KR20150011117A - 공정 챔버의 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정 챔버 내에서 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되고, 상기 공정 챔버를 세정하는 방법으로서, 상기 공정 챔버의 상측에 구비되어 인접한 부위의 온도를 하강시키는 냉각팬에 대하여, 상기 냉각팬의 파워를 기설정된 값만큼 감소시킴으로써, 상기 상부 덮개의 온도를 증가시키는 단계, 상기 공정 챔버 내부에 HCL 가스를 유입하는 단계 및 상기 챔버 내부로 유입되는 수소 가스 유량을 기설정된 값만큼 증가시켜 기체상 에칭에 의해 공정 챔버에 대한 세정을 실시하는 단계를 포함한다. 따라서, 공정 챔버를 세정하기 위해 별도의 조건을 설정할 필요없이 냉각팬의 파워만을 조절함으로써, 공정 챔버 내부의 상부 덮개 주변에 증착된 공정 부산물을 효율적으로 제거할 수 있다.

Description

공정 챔버의 세정 방법{Method for Cleaning Process Chamber}

본 발명은 반도체 웨이퍼 상에 에피층을 증착하는 공정 챔버를 세정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 공정 챔버 중 상부 덮개의 에칭 효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자는 웨이퍼상에 포토리소그래피 (photolithography), 식각, 확산, 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD), 이온주입, 금속 증착 등의 공정을 선택적이고도 반복적으로 수행하는 일련의 과정을 통해 형성된다. 이들 반도체 소자 제조 공정 중 증착 공정은 웨이퍼상에 요구되는 막질을 형성하기 위한 것이다. 그런데, 막질 형성을 위한 증착 공정 중에는 웨이퍼 상의 원하는 영역뿐 만 아니라 증착이 이루어지는 챔버 내부에도 막질 또는 부산물들이 퇴적된다.

증착 챔버 내부에 퇴적된 퇴적물들은 그 두께가 증가하면 박리되어 파티클 (particle) 발생의 원인이 된다. 이와 같이 발생된 파티클은 웨이퍼 상에 형성되어 있는 막 내에 들어가거나 막 표면에 부착되어 다바이스의 결함의 원인으로 작용하여 제품의 불량률을 높인다. 따라서, 퇴적물이 박리되기 이전에 장치 내부에 퇴적된 막을 제거할 필요가 있다.

통상적인 증착 설비의 증착 챔버 내에서는 각 웨이퍼 상에 상변화 물질을 증착하는 동안 챔버 내벽 또는 챔버 내부에 있는 부품들 표면에 퇴적물이 쌓이고, 소정 매 수의 웨이퍼에 대한 증착 공정이 이루어진 후에는 챔버 내벽 또는 내부 부품들 표면에 있는 퇴적물들의 박리 현상이 나타나기 시작한다. 따라서, 소정 매 수의 웨이퍼에 대한 증착 공정 시간을 세정 주기로 하여 규칙적으로 챔버 내부에서 퇴적물을 제거하기 위한 세정 공정을 진행하여야 한다.

상기와 같은 종래의 세정 과정에서 상부 덮개의 온도는 고려하지 않은 채 세정을 실시하면, 상부 덮개의 측벽 및 상부 라이너에 퇴적된 실리콘 증착물에 대한 에칭 효율이 떨어지게 된다. 이로 인해 공정 챔버 내부에는 실리콘 증착물이 잔류하게 되고, 세정에 추가 비용이 소요되며, 부식에 의해 교체되는 소모품 구입 등으로 공정 원가가 증가하게 된다.

이와 같은 세정 작업을 소정의 웨이퍼의 갯수 주기로 매 번 반복하면, 공정 챔버에 대한 세정 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 불완전하게 세정된 공정 챔버에서 증착되는 웨이퍼의 품질에도 악영향을 미치게 되고, 이는 생산성을 저하시키는 원인이 된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 공정 챔버 내부를 세정할 시 상부 덮개의 온도를 제어하여 공정 챔버에 대한 세정 효율을 극대화할 수 있는 세정방법을 제안하고자 한다.

본 발명은 공정 챔버 내에서 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되고, 상기 공정 챔버를 세정하는 방법으로서, 상기 공정 챔버의 상측에 구비되어 인접한 부위의 온도를 하강시키는 냉각팬에 대하여, 상기 냉각팬의 파워를 기설정된 값만큼 감소시킴으로써, 상기 상부 덮개의 온도를 증가시키는 단계; 상기 공정 챔버 내부에 HCL 가스를 유입하는 단계; 및 상기 챔버 내부로 유입되는 수소 가스 유량을 기설정된 값만큼 증가시켜 기체상 에칭에 의해 공정 챔버에 대한 세정을 실시하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 공정 챔버를 세정하기 위해 별도의 조건을 설정할 필요없이 냉각팬의 파워를 조절함으로써, 공정 챔버 내부의 상부 덮개 주변에 증착된 공정 부산물을 효율적으로 제거할 수 있다.

또한, 세정에 소요되는 시간이 단축되어 증착 설비의 가동률을 향상시킬 수 있고 안정적인 공정 조건을 확보할 수 있다.

그리고, 운반가스의 양을 조절함으로써, 공정 챔버 내부의 에칭 효과를 최대한 향상시킬 수 있고, 공정 챔버 내부에서 파티클 발생에 따른 불량을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 증착 장치를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상부 덮개의 온도 변화를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 H2 유량을 나타낸 그래프

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 웨이퍼 증착장치를 나타낸 단면도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 공정 챔버는 실질적으로 대칭으로 구성되며, 반응기 공간을 둘러싸는 상부 덮개(10), 하부 덮개(20) 및 측벽을 포함하며, 내부에 수용된 반도체 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장 등의 공정이 수행된다. 에피택셜 성장 등의 증착의 대상이 되는 반도체 웨이퍼(5)는 반응기 공간 내에 배치되는 서셉터(11)에 의해 유지된다.

특정 증착 온도로 반도체 웨이퍼를 가열하기 위한 복사 가열 시스템이 상부 덮개(10)의 위에 그리고 하부 덮개(20)의 아래에 위치하게 된다. 또한, 공정 챔버 내로 공정 가스를 도입하기 위한 유입구(12), 그리고 공정 챔버의 측벽을 통해 공정 챔버로부터 공정 가스 및 공정 가스의 기상 생성물을 방출하기 위한 배출구(13)가 구비된다.

공정 챔버는 더욱이 상부 덮개(10) 및 하부 덮개(20)를 냉각하기 위한 냉각 시스템, 예컨대 냉각팬(30), 그리고 열 교환기(31)를 포함하는데, 상기 냉각 시스템은 상부 덮개(10) 및 하부 덮개(20)에 대해 냉각 가스를 가이드하며, 상기 열 교환기는, 덮개와 접촉하여 가열되는 냉각 가스로부터 열을 흡수한다. 상기 냉각 시스템은 공정 챔버의 상부 덮개의 온도를 제어하기 위해 구비될 수 있다.

센서(25)는 에피택셜 성장 공정에 수행되는 온도를 제어하기 위해 상부 덮개(10) 상부 또는 하부 덮개 하부(20)에 마련될 수 있다. 상기 센서(25)는 바람직하게는 고온계인데, 이 고온계를 이용하여 상부 덮개(10)의 온도가 비접촉식으로 측정된다. 증착 공정의 최적화를 위해 사전에 결정되는 목표 온도로 상부 덮개의 온도를 제어하기 위한 제어기(35)는, 센서(25, 26)에 의해 측정되는 온도와 목표 온도 사이의 차이에 따라 냉각팬(30)의 파워에 영향을 주도록 형성된다.

상기 냉각팬(30)은 공정 챔버 상부에 구비되고, 상부 덮개 및 하부 덮개를 둘러싸는 냉각 시스템의 측벽에 형성되며, 공정 챔버 내부로 열을 전달하는 각각의 램프(21, 22, 23, 24)의 과열을 방지하도록 기설정된 속도로 회전하면서 쿨링을 실시하게 된다.

공정 챔버 내부를 세정하기 위하여 수행되는 에칭 반응은 1100℃이상에서 효율적으로 진행될 수 있다. 상기 공정 챔버의 세정을 위한 에칭 공정 전, 서셉터의 온도는 용이하게 상승되지만, 챔버의 내벽 및 상부 덮개 주변의 영역은 승온에 시간이 걸리게 되며, 이는 상부 덮개 주변 영역의 에칭 효율을 저하시키게 되어 공정 부산물이 퇴적될 수 있다.

본 발명에서는 상술한 냉각팬(30)의 파워를 설정하여, 공정 챔버 내부의 세정 효과를 더욱 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 제안한다.

도 2는 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 상부 덮개의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 종래에는 상부 덮개의 온도 변화를 고려하지 않고 챔버 내부의 에칭을 진행하였으며, 이 때 상부 덮개의 온도는 초기 온도가 약 320℃에서 시작하여 440℃까지 상승하게 된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 냉각팬(30)은 구체적으로 300㎜ Centura 장비의 상부 및 하부 덮개의 외벽과 상부 램프(21, 22) 및 하부 램프(23, 24)의 과열을 방지하는 장치로서, 라디에이터 형태의 열교환기(31)를 포함하며, 상기 냉각팬(30)의 파워를 사용자의 선택에 따라 설정함으로써 상기 냉각팬(30)의 회전 속도를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 냉각팬(30)의 파워를 소정의 값만큼 감소시켜 적은 유량의 냉각 공기가 순환되도록 함으로써, 공정 챔버 상하부의 쿨링 효과를 감소시킬 수 있다. 쿨링 효과의 저하로 인해, 상기 상부 덮개(10) 주변 영역의 온도가 상승하게 된다. 공정 챔버의 세정 전 승온시의 상부 덮개(10) 주변 온도의 최소값은 350℃, 즉, 냉각팬(30)의 파워 감소를 통한 상부 덮개의 세정 공정 전 초기 온도값은 350℃로 설정될 수 있다. 상부 덮개(10) 주변의 온도는 에칭 공정을 위한 챔버 내부의 승온을 통해 초기 350℃에서 470℃까지 상승할 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이 공정 챔버의 세정을 위한 에칭 공정을 실시하기 전, 공정 챔버를 승온시키는 단계에서 냉각팬(30)의 파워를 소정의 값만큼 감소시킴으로써 상부 덮개(10) 주변 영역의 온도가 종래보다 평균 30℃이상 상승하게 된다.

이로 인해, 에칭을 실시하기 위한 반응 가스에 포함되는 HCL의 분해가 활성화되고, 상기 상부 덮개(10)의 주변부, 특히 반응 가스의 배기구(13) 쪽에 위치하는 상부 라이너(11)에 실리콘 착화물이 증착되는 것을 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 H2 유량을 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, H2 가스를 공정 챔버에 주입하였을 시, H2 가스의 유량에 따른 에칭율을 나타낸 그래프로서, 가로축은 0을 기준으로 + 방향은 H2가스의 유입방향이며 - 방향은 H2가스의 확산 방향을 나타낸다. 구체적으로, + 방향은 반응가스가 유입되는 유입구(12)이며, - 방향은 반응가스가 배출되는 배출구(13)가 될 수 있다.

운반 가스인 H2 가스는 공정 챔버의 내부로 투입될 시, 웨이퍼의 상부 및 하부 방향으로 투입되며, 반응가스인 HCL 가스를 공정 챔버 내부에서 확산시키는 역할을 한다. 이 때, HCL가스가 투입되는 지점에서 더 먼곳으로 이동할수록 공정 챔버 내부의 에칭 반응 효과가 증대될 수 있다. 특히, 상부 덮개 주변의 상부 라이너(11)까지 에칭이 실시되기 위해서는 운반가스인 H2의 양을 조절할 필요가 있다.

따라서, 도 3의 그래프는 H2 가스를 세가지 경우의 유량으로 실험한 결과를 나타내며, H2 가스를 웨이퍼 상부 방향으로 8slpm, 하부 방향으로 8slpm만큼 투입한 경우(8/8), 웨이퍼 상부 방향으로 30slpm, 하부 방향으로 20slpm만큼 투입한 경우(30/20), 웨이퍼 상부 방향으로 60slpm, 하부 방향으로 20slpm만큼 투입한 경우(60/20)를 나타낸다.

상기의 그래프는 웨이퍼의 상, 하부 방향으로 유입되는 H2 가스의 양을 줄일수록 에칭기울기가 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, H2 가스를 웨이퍼 상부 방향으로 8slpm, 하부 방향으로 8slpm만큼 투입한 경우(8/8)에는 에칭기울기가 급격히 감소하게 된다. H2 가스의 확산거리는 웨이퍼의 중심을 기준으로, 가스의 배출구(13) 방향으로 약 -240mm의 위치까지 확산됨을 알 수 있다.

그러나, 웨이퍼 상부 방향으로 60slpm, 하부 방향으로 20slpm만큼 투입한 경우(60/20)에는 에칭 기울기가 상기의 경우보다 감소하게 되고, H2 가스의 확산거리는 웨이퍼의 중심을 기준으로, 가스의 배출구(13) 방향으로 약 -320mm의 위치까지 확산됨을 알 수 있다.

따라서, H2 가스의 유량을 소정의 값만큼 증가시킴에 따라 공정 챔버의 에칭 반응이 웨이퍼의 중심을 기준으로 더 먼곳까지 효과적으로 실시될 수 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 공정 챔버 내부가 균일하게 에칭될 수 있고, 균일하게 에칭된 공정 챔버에서 증착되는 웨이퍼의 품질 또한 향상될 수 있다.

본 발명은, 공정 챔버를 세정하기 위해 별도의 조건을 설정할 필요없이 냉각팬의 파워만을 조절함으로써, 공정 챔버 내부의 상부 덮개 주변에 공정 부산물이 증착되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 세정에 소요되는 시간이 단축되어 증착 설비의 가동률을 향상시킬 수 있고 안정적인 공정 조건을 확보할 수 있다.

그리고, 운반가스의 양을 조절함으로써, 공정 챔버 내부의 에칭 효과를 최대한 향상시킬 수 있고, 공정 챔버 내부에서 파티클 발생에 따른 불량을 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. 공정 챔버 내에서 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되고, 상기 공정 챔버를 세정하는 방법으로서,
   상기 공정 챔버의 상측에 구비되어 인접한 부위의 온도를 하강시키는 냉각팬에 대하여, 상기 냉각팬의 파워를 기설정된 값만큼 감소시킴으로써, 상기 상부 덮개의 온도를 증가시키는 단계;
   상기 공정 챔버 내부에 HCL 가스를 유입하는 단계; 및
   상기 챔버 내부로 유입되는 수소 가스 유량을 기설정된 값만큼 증가시켜 기체상 에칭에 의해 공정 챔버에 대한 세정을 실시하는 단계;
   를 포함하는 공정 챔버의 세정 방법.
   
   
   
   
   

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