 1 격리 밸브(90)는 질량 유동 제어기(84)를 워터 앰풀(80)로부터 분리시키고, 제 2 격리 밸브(92)는 질량 유동 제어기(84)를 원격 플라즈마 소스(60)로의 공급 라인(62)으로부터 분리시킨다. 또한, 질량 유동 제어기(84) 주위의 우회 라인(94)은 제 3 격리 밸브(96)를 포함한다. 격리 밸브들은 워터 앰풀(80)를 백 펌프하고 튜브로부터 워터 응축물을 제거하는데 유용하고, 챔버 유지 보수 동안 이 앰풀(80)을 격리시킨다.
도 2에서 도시된 것처럼, 기록 가능한 매체(102)를 수용하는 컴퓨터화된 제어기(100)는 펌핑 시스템(36), 히터 전력 공급부(48), 원격 플라즈마 소스(60), 가스 질량 유동 제어기(52, 56, 84)를 제어한다. 플로피 디스크 또는 CD와 같은 자기 또는 광학 디스크일 수 있는 기록 가능한 매체(102)는 프로세스 레서피를 포함하고, 이 레서피에 따라 제어기(100)는 챔버(30)에서 패시베이션 및 사전 세정에서 작동 순서뿐만 아니라 챔버(30)의 안으로 및 밖으로의 웨이퍼의 전달, 그리고 필요에 따라 격리 밸브(90, 92, 96)의 작동을 제어한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 작은 양의 수증기는 플라즈마의 점화 이전에 원격 플라즈마 소스(60)로 그리고 챔버(30)로 펄스된다. 수증기는 모든 벽 상에 얇은 워터 코팅을 형성한다. 수증기 분사가 중지되고 챔버가 서브-Torr 범위의 작동 압력으로 펌프된 이후, 워터 코팅이 크게 증발한다. 그러나, 특히 금속으로의 또는 알루미나와 같은 금속 산화물로의 또는 석영으로의 화학 흡착은 벽 상에 매우 얇은 워터 층이 형성되게 한다. 진공 사이언스 및 테크놀로지 저널 vol.13(2), 1995, pp.467-475의 "가역적으로 흡착된 페이스.I.모노층의 펌프-다운 모델링 및 하위모노층 최초 적용범위(Modeling the pump-down of a reversibly adsorbed phase. I.Monolayer and submonolayer initial coverage)"의 레드헤드(Redhead)는 1밀리토르의 수증기 압력에서 필름이 워터의 단일층에 의해 형성된다는 것을 개시한다. O-H 결합은 금속의 네이티브 산화물(native oxide) 또는 금속 산화물 상에 형성된다. "알루미나 표면 상의 워터의 화학 작용: 제 1 원리로부터의 반응 역학", 사이언스, vol.282 1998년 10월 9일, pp.265-268에서 하아스(Haas) 등은 워터 분자가 알루미나 표면에 대해 O-H 결합을 형성한다고 개시한다. O-H 결합은 이온 상태의 수소가 알루미나에서의 Al과 같은 금속 또는 산소를 플라즈마를 향하는 벽으로부터 제거하는 것을 막는다. 결국, 진공 펌핑은 워터 단일층을 탈착하고 제거한다. 그러나, 수증기 패시베이션이 모든 워터 사이클에서 수행된다면, 그 보호는 프로세스의 플라즈마 스테이지를 통해 지속된다는 것을 관찰하였다.
종래 기술에서 실행되는 것과 같이 플라즈마가 워터 성분을 함유한 경우 동일한 보호 메커니즘이 적용될 것이다. 그러나, 워터 플라즈마는 낮은-k 유전체에 악영향을 미친다. 수증기를 가진 패시베이션은 웨이퍼 상에 일정한 워터를 놓지만(deposit), 사전-세정은 20Torr의 수증기를 갖는 클린룸 대기로부터 금방 삽입된 웨이퍼에 일반적으로 수행되므로 일정한 워터 코팅은 피할 수 없으며 패시베이션 동안 챔버로 일반적으로 펄스된 1Torr 미만의 수증기를 가진 것과 비교되어야 한다. 또한, 표준 사전 세정 프로세스는 웨이퍼를 300℃를 초과하는 온도로 가열한다. 수증기의 펄스 이후에만 가열이 시작된다면 그리고 가열이 완료된 이후 수초 동안 플라즈마 점화가 지연된다면, 플라즈마 또는 수소 래디컬이 있는 경우에 워터가 웨이퍼 상에 거의 존재하지 않을 것이다.
도 3에서 도시된 흐름도는 매 웨이퍼 사이클 동안 수행되는 플라즈마 세정 프로세스를 도시한다. 본 발명은 다중-웨이퍼 배치 챔버에서 수행될 수 있지만, 바람직한 세정 프로세스는 도 2에서 도시된 것처럼 단일-웨이퍼 챔버에서 수행된다. 펌프 업(pump up) 단계(110)에서, 챔버 압력은 다소 제어되지 않지만 일반적으로 6.5Torr 미만으로 유지된다. 이 단계(110)의 일부 동안, 중앙 전달 챔버로부터 사전 세정 챔버(30)를 분리시키는 슬릿 밸브가 개방되고 이에 의해 로봇 블레이드가 챔버에서 이미 사전 세정된 웨이퍼를 제거하고 프로세스되지 않은 웨이퍼로 대체시킨다. 바람직하게 슬릿 밸브가 닫힌 이후 각각 예를 들어 2000sccm인 많은 양의 수소 및 헬륨이 챔버 안으로 유동되어 챔버를 정화한다. 펌프 업 단계(110)의 마지막에, 바람직하게 슬릿 밸브가 닫힌 이후, 수증기 패시베이션이 수행된다. 예를 들면, 5sccm의 수증기가 8초 동안 챔버 안으로 유동된다. 많은 양의 수소 및 헬륨과 함께 1Torr의 챔버 압력은 약 1milliTorr의 수증기의 부분 압력에 이르고 이에 의해 10milliTorr 미만의 수증기의 부분 압력이 분명하게 효과적이다. 원격 플라즈마 소스는 켜지지(turned on) 아니하고, 이에 의해 정화 가스 및 수증기 모두 플라즈마로 활성화되지 않고 비활성화된 가스로 챔버로 원격 플라즈마 소스를 통해 유동한다.
가열 단계(112)에서, 페데스탈 상에 있는 프로세스되지 않은 웨이퍼는 작동 동안 예를 들어 250 내지 350℃의 온도로 유지되도록 가열된다. 히터 전력 공급부가 켜지고 이에 의해 페데스탈을 예를 들어 350℃와 같은 예정된 온도로 가열한다. 가열 단계(112) 동안, 수증기 공급은 불연속적이고 프로세스의 나머지 사이클 동안 계속되지 않는다. 수소 유동은 계속되지만 헬륨 공급은 중단된다. 챔버 압력은 비교적 높은 6.5Torr에서 유지되고 이에 의해 챔버의 가열 및 온도 평형을 촉진시킨다. 플라즈마 점화를 준비하는 아르곤 램프 단계(114)에서, 상당한 양의 아르곤이 챔버로 공급되는데, 예를 들어 많은 양의 수소의 연속적인 공급과 함께 1000sccm이 공급된다. 챔버 압력은 6.5Torr로 높게 유지된다. 펌프 다운 단계(116)에서, 챔버 압력은 플라즈마 점화의 준비로 1Torr로 감소된다. 동일한 양의 아르곤이 작은 양의 수소 및 선택적인 헬륨과 함께 공급되고, 이 경우 헬륨은 세정에 이용되는 경우에만 공급된다. 점화 단계(ignition step; 118)에서, 원격 플라즈마 소스로의 RF 공급이 마침내 시작되어 대부분을 차지 하고 있는 아르곤과 같은 가스를 플라즈마로 점화시킨다. 변화 단계(transition step; 120)에서, 챔버는 플라즈마 사전 세정을 위한 바람직한 챔버 압력으로 펌프다운 되고, 수소 및 가능할 수 있는 헬륨의 세정하는 양이 공급되며 아르곤의 공급은 부분적으로 감소된 다.
플라즈마 점화시, 워터의 단일층 만이 벽 및 웨이퍼를 코팅할 것으로 기대된다. 수증기의 분사를 중단한 이후 챔버에서 수증기의 부분 압력을 도시하는 도 6의 차트에 의해 나타나는 것처럼, 과도한 수증기가 빠르게 펌프 아웃되고 수증기 부분 압력은 3x10-6 Torr 미만으로 감소된다. 매우 낮은 워터 부분 압력은 소프트 낮은-k 유전체로부터의 다른 잔여물 및 포토레지스트를 세정하는데 관련된 에칭 화학 작용과의 최소 방해를 보장한다. 그러나, 챔버 벽 상에 잔존하는 일시적인 워터 단일층은 수소 플라즈마에 대한 보호를 갖는 플라즈마를 향하는 벽에 제공하기에 충분해 보인다.
도 5로 돌아가면, 플라즈마 에칭 단계(122)에서, 선택적인 헬륨의 포함과 함께 수소의 환원 화학 작용에 따라 플라즈마에 의해 웨이퍼는 사전 세정된다. 플라즈마를 유지하는데 아르곤을 필요하지 않다. 두 개의 최적화된 사전 세정 레서피가 개발되었다. 첫 번째는 400sccm의 수소가 공급되는 60milliTorr 챔버 대기에서 30회의 에칭(30s of etching)을 포함한다. 두 번째는 400sccm의 수소 및 1200sccm의 헬륨이 공급되는 350milliTorr 챔버 대기에서 30회의 에칭을 포함한다. 다른 에칭 파라미터가 개발될 수 있다. 그러나, 수증기 패시베이션은 에칭 플라즈마가 환원 화학작용일 때 특히 수소 래디컬 화학 작용일 때 유용하고, 이 경우 산소와 같은 산화제 또는 워터을 거의 포함하지 않는다. 플라즈마 에칭 단계(122)는 웨이퍼의 사전 세정을 완료시키고 원격 플라즈마 소스는 단계(122)의 완료시 꺼진다. 이후 작동은 다시 다른 웨이퍼 상에서 동일한 프로세스를 수행하기 위해 단계(110)로 되돌아간다.
패시베이션의 많은 효과는 점화 단계(118) 이전에 가열 단계(122) 또는 아르곤 램프 단계(114) 또는 펌프 다운 단계(116)에서 원격 플라즈마 소스로 활성화되지 않은 수증기를 공급함에 의해 얻어질 수 있다. H2O가 펌프 업 단계(110)에서 형성되는 동안 그 이후의 단계(112, 114, 116)에서 이 유동을 계속하는 것은 중요한 영향을 미치지 못함을 관찰하였다.
수증기 패시베이션은 사전 세정 단계의 성능을 증가시키기 위해 관찰되었다. 도 7의 바아 차트에서 도시된 것처럼, 포토레지스트 에칭 속도는 수소 플라즈마의 점화 이전에 패시베이션 없이 약 120nm/min으로부터 수증기 패시베이션을 가진 채 약 200nm/min로 증가하는 것이 관찰되었다. 또한, 세정을 위한 선택도는 약 30으로부터 90 초과까지 증가하는 것이 관찰되었고, 이 경우 선택도는 세정되는 매우 낮은-k 유전체의 에칭 속도 및 포토레지스트 에칭의 비율로서 정의된다.
또한, 패시베이션은 원격 플라즈마 소스의 수명을 늘이는 것으로 관찰되었다. 패시베이션 없이, 챔버가 원격 플라즈마 소스의 총 900분의 작동으로 1800개 이상의 웨이퍼를 처리한 이후, 세정 프로세스는 완전히 시프트하고 포토레지스트 에칭 속도는 원래 값의 30% 미만으로 감소된다. 수증기 프로세스가 있는 경우, 세정 프로세스는 지금까지 테스트된 모든 숫자의 웨이퍼에 대해 감손(degradation)을 나타내지 않았는데, 특히 원격 플라즈마 소스의 5000분의 작동에 대한 10,000개 웨 이퍼에 대해서도 그러하였다.
웨이퍼를 프로세스하는 다른 순차적인 시도에서, 패시베이션 없이, 입자 가산기(particle adder)의 숫자는 웨이퍼 당 0.12μm를 넘어 200개의 가산기로 증가하는 것이 관찰되었다. 이후, 이 시도는 동일한 챔버 및 원격 플라즈마 소스에서 계속되었다. 가산기의 숫자는 즉시 30개 미만으로 감소되었고 20개의 추가적인 웨이퍼 내에서 10개 미만으로 계속적으로 감소되었다.
수증기는 이전에 유사한 챔버들 상에서의 이용, 저비용 및 쉬운 교체를 이유로 본 발명에서 유리하게 이용된다. 그러나, 가스들이 워터를 대체할 수 있는데, 이들은 벽 표면 특히 알루미나 표면 상에서 더 높은 화학 흡착을 갖는다. 이러한 가스의 예로는 CH4, CO 및 CO2가 있고, 이들은 예를 들어 가스 패널 상에 장착된 가스 탱크로부터 공급될 수 있다. 패시베이션을 위해 이용될 때, 이러한 가스들은 플라즈마로 활성화되지 않지만 비활성화된 가스 형태로 챔버 안으로 또는 원격 플라즈마 소스를 통해 공급된다.
본 발명은 원격 플라즈마 소스의 사용 수명을 연장하는데 이용된다. 그러나, 이는 전달 튜브, 샤워 헤드, 및 플라즈마 또는 이로부터 유도되는 래디컬에 노출된 유전체 또는 금속성의 벽을 갖는 플라즈마 반응기의 다른 부품을 패시베이트하는 작용을 한다.
본 발명은 사전 세정 가스의 점화 이전에 원격 플라즈마 소스의 패시베이션에 관해 설명되었지만, 본 발명은 여기에 제한되지 않는다. 원격 플라즈마 소스는 포토레지스트의 벌크를 제거하는 메인 에슁 단계에 이용될 수 있다. 또한, 원격 또는 인시츄 플라즈마를 이용하는지 그리고 환원 화학 작용을 이용하여 에칭 및 플라즈마 에칭의 다른 형태에 이용되는 챔버들은 본 발명의 이용으로부터 이익을 얻을 수 있다.
본 발명은 글라스 및 다른 유전체 패널과 같은 다른 형태의 기판을 프로세스하는데 이용될 수 있고, 실리콘을 프로세스하는데 제한되는 것은 아니다.
예를 들면, 중성 래디컬 또는 대전된 이온으로서의 수소 원자는 금속 및 비금속을 포함한 다른 형태의 기판들 상에서 부식 생성물의 화학적 환원에 이용된다. 예를 들면, 역사적 그리고 고고학적 유물의 금속 표면들은 수소 원자로 된 비임(beam)으로 세정될 수 있다. 수소 원자는 반도체 산업에서 이용되는 원격 플라즈마 소스와 유사한 플라즈마 생성기에서 만들어진다. 유사한 수소 플라즈마 생성기는 수소 레이저에서의 소스로서 이용된다. 지금까지 그 장비는 비쌌는데, 이는 수소 플라즈마의 연속적인 존재로 플라즈마 생성기의 짧은 수명에 부분적으로 기인하였다. 본 발명은 파워된(powered) 또는 활성화된 플라즈마 생성기로 가스상 수소를 교번적으로 공급함에 의해 그리고 전달 시스템 하류와 플라즈마 생성기의 플라즈마를 향하는 벽을 일시적으로 패시베이트하기 위해 언파워된(unpowered) 플라즈마 생성기로 수증기를 공급함에 의해 이러한 수소 플라즈마 생성기에 쉽게 이용될 수 있다. 상기 데이터에서 나타나는 것처럼, 패시베이션 기간은 플라즈마 생성 기간보다 거의 짧을 수 있고, 이에 의해 총 세정 처리량이 악영향을 받지 않는다. 플라즈마 생성기의 출력 비임은 세정 및 패시베이션 단계 모두 동안 기판으로 향할 수 있고, 이러한 응용은 수증기가 프로세스되는 기판으로부터 멀리 향하는 경우에 또는 수소 플라즈마의 최종 이용자에게 유리할 수 있다.
본 발명은 세정 프로세스를 향상시키고, 시스템과 그 작동의 처리량, 복잡성 및 비용에 대해 거의 영향을 미치지 않는 구성요소 및 챔버 부품의 수명을 증가시키는 것이다.

Claims (22)

  1. 플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션(passivation) 방법으로서,
    상기 프로세싱 챔버로 비활성화 상태의 패시베이팅 가스(passivating gas)를 주입하는 단계; 및
    상기 프로세싱 챔버에서 상기 기판을 프로세싱 가스의 플라즈마로 프로세스하는 단계를 포함하고,
    상기 패시베이팅 가스가 상기 프로세싱 챔버의 벽 상에서 수증기보다 많이 화학 흡착(chemabsorbed)되는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시베이팅 가스가 수증기인,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시베이팅 가스가 CH4, CO, 및 CO2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 환원 플라즈마인,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세싱 가스가 수소를 포함하는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세싱 가스가 (1) 수소와 (2) 수소 및 헬륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버가 상기 프로세싱 챔버의 내부로 연결된 출력 튜브를 갖는 원격 플라즈마 소스를 포함하고, 상기 수증기 및 프로세싱 가스가 상기 원격 플라즈마 소스로 주입되며, 상기 원격 플라즈마 소스가 상기 주입 단계 동안에는 거의 비활성화되어 있으나 상기 프로세싱 단계 동안에는 상기 프로세싱 가스를 상기 플라즈마로 활성화시키기 위해 활성화되는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버가 상기 원격 플라즈마 소스 및 상기 챔버 사이에 배치된 이온 필터를 추가로 포함하고, 상기 이온 필터를 통해 상기 패시베이팅 가스 및 상기 프로세싱 가스가 유동하는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버가 상기 프로세싱 챔버의 내부에 연결된 출력부를 갖는 원격 플라즈마 소스를 포함하고, 상기 수증기 및 프로세싱 가스가 상기 원격 플라즈마 소스로 주입되며, 상기 원격 플라즈마 소스가 상기 주입 단계 동안에는 거의 비활성화되어 있으나 상기 프로세싱 단계 동안에는 상기 프로세싱 가스를 상기 플라즈마로 활성화시키기 위해 활성화되는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세싱 단계가 유전체층을 세정하는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세싱 단계가 상기 유전체층으로부터 잔여물을 제거하는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 유전체층이 다공성이고 3.9 미만의 유전 상수를 갖는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입 단계의 종료 이후 그리고 상기 플라즈마가 활성화되기 이전에, 상기 챔버로부터 수증기를 제거하도록 상기 프로세싱 챔버를 펌프하는 단계를 추가로 포함하는,
    플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세스하기 위한 패시베이션 방법.
  14. 플라즈마 프로세싱 방법으로서,
    기판을 지지하기 위한 페데스탈, 상기 페데스탈에 대향하고 있는 가스 샤워헤드, 및 상기 샤워헤드의 뒤의 다기관으로 출력부를 연결시키는 공급 튜브를 갖는 원격 플라즈마 소스를 포함하는 플라즈마 프로세싱 챔버로 기판을 삽입하는 단계;
    수증기를 유효 플라즈마로 활성화시키지 아니한 채 상기 원격 플라즈마를 통과시키는 단계;
    상기 원격 플라즈마 소스를 통해 환원 프로세싱 가스를 통과시키고 상기 환원 프로세싱 가스를 플라즈마로 활성화시키는 단계; 및
    상기 플라즈마를 소멸시키고 상기 기판을 상기 플라즈마 프로세싱 챔버로부터 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 단계들이 연속적으로 프로세스되는 다수의 기판의 각각에 대해 수행되 는,
    플라즈마 프로세싱 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 환원 프로세싱 가스가 수소를 포함하고 수증기 및 산소를 거의 포함하지 않는,
    플라즈마 프로세싱 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판이 유전체층을 포함하고, 상기 유전체층이 상기 유전체층을 통해 에칭된 홀(hole)을 갖는,
    플라즈마 프로세싱 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유전체층이 3.9 미만의 유전 상수를 갖는,
    플라즈마 프로세싱 방법.
  18. 패시베이션 및 프로세싱 방법으로서,
    처리되는 기판을 포함한 진공 프로세싱 챔버로 비활성화된 수증기를 주입하는 단계;
    상기 진공 프로세싱 챔버로부터 상기 수증기의 상당량을 제거하기 위해 상기 진공 프로세싱 챔버를 펌프하는 단계; 및
    상기 진공 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판을 프로세스하기 위해 프로세싱 가스를 플라즈마로 활성화시키는 단계를 포함하는,
    패시베이션 및 프로세싱 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 기판이 3.9 미만의 유전 상수를 갖는 유전체층을 포함하고, 상기 프로세싱 가스가 수소를 포함하고 물과 산소를 거의 포함하지 않으며, 상기 수소 이온이 상기 기판으로부터 상류에 있는 상기 플라즈마로부터 필터되는,
    패시베이션 및 프로세싱 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 수증기 및 프로세싱 가스가 상기 플라즈마 프로세싱 챔버로 출력부가 연결되는 원격 플라즈마 소스로 유동되고, 상기 원격 플라즈마 소스는 상기 주입 단계 동안에는 거의 비활성화되어 있고 상기 활성화 단계 동안에는 활성화되는,
    패시베이션 및 프로세싱 방법.
  21. 수소 플라즈마 소스를 작동하는 방법으로서,
    플라즈마 생성기가 비활성화인 동안 상기 플라즈마 생성기를 통해 수증기를 통과시키는 제 1 단계; 및
    상기 플라즈마 생성기가 활성화인 동안 상기 플라즈마 생성기를 통해 수소 가스를 통과시키는 제 2 단계를 포함하고,
    상기 단계들의 순서를 반복하는 단계를 포함하는,
    수소 플라즈마 소스를 작동하는 방법.
  22. 효 21 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 시간이 상기 제 2 단계의 시간보다 실질적으로 짧은,
    수소 플라즈마 소스를 작동하는 방법.
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