KR20170032690A - 원격플라즈마 세정 장치 및 이를 이용한 세정방법 - Google Patents

원격플라즈마 세정 장치 및 이를 이용한 세정방법 Download PDF

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Abstract

원격플라즈마 세정 장치 및 세정방법이 개시된다. 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치는, 진공에서 공정을 수행하는 반도체 증착챔버; 상기 증착챔버 외부에 설치되고, 상기 증착챔버와 연결되어 동일한 진공을 유지하는 원격플라즈마 장치; 상기 원격플라즈마 장치의 플라즈마 전원 출력주파수는 임피던스에 따라서 200KHz에서 500KHz까지 가변되는 전원장치; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 삼불화질소 공급부; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 질소 공급부; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 산소 공급부;를 포함하고, 질소 공급부로부터 공급된 질소에 의한 플라즈마 방전 후 산소를 첨가하도록 하는 것이다.
이에 따르면, 반도체 증착반응로의 주기세정공정에 있어서 기존에 사용되던 삼불화질소의 양을 현저히 감소시키면서도 세정율을 증가시키는 방법을 제시함으로서, 온실가스의 발생을 저감하며 세정율을 제고할 수 있는 효과가 있다.

Description

원격플라즈마 세정 장치 및 이를 이용한 세정방법{Remote Plasma Cleaning Method and Cleaning Apparatus}
본 발명은 원격플라즈마 세정 장치 및 이를 이용한 세정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼 제조공정에서 사용되는 삼불화질소를 저감하며 세정효율은 최상의 조건으로 유지할 수 있으면서 지구 온난화를 초래하는 불소 사용을 억제할 수 있도록 하는 원격플라즈마 세정 장치 및 이를 이용한 세정방법에 관한 것이다.
일반적으로 오늘날 반도체 소자을 제조하는 공정은 크게 패턴형성을 위한 노광 및 현상공정(Lithography), 얇은 막을 쌓는 증착공정(Deposition), 쌓은 막을 패턴대로 식각하는 에칭공정의 3가지로 분류된다.
반도체소자를 제조함에 있어 필수적인 공정의 하나인 증착공정은 대부분 진공반응로에 수행되며 증착되는 박막(Thin film)은 웨이퍼뿐 아니라 챔버의 벽이나 웨이퍼 스테이지에도 증착이 된다.
증착되는 박막이 두꺼워짐에 따라 공정에 영향을 주며 벗겨짐(peeling)에 의해 웨이퍼소자에 떨어짐으로서 불량을 발생하기도 한다.
이에 따라 주기적으로 챔버 세정을 하게 되는데, 현재는 반응로내에서 플라즈마를 발생시키거나 원격으로 플라즈마를 발생시켜 플로린계 가스의 활성종(Radical)을 챔버내로 유입시킴으로서 세정공정을 수행하고 있다.
세정에 쓰이는 플로린계 가스는 주로 삼불화질소(NF3)를 사용하는데, 이 가스는 온난화지수가 매우 큰 환경 유해가스이다.
이들 화합물 가스는 독성 부산물을 배출시키며 또한 적외선 영역의 파장을 흡수하며, 대기 중에서 긴 존재기간을 지니고 있어 지구 온난화에 큰 영향을 미치고 있다.
과불화탄소(PFCs)의 존재기간은 이산화탄소(CO2)의 수천 배에 이르며, 지구온난화영향 또한 수천~수만 배에 달하기 때문에 이들 가스의 배출은 반도체 산업에서의 심각한 문제로 나타나게 되었다.
따라서 반도체 생산 공정 후 배출되는 과불화탄소의 양을 줄이거나 지구온난화가스를 배출하지 않는 새로운 가스를 개발하는 등의 노력이 시급한 실정이다.
국내특허 출원 10-2003-7015440호에는 "세정 가스 및 식각 가스"가 개시된 바 있다.
상기 선행특허는 탄소 원자와 에테르 결합한 산소 원자를 2개 이상 4개 이하로 가지는 퍼플로로 환상 에테르를 포함하는 세정 가스를 제공하는 것이었다.
종래에는 아르곤(Ar)을 사용하여 원격플라즈마를 발생시키고 이후에 삼불화질소(NF3)를 유입시켜서 아르곤과 삼불화질소의 조합 또는 삼불화질소 단독으로 원격플라즈마를 사용하여 왔다.
삼불화질소의 사용량을 줄이기 위하여 아산화질소(N2O)를 첨가하는 시도가 있으나 완전분해되지 않은 아산화질소도 온난화가스이기 때문에 산소 또는 오존를 첨가하는 세정공정을 개발함으로서 세정율도 높이고 삼불화질소의 사용량도 줄일 수 있는 대체 가스가 요구되고 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 반도체 웨이퍼 제조 공정에서 사용되는 불소계 가스를저감하는 방법을 제공하되 세정효율은 유사 효율을 제공할 수 있고, 불소계 가스 사용을 저감함으로써 환경 오염을 방지할 수 있도록 한 원격플라즈마 세정 장치 및 세정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 삼불화질소 원격플라즈마 장치에 산소를 첨가함으로서, 플라즈마에 의해 발생된 산소 활성종(O, O2, O3)등이 증착된 박막에 에너지를 공급하게 하며, 산소활성종들은 산화력이 매우 강하기 때문에 세정력을 촉진시킨다. 이에 따라, 세정력을 증대하고 NF3의 사용량을 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예는 산소와 함께 산화질소(NO)가스를 첨가함으로써 플라즈마내에서 산화질소 활성종(Radical)을 발생시킴으로서, 산화실리콘박막 표면의 질소나 산소원자의 결합을 약화시켜 세정력을 증대시킬 수도 있다.
본 발명의 일 실시예는, 원격플라즈마 장치는 산소나 삼불화질소 만으로 플라즈마 발생이 어렵기 때문에 질소나 아르곤으로 플라즈마 방전을 유도한다.
한편 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치는, 진공에서 공정을 수행하는 반도체 증착챔버; 상기 반도체 증착챔버 외부에 설치되고, 상기 반도체 증착챔버와 연결되어 동일한 진공을 유지하는 원격플라즈마 장치; 상기 원격플라즈마 장치의 플라즈마 전원 출력주파수는 임피던스에 따라서 200KHz에서 500KHz까지 가변되는 전원장치; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 삼불화질소 공급부; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 질소 공급부; 상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 산소 공급부;를 포함하고, 질소 공급부로부터 공급된 질소에 의한 플라즈마 방전 후 산소를 첨가하도록 하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치에 의해 달성될 수 있다.
한편 상기한 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법에 있어서, 질소 공급부를 통해 질소에 의해 플라즈마 방전이 실시되는 1단계; 상기 플라즈마 방전 후 산소 또는 오존을 첨가하는 2단계;를 포함하며, 산소 또는 오존을 첨가하여 산소 활성종을 증착막에 에너지를 공급하여 반응성을 향상시켜 세정율을 증대하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치를 이용한 세정방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 증착반응로의 주기세정공정에 있어서 기존에 사용되던 삼불화질소의 양을 현저히 감소시키면서도 세정율을 증가시키는 방법을 제시함으로서, 온실가스의 발생을 저감하며 세정율을 제고할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치에서 삼불화질소만 사용하였을 경우 세정율 변화를 나타낸 도면 대용 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치에서 산소만 첨가하였을 경우 세정율 변화를 나타낸 도면 대용 그래프,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 설명될 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 함을 밝혀둔다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 원격플라즈마 세정 장치를 나타낸 도면, 도 4는 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도, 도 5는 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치에서 삼불화질소만 사용하였을 경우 세정율 변화를 나타낸 도면 대용 그래프, 도 6은 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치에서 산소만 첨가하였을 경우 세정율 변화를 나타낸 도면 대용 그래프, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도, 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 원격플라즈마 세정장치를 이용한 세정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원격플라즈마 세정 장치는, 진공에서 공정을 수행하는 반도체 증착챔버(2); 상기 반도체 증착챔버(2) 외부에 설치되고, 상기 반도체 증착챔버(2)와 연결되어 동일한 진공을 유지하는 원격플라즈마 장치(4); 상기 원격플라즈마 장치(4)의 플라즈마 전원 출력주파수는 임피던스에 따라서 200KHz에서 500KHz까지 가변되는 전원장치(6); 상기 원격플라즈마 장치(4)에 연결된 가스 유입관(L)에 연결되는 삼불화질소 공급부(52); 상기 원격플라즈마 장치(4)에 연결된 가스 유입관(L)에 연결되는 질소 공급부(54); 상기 원격플라즈마 장치(4)에 연결된 가스 유입관(L)에 연결되는 산소 공급부(56);를 포함하고, 질소 공급부(54)로부터 공급된 질소에 의한 플라즈마 방전 후 산소를 첨가하도록 하는 것이다.
상기 반도체 증착챔버(2)는 내부에 반도체 웨이퍼가 안착되는 스테이지(22)가 형성되고, 상부에는 원격플라즈마 장치(4)와 통하도록 연결되는 연결관(24)이 형성된다.
상기 원격플라즈마 장치(4)는, 반응기와, 반응기의 외부에는 마그네틱 코어가 감싸도록 형성되고, 마그네틱 코어에는 전원장치로부터 전원이 공급된다.
따라서 반응기의 일측으로부터 삼불화질소, 질소, 산소가 공급되고, 반응기 내에서 방전시켜 플라즈마 소스를 방전하게 된다.
상기 산소 공급부(56)는 산소(O2) 또는 오존(O3)을 공급하도록 한다. 도 2는 산소가 공급되는 실시예를 나타낸 것이고, 도 3은 오존이 공급되는 실시예를 나타낸 것이다.
오존의 유입구는 원격플라즈마 장치(4)의 유출구에 배치시킨다.
한편 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 각각의 가스 유입관(L)이 일측에 연결되며, 타측은 상기 원격플라즈마 장치(4)에 통하도록 형성되는 버퍼공간부(3)가 포함된다.
따라서 상기 버퍼공간부(3)에서 삼불화질소, 질소, 산소가 혼합될 수 있어 가스의 균일도가 향상될 수 있고, 이 혼합가스에 의한 플라즈마 효율이 향상될 수 있다.
한편 상기한 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법은, 질소 공급부를 통해 질소에 의해 플라즈마 방전이 실시되는 1단계(S1); 상기 플라즈마 방전 후 산소 또는 오존을 첨가하는 2단계(S2);를 포함하며, 산소 또는 오존을 첨가하여 산소 활성종을 증착막에 에너지를 공급하여 반응성을 향상시켜 세정율을 증대하고 온난화가스 사용량을 저감시키게 된다.
상기 1단계(S3)는 원격플라즈마 장치(4)에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)을 유입시켜 플라즈마를 발생시키는 공정을 포함한다.
이때 사용되는 원격플라즈마 장치(4)의 출력 주파수는 200KHz와 500KHz 이다.
상기 2단계(S2)는 1단계()의 플라즈마 방전 성공 후 삼불화질소를 유입시키는 2-1공정이 포함된다.
상기 2-1공정 후 플라즈마 방전이 정상상태가 되면 산소를 유입시키는 2-2공정이 포함된다.
상기 삼불화질소의 유입과 함께 산화질소(NO)를 유입할 수 있다.
상기 유입되는 산소의 양은 삼불화질소 100중량부를 기준으로 산소가 50중량부 ~ 300중량부로 유입되는 것이 바람직하다.
상기 2단계(S2)는 플라즈마 방전에 사용한 질소 또는 아르곤을 중지시키는 공정을 포함한다.
한편 상기 2단계(S2)에서 오존은 오존발생기를 통해 유입된다.
유입되는 오존의 량은 삼불화질소 100중량부를 기준으로 오존이 50중량부 ~ 300중량부로 유입되는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
[실시예 1]
도 4에 나타낸 바와 같이, 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법은,
S1) 원격플라즈마 장치(4)에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)을 유입시켜 플라즈마를 발생시킨다.
이때 사용되는 원격플라즈마 장치(4)의 출력 주파수는 200KHz와 500KHz 이다.
S2) 플라즈마의 발생 여부는 원격리액터의 뷰포트를 통한 광센서를 이용하거나, 전원장치 내부에 센서회로를 구성하여 진단한다.
S3) 플라즈마 방전이 성공되면 삼불화질소를 유입시킨다.
S4) 삼불화질소 유입에 따른 플라즈마 방전이 정상상태가 되면 산소를 유입시킨다. 이후에는 방전에 사용한 질소 또는 아르곤을 중지시킬 수 있다.
유입되는 산소의 양은 삼불화질소 100중량부를 기준으로 산소가 50중량부~300중량부로 유입된다.
S5) 설정된 시간동안 원격플라즈마를 가동하여 반도체챔버 내부 건식세정을 실시한다.
설정시간을 사용하지 않을 경우에는 챔버 배기부에 EPD(End Point Detector)를 설치하여 SiF4를 모니터링 함으로서 그 양이 현저히 줄어들었을 경우 원격플라즈마 세정을 중지시키도록 한다.
삼불화질소 량을 감소시키면 세정율이 낮아지게 되나, 산소를 적절히 첨가시킴으로서 세정율을 높일 수 있다.
실험에 따르면,
질화실리콘(Si3N4) 박막을 시료로 사용한 경우에, 도 5에 나타낸 바와 같이,
삼불화질소 양을 2,800sccm에서 1,400sccm으로 감소시켰을 경우 세정율이 1228 Å/min에서 716 Å/min으로 줄어 들었다.
이 상태에서 산소(O2)를 첨가시키면서 세정율 변화을 측정하였을 경우에 최대 1820Å/min으로 증대되었다(도 6 참조).
이를 통해 플라즈마에 의해 발생된 산소활성종이 박막에 에너지를 공급하여 반응성을 높임과 동시에 산화반응으로도 세정율에 크게 기여함을 알 수 있었다.
[실시예 2]
도 7에 나타낸 바와 같이, 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법은,
S1) 원격플라즈마 장치(4)에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)을 유입시켜 플라즈마를 발생시킨다.
이때 사용되는 원격플라즈마 장치(4)의 출력 주파수는 200KHz와 500KHz 이다.
S2) 플라즈마의 발생 여부는 원격리액터의 뷰포트를 통한 광센서를 이용하거나, 전원장치 내부에 센서회로를 구성하여 진단한다.
S3) 플라즈마 방전이 성공되면 삼불화질소를 유입시킨다. 삼불화질소 유입에 따른 플라즈마 방전이 정상상태가 되면 오존(O3)를 유입시킨다.
S4) 이후에는 방전에 사용한 질소 또는 아르곤 유입을 중지시킬 수 있다.
이때 오존은 별도의 오존발생기를 통하여 유입시키도록 한다.
S5) 설정된 시간동안 원격플라즈마 장치(4)를 가동하여 반도체챔버 내부 건식세정을 실시한다.
설정시간을 사용하지 않을 경우에는 챔버 배기부에 EPD(End Point Detector)를 설치하여 질화실리콘(Si3N4)을 모니터링 함으로서 그 양이 현저히 줄어들었을 경우 원격플라즈마 세정을 중지시키도록 한다.
[실시예 3]
도 8에 나타낸 바와 같이, 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법은,
S1) 원격플라즈마 장치(4)에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)을 유입시켜 플라즈마를 발생시킨다.
이때 사용되는 원격플라즈마 장치(4)의 출력 주파수는 200KHz와 500KHz 이다.
S2) 플라즈마의 발생 여부는 원격리액터의 뷰포트를 통한 광센서를 이용하거나, 전원장치 내부에 센서회로를 구성하여 진단한다.
S3) 플라즈마 방전이 성공되면 삼불화질소를 유입시킨다.
삼불화질소 유입에 따른 플라즈마 방전이 정상상태가 되면 산소를 유입시킨다.
이후 방전에 사용한 질소 또는 아르곤을 중지시킬 수 있다.
S4) 삼불화질소 유입과 함께 산화질소(NO)를 유입시킨다.
S5) 설정된 시간동안 원격플라즈마 장치(4)를 가동하여 반도체챔버 내부 건식세정을 실시한다.
설정시간을 사용하지 않을 경우에는 챔버 배기부에 EPD(End Point Detector)를 설치하여 질화실리콘(Si3N4)을 모니터링 함으로서 그 양이 현저히 줄어들었을 경우 원격플라즈마 세정을 중지시키도록 한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
2 : 반도체 증착챔버 3 : 버퍼공간부
4 : 원격플라즈마 장치 5 : 진공펌프
6 : 전원장치 22 : 스테이지
24 : 연결관 52 : 삼불화질소공급부
54 : 질소 공급부 56 : 산소 공급부

Claims (11)

  1. 진공에서 공정을 수행하는 반도체 증착챔버;
    상기 반도체 증착챔버 외부에 설치되고, 상기 반도체 증착챔버와 연결되어 동일한 진공을 유지하는 원격플라즈마 장치;
    상기 원격플라즈마 장치의 플라즈마 전원 출력주파수를 제공하는 전원장치;
    상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 삼불화질소 공급부;
    상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 질소 공급부;
    상기 원격플라즈마 장치에 연결된 가스 유입관에 연결되는 산소 공급부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 공급부는 산소 또는 오존을 공급하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 각각의 가스 유입관이 일측에 연결되며, 타측은 상기 원격플라즈마 장치에 통하도록 형성되는 버퍼공간부를 포함하고,
    상기 버퍼공간부에서 삼불화질소, 질소, 산소가 혼합되도록 한 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전원장치의 플라즈마 전원 출력주파수는 임피던스에 따라 200KHz에서 500KHz까지 가변되는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 기재된 원격플라즈마 세정 장치를 이용하는 세정방법에 있어서,
    질소 공급부를 통해 질소에 의해 플라즈마 방전이 실시되는 1단계;
    상기 플라즈마 방전 후 산소 또는 오존을 첨가하는 2단계;를 포함하며,
    산소 또는 오존을 첨가하여 산소 활성종을 증착막에 에너지를 공급하여 반응성을 향상시켜 세정율을 증대하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 1단계는
    원격플라즈마 장치에 질소 또는 아르곤을 유입시켜 플라즈마를 발생시키는 공정을 포함하고,
    상기 원격플라즈마 장치의 출력 주파수는 200KHz와 500KHz 인 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 2단계는 1단계의 플라즈마 방전 후 삼불화질소를 유입시키는 공정을 포함하고,
    상기 플라즈마 방전이 정상상태가 되면 산소를 유입시키는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 삼불화질소의 유입과 함께 산화질소를 유입하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 유입되는 산소의 양은 삼불화질소 100중량부를 기준으로 산소가 50중량부~300중량부인 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 2단계는 플라즈마 방전에 사용한 질소 또는 아르곤을 중지시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 2단계에서
    오존은 오존발생기를 통해 유입되는 것이며,
    상기 유입되는 오존의 량은 삼불화질소 100중량부를 기준으로 오존 50중량부 ~ 300중량부인 것을 특징으로 하는 원격플라즈마 세정 방법.

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