KR20180011138A - 에칭 및 챔버 세정을 위한 공정 및 이를 위한 가스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불소, 질소 및 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물을 이용하여 반도체 제조에 사용된 장치의 챔버를 세정하기 위한 공정 및 상기 가스 혼합물에 관한 것이다.
Description
본 출원은, 그 출원의 전체 내용이 모든 목적에 대해 본 명세서에 참조로서 포함된, 2015년 5월 22일에 출원된 유럽 출원 15168904.9에 대한 우선권을 주장한다. 본 발명은, 불소, 질소 및 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물을 이용하여 반도체 제조에 사용된 장치의 챔버(chamber)를 세정하기 위한 공정, 및 상기 가스 혼합물에 관한 것이다.
처리 챔버는 반도체, 평판 디스플레이 또는 광전지 소자를 제조하는 데 널리 사용된다. 상기 제조는 일반적으로, 처리 동안 통상적으로 처리 챔버 내부에 제공되는 지지체 상에 위치된 기판의 에칭(etching) 또는 화학 증착과 같은 작업을 포함한다. 반도체, 광전지, 박막 트랜지스터(TFT) 액정 디스플레이, 및 마이크로전자기계 시스템(MEMS)의 제조 동안, 예를 들어 화학 증착(CVD)에 의한, 재료의 침적(deposition)의 연속적인 단계는 종종 처리 챔버 내 기판 상에서 수행된다. 개별 장치의 작업 동안, 침적은 기판 상에서 뿐만 아니라, 예를 들어 처리 챔버의 내벽에서도 일어난다. 그러한 침적물의 정기적인 제거는 안정적이고 반복적인 침적 결과를 수득하는 데 바람직하며, 일반적으로 상기 침적물을 불소 원자 함유 가스를 이용하여 에칭함으로써 수행된다.
NF3는 산업에서 에칭 가스로서 널리 사용된다. 그러나, NF3는 온실 가스로, 100 년의 기간에 걸쳐 비교시 CO2에 비해 지구 온난화 지수(GWP)가 17,200 배 더 크다. 이에 따라, COF2 또는 불소 분자와 같은 대안적인 에칭 가스가 제안되어 왔다. WO 2013/092770은 혼합물 내 아르곤 함량이 비교적 낮은 불소, 질소 및 아르곤의 3 원 혼합물을 개시한다.
그러나, 처리 챔버의 세정에 사용된 개선된 공정 및 가스 혼합물에 대한 필요가 여전히 존재한다. 결과적으로, 본 발명의 한 목적은 처리 챔버의 세정을 위한, 개선된 공정 및 에칭 가스로서의 가스 조성을 확인하는 것이다. 본 발명의 공정 및 가스 혼합물은 처리 챔버 내 원하지 않는 침적물의 개선된 에칭 속도를 유리하게 하고, 전체적인 세정 공정의 시간의 감소, 처리 챔버의 더 효과적인 세정, 불소-함유 에칭 가스의 소비에서의 감소 및/또는 더 경제적인 세정 공정을 초래한다. 추가의 목적은 세정 공정 내 에칭 가스로서 NF3를 더 효과적으로 쉽게 대체할 수 있는 가스 혼합물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 공정 및 가스 혼합물에 의해 이들 및 기타 다른 목적들이 달성된다.
따라서, 본 발명의 제1 양태는 반도체 제조에 사용된 장치의 처리 챔버를 세정하기 위한 공정에 관한 것으로서, 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 20%(부피/부피) 이상 40%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물이 에칭 가스로서 사용된다. 바람직하게, 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 35%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진다. 더 바람직하게 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 37.5%(부피/부피) 이상 42.5%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진다. 구체적으로, 가스 혼합물은 약 30%(부피/부피)의 불소, 약 30%(부피/부피)의 질소 및 약 40%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어진다.
바람직하게, 가스 혼합물은 불소, 질소 및 아르곤만으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 가스 혼합물은 네온, 산소, 헬륨, N2O, NO, 또는 이들의 혼합물과 같은 기타 다른 성분들을 함유할 수 있다.
용어 "약"은, 성분들이 상기 제공된 백분율 값에 따라 가스 혼합물 중에 존재함을 나타내고자 한다. 그러나, 이들은 또한, 가스 혼합물의 제조에 대한 기술적 공정으로 인한 것일 수 있는, 오차 범위 내에서 제공된 백분율로 존재할 수 있다. 일반적으로, 이러한 오차 범위는 약 +/- 0.5%(부피/부피)로 여겨진다.
처리 챔버용 공정은 일반적으로 상이한 단계들로 수행된다. 예를 들어, 플라즈마-보조된 세정에 적합한 공정은 4 개 이상의 상이한 단계들을 포함할 수 있다.
제1 단계는 발화 단계로, 플라즈마가 발화된다. 아르곤은 플라즈마를 발화시키는 데 매우 적합한 것으로 알려져 있으므로, 보통, 이러한 발화 단계는 순수한 아르곤을 이용하여 수행된다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 가스 혼합물은 또한 추가 량의 아르곤을 혼합물 내로 혼합시키지 않고 플라즈마원을 발화시키는 데 사용될 수도 있는 것으로 이제 발견되었다. 이에 따라, 개별적인 단계를 위해 상이한 가스 혼합물들로 전환시킬 필요 없이, 완전한 세정 사이클이 본 발명의 가스 혼합물을 이용하여 수행될 수 있다.
제2 단계는 예비-세정 단계이다. 이 단계에서, 에칭 가스는 일반적으로 불소를 더 적게 함유하는 가스를 함유한다. 이는, 상대적으로 다량의 침적물이 챔버의 특정 부분에서 발견되는 경우 수행될 수 있다. 챔버 일부의 과잉 가열을 방지하기 위하여, 이들 큰 침적물은 불소가 더 적은 더 순한 가스 혼합물을 이용한 예비-세정 단계에서 에칭된다.
제3 단계는 주 세정 단계로, 이때 침적물의 대다수가 처리 챔버로부터 제거된다. 유리하게는, 주 세정 단계는 세정 공정에서 가장 긴 단계일 수 있다. 이는 또한 대부분의 에칭이 소비되는 단계일 수 있다.
제4 단계는 후-세정 단계로, 이는 일반적으로 더 적은 불소 농도를 갖는 에칭 가스를 사용한다. 이 단계에서, 챔버의 더 멀고 쉽게 접근가능하지 않은 부분에 있는 임의의 잔류 침적물이 에칭된다.
바람직하게는, 세정 단계의 하나 이상에서 본 발명의 가스 혼합물이 사용된다. 더 바람직하게, 이는 주 세정 단계에서 사용된다.
처리 챔버의 세정은 일반적으로 비교적 저압에서 수행되며; 주 세정 단계에 적합한 값은 4 토르(torr)이다. 놀랍게도, 본 발명의 가스 혼합물은, 아마도 이들의 더 높은 반응성으로 인해, 챔버 내에서 훨씬 더 낮은 압력을 가능하게 한다는 것이 발견되었다. 이에 따라, 공정은 바람직하게는 1 토르 내지 3.5 토르 범위의 챔버 내 압력, 더 바람직하게는 약 3 토르에서 수행된다.
종종, 세정 공정은 플라즈마에 의해 보조된다. 플라즈마는 반대 전극들 사이에 고주파 전압을 인가함으로써 또는 무선 주파수의 상위 범위인 주파수의 마이크로파를 제공하는 마그네트론에서 생성될 수 있다. 전자기파는 플라즈마 반응기 내에서 기상을 가열시킨다. 높은 반응성을 갖는 원자들, 예를 들어 이후 물질을 에칭시켜 없애는 F 원자들이 형성되어, 휘발성 반응 산물을 형성한다. 놀랍게도, 본 발명의 가스 혼합물은 안정적인 플라즈마를 유지하는 한편, 비교적 낮은 주파수가 사용되는 것을 가능하게 한다. 이에 따른, 또 다른 구현예는, 공정이 100 KHz 내지 1 GHz, 바람직하게는 약 400 KHz의 주파수를 갖는 원격 플라즈마원(remote plasma source)을 이용하는 플라즈마-보조된 공정이다.
NF3는 현재 챔버 세정을 위해 가장 흔히 사용되는 에칭 가스들 중 하나이다. 이에 따라, 장치 및 그의 튜닝에 대한 최소 변형으로 NF3의 대체를 가능하게 하는 가스 혼합물을 제공하는 것이 유리할 것이다. 이는 일반적으로 "드롭인(drop-in)" 대체로서 지칭된다. 놀랍게도, 본 발명의 가스 혼합물은 NF3를 이용한 용도에 대해 튜닝 및/또는 최적화된 장치 상에서 사용될 수 있을 뿐 아니라 NF3에 비교시 더 개선된 결과를 제공하는 것으로 나타났다. 따라서, 또 다른 구현예는 장치가 에칭 가스로서 NF3의 이용에 대해 최적화된 공정에 관한 것이다.
세정 공정에서 제거될 침적물은 Si, Si3N4, SiOxNy(식에서, 0 < x ≤ 3 및 0 ≤ y ≤ 4), SiO2, TaN, TiN 또는 W와 같은 무기 재료를 포함한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 구현예는, Si, Si3N4, SiOxNy(식에서, 0 < x ≤ 3 및 0 ≤ y ≤ 4), SiO2, TaN, TiN 또는 W, 더 바람직하게는 SiO2가 에칭 가스를 이용한 에칭에 의해 제거되는 공정에 관한 것이다.
제2 양태에서, 본 발명은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 20%(부피/부피) 이상 40%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물에 관한 것이다.
바람직하게, 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 35%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진다. 더 바람직하게, 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 37.5%(부피/부피) 이상 42.5%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진다. 구체적으로, 가스 혼합물은 약 30%(부피/부피)의 불소, 약 30%(부피/부피)의 질소 및 약 40%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어진다. 또 다른 특정 구현예에서, 가스 혼합물은 약 30%(부피/부피)의 불소, 약 45%(부피/부피)의 질소 및 약 25%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어지거나, 가스 혼합물은 30%(부피/부피)의 불소, 45%(부피/부피)의 질소 및 25%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어진다.
제3 양태에서, 본 발명은, 예를 들어 상기 기재된 바와 같은 공정에서, 반도체 제조에 사용된 장치의 챔버의 세정을 위해 에칭 가스로서 가스 혼합물의 용도에 관한 것이다. 바람직하게, 가스 혼합물은 NF3에 대한 드롭인 대체품(drop-in replacement)으로서 사용된다.
본 발명의 가스 혼합물은 원하는 양의 불소, 아르곤 및 질소를 압력병 내로 응축 또는 가압함으로써 용이하게 제조될 수 있다.
본 명세서에 포함된 임의의 특허, 특허 출원, 및 간행물의 개시 내용이, 용어를 불명확하게 할 수 있는 정도로 본 출원의 기재과 상충되는 경우, 본 발명의 기재가 우선할 것이다.
하기 실시예는 본 발명을 더 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
1. 에칭 속도의 결정:
샘플을 향해 645 nm 레이저를 이용하여 반사계에 의해 에칭 속도를 현장 결정하였다. 필름의 두께를 제거 종점이 탐지되는 시간으로 나누어 에칭 속도를 계산하였다.
2. 샘플:
샘플의 크기는 200 mm 웨이퍼였다. 연구된 재료는 150 nm 열성 SiO2 층 상에 침적되어 간섭 측정을 가능하게 한다. SiO2 샘플의 광학 특성은 간섭 측정을 가능하게 하기 때문에, 이를 벌크 규소 상에 침적시켰다.
3.
알타
(
Alta
)-CVD 상에서의
챔버
세정 실험
"브룩스(Brooks) VX400" 로더(loader)를 갖는 2-챔버 시스템이 있는 알타CVD 툴(Tool) 상에서 시험을 수행하였다. 챔버 PM2를 도핑된/도핑되지 않은 폴리-Si 필름에 대해 사용하였다. 히터 온도를 400℃로 설정하였고, 벽 온도는 55℃였다.
NF3에 대해 최적화된 MKS "파라곤(Paragon)" 원격 플라즈마원이 400 kHz의 주파수로 사용되었다. 해리된 이온 및 라디칼은 슬릿(slit) 밸브 가까이에서 챔버로 들어가고, 히터와 샤워 헤드(shower head) 사이로 유동한다. 원격 플라즈마원은 보통 순수 아르곤의 존재 하에서 발화되었다. 플라즈마가 안정적인 조건이 된 직후, 불소를 포함하는 가스 혼합물을 도입하였다.
개별적인 가스 혼합물을, 10 l 크기의 가스 실린더로부터 기계로 전달하였다. 모든 종류의 부식성 가스에 적합한 금속 밀봉된, "브룩스 GF 125" 디지탈 질량 유동 조절기, VCR을 장치에 장착하였다.
합계된 45 초의 시간 동안 3 개의 개별적인 세정 단계들(예비-세정, 주 세정 및 후-세정)을 이용하여 세정 공정을 수행하였다.
실시예 1 : 상이한 F2/Ar/N2 혼합물을 이용한 챔버 세정
1 ㎛ 내지 2 ㎛ 두께의 PETEOS-필름을 200 mm Si-기재 상에 침적시키고, 분광계(OMT)/ 타원분광기(ellipsometer)(텐코어(tencor) UV1280SE), 49 점, 10 mm 가장자리 배제로 두께를 측정하였다. 웨이퍼를 챔버 내에 로드하였다. 후-에칭 TEOS 필름 두께를 측정한 후 SiO2-에칭 속도를 계산하였다.
각각의 예로, 주 세정 단계(2 행)를, 순수한 에칭 가스 혼합물을 이용하여 수행한 한편, 예비-세정 및 후-세정 단계는 각각 1140 sccm 및 850 sccm("표준 입방 센티미터")의 첨가로 수행되었다. 기타 다른 파라미터(단계 시간 t, 압력 p 및 아르곤, 에칭 가스 및 총 가스의 개별적인 유동 속도)가 하기 표에 제공된다.
실시예 1a는 본 발명의 혼합물을 나타내는 한편, 비교예 1b 및 비교예 1c는 특허청구된 범위 밖의 가스 혼합물을 이용하여 수행되었다.
결과:
결과는, 놀랍게도 에칭 속도가 본 발명의 가스 혼합물 F2/N2/Ar(30%/30%/40% 각각 부피/부피)에 대해 예측되지 않은 최대 값 1253 nm/분 및 가스 혼합물 F2/N2/Ar(30%/45%/25% 각각 부피/부피)에 대해 예측되지 않은 또 다른 최대 값 1343 nm/분을 나타낸다는 것을 나타낸다. 특허청구된 범위 바로 밖에서의 질소 및 아르곤 함량의 변동은 에칭 속도의 감소를 결과로서 초래한다. 실험 1a의 본 발명의 가스 혼합물은, 비교 실험 1b의 가스 혼합물을 이용한 차선의 결과보다 10% 초과해서 더 높은 에칭 속도를 초래한다.
비교예
2: NF
3
/
Ar
혼합물을 이용한
챔버
세정
하기 표에 나타낸 바와 같이 상이한 NF3/Ar 혼합물을 이용하여 3 개의 상이한 세정 공정을 수행하였다. 모든 기타 다른 파라미터는 실험 1에서 언급된 것들과 동일하였다.
결과:
상기 결과는, 실험 1a의 본 발명의 가스 혼합물은 비교 실험 2의 NF3/Ar 가스 혼합물을 이용한 차선의 결과보다 10% 초과해서 더 높은 에칭 속도를 초래함을 나타낸다. 추가적으로, 불소의 소비(소비된 불소 원자의 총 중량을 기준으로 계산, 마지막 열)는, 실험 1a의 본 발명의 혼합물을 이용한 결과에 대해 계산된 소비에 비교하여, 비교예 2의 최선의 결과에서 명백히 더 높다.
Claims (13)
- 반도체 제조에 사용된 장치의 처리 챔버(chamber)를 세정하기 위한 공정으로서, 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 20%(부피/부피) 이상 40%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물이 에칭(etching) 가스로서 사용되는 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 35%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 35%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 것인 공정.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 27.5%(부피/부피) 이상 32.5%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 37.5%(부피/부피) 이상 42.5%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 것인 공정.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 약 30%(부피/부피)의 불소, 약 30%(부피/부피)의 질소 및 약 40%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어진 것인 공정.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 주 챔버 세정 단계에서 사용되는 것인 공정.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버 내 압력은 1 토르 내지 3.5 토르 사이의 범위인 공정.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정은 100 KHz 내지 1 GHz, 바람직하게는 약 400 KHz의 주파수를 갖는 원격 플라즈마원(remote plasma source)을 이용하는 플라즈마-보조된 것인 공정.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 에칭 가스로서 NF3의 이용에 대해 최적화된 것인 공정.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 무정형 Si, Si3N4, SiOxNy(식에서, 0 < x ≤ 3 및 0 ≤ y ≤ 4), SiO2, TaN, TiN 또는 W, 바람직하게는 SiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 재료는 상기 에칭 가스를 이용한 에칭에 의해 제거되는 것인 공정.
- 불소, 아르곤, 질소 및 선택적인 기타 다른 성분들의 총 조성 100%(부피/부피)에 대하여, 20%(부피/부피) 이상 40%(부피/부피) 이하 범위의 불소, 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 질소 및 25%(부피/부피) 이상 45%(부피/부피) 이하 범위의 아르곤을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 가스 혼합물.
- 제10항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 약 30%(부피/부피)의 불소, 약 30%(부피/부피)의 질소 및 약 40%(부피/부피)의 아르곤으로 이루어진 것인 가스 혼합물.
- 제10항 또는 제11항의 가스 혼합물의, 반도체 제조에 사용된 장치의 챔버의 세정을 위한 에칭 가스로서의 용도.
- 제12항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 에칭 가스로서 NF3에 대한 드롭인 대체품(drop-in replacement)으로서 사용되는 것인 용도.
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