KR20200029286A - 건식 세정 장치 및 건식 세정 방법 - Google Patents

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Abstract

건식 세정 장치는 챔버, 상기 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 지지부, 상기 챔버 상부에 배치되어 상기 기판을 향하여 건식 세정 가스를 공급하고 상기 기판 지지부를 향하여 레이저를 투과시키는 광학 윈도우를 갖는 샤워 헤드, 상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성하기 위한 플라즈마 발생부, 및 상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판에 레이저를 조사하여 가열시키기 위한 레이저 조사부를 포함한다.

Description

건식 세정 장치 및 건식 세정 방법{DRY CLEANING APPARATUS AND DRY CLEANING METHOD}
본 발명은 건식 세정 장치 및 건식 세정 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 플라즈마 상태의 세정 가스를 이용하여 건식 세정 공정을 수행하기 위한 건식 세정 장치 및 이를 이용한 건식 세정 방법에 관한 것이다.
건식 세정 공정은 패턴의 미세화 및 종횡비가 증가함에도 원하는 물질을 완전히 제거할 수 있다. 그러나, 기상 상태 또는 가스 상태의 세정 가스의 화학 반응은 대부분 상온에서 반응이 이루어지므로 반응 속도가 느려 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 건식 세정 공정의 생산성 및 설비 안정성을 향상시킬 수 있는 건식 세정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 건식 세정 장치를 이용한 건식 세정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치는 챔버, 상기 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 지지부, 상기 챔버 상부에 배치되어 상기 기판을 향하여 건식 세정 가스를 공급하고 상기 기판 지지부를 향하여 레이저를 투과시키는 광학 윈도우를 갖는 샤워 헤드, 상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성하기 위한 플라즈마 발생부, 및 상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판에 레이저를 조사하여 가열시키기 위한 레이저 조사부를 포함한다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치는 상부벽에 광학 윈도우를 갖는 챔버, 상기 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 지지부, 상기 챔버 상부에 배치되어 상기 기판을 향하여 건식 세정 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드, 상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성하기 위한 플라즈마 발생부, 및 상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판 전면에 레이저를 조사하여 가열시키기 위한 레이저 조사부를 포함한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 방법에 있어서, 챔버 내에 기판을 로딩한다. 상기 챔버 내에 샤워 헤드를 통해 건식 세정 가스를 공급한다. 상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성한다. 상기 기판 표면에 레이저를 조사하여 상기 기판을 가열한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 건식 세정 장치는 챔버 내부에 건식 세정 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드 및 상기 챔버 외부에 배치된 레이저 조사부를 포함하고, 상기 레이저 조사부는 상기 샤워 헤드의 광학 윈도우를 통해 상기 챔버 내부의 웨이퍼전면에 균일한 강도의 레이저를 조사할 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 상기 챔버 내부의 온도는 유지하면서 상기 웨이퍼 표면 온도를 원하는 온도 범위까지 상승시켜, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스의 화학 반응 속도를 높여 건식 세정 공정의 공정 속도를 증가시킬 수 있다.
따라서, 상기 챔버 내부의 환경에 영향을 주지 않아 기상 화학 물질의 세정 침투력을 유지하면서, 상기 웨이퍼의 온도를 정확하게 상승시킴으로써 건식 세정 공정 시간을 감소시켜 공정 생산성 및 설비 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 투명 재질의 상기 광학 윈도우는 상기 레이저 조사부의 광학 렌즈들이 플라즈마 상태의 화학 물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 건식 세정 장치의 샤워 헤드를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1의 건식 세정 장치의 레이저 조사부를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 레이저 조사부에 의해 조사되는 레이저를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 레이저 조사부에 의해 레이저가 웨이퍼 상에 조사될 때 레이저의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7의 건식 세정 장치의 샤워 헤드를 나타내는 단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치의 레이저 조사부를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 레이저 조사부의 광학 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 11은 도 9의 레이저 조사부에 의해 웨이퍼상에 조사되는 레이저를 나타내는 사시도이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 레이저 조사부의 광학 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 13은 도 12의 레이저 조사부에 의해 웨이퍼상에 조사되는 레이저를 나타내는 사시도이다.
도14는 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15 내지 도 17은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 18 내지 도 27은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 평면도들 및 단면도들이다.
도 28 내지 도 34는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 건식 세정 장치의 샤워 헤드를 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 4는 도 1의 건식 세정 장치의 레이저 조사부를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 레이저 조사부에 의해 조사되는 레이저를 나타내는 도면이다. 도 6은 도 4의 레이저 조사부에 의해 레이저가 웨이퍼 상에 조사될 때 레이저의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도1 내지 도 6을 참조하면, 건식 세정 장치(10)는 챔버(20), 기판 지지부(30), 샤워 헤드, 플라즈마 발생부, 및 레이저 조사부(100)를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생부는 하부 전극(34), 상부 전극(40) 및 파워 공급부(60)를 포함할 수 있다. 또한, 건식 세정 장치(10)는 배기부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 건식 세정 장치(10)는 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitively coupled plasma) 챔버 내에 배치된 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판 상의 물질을 건식 세정하기 위한 장치일 수 있다. 하지만, 상기 건식 세정 처리 장치에 의해 생성된 플라즈마는 용량 결합형 플라즈마에 제한되지는 않으며, 예를 들면, 유도 결합형 플라즈마, 마이크로웨이브형 플라즈마일 수 있다. 여기서, 상기 기판은 반도체 기판, 유리 기판 등을 포함할 수 있다.
기판 지지부(30)는 챔버(20) 내부에 배치되어 상기 기판을 지지할 수 있다. 예를 들면, 기판 지지부(30)는 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 서셉터로서의 역할을 수행할 수 있다. 기판 지지부(30)는 상부에 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 유지하기 위한 정전 전극을 갖는 지지 플레이트(32)를 포함할 수 있다.
기판 지지부(30)는 지지 플레이트(32) 내에 원판 형상의 하부 전극(34)을 포함할 수 있다. 기판 지지부(30)는 구동부(도시되지 않음)에 의해 상하로 이동 가능하도록 설치될 수 있다. 기판 지지부(30)는 지지 플레이트(32)의 둘레를 따라 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 지지하는 포커스 링(36)을 포함할 수 있다. 포커스 링(36)은 링 형상을 가질 수 있다.
챔버(20)의 측벽에는 웨이퍼(W)의 출입을 위한 게이트(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 상기 게이트를 통해 웨이퍼(W)가 상기 기판 스테이지 상으로 로딩 및 언로딩될 수 있다.
상기 배기부는 챔버(20)의 하부에 설치된 배기 포트(24)에 배기관을 통해 연결될 수 있다. 상기 배기부는 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 포함하여 챔버(20) 내부의 처리 공간을 원하는 진공도의 압력으로 조절할 수 있다. 또한, 챔버(20) 내에 발생된 세정 공정 부산물들 및 잔여 세정 공정 가스들을 배기 포트(24)를 통하여 배출될 수 있다.
상기 샤워 헤드는 챔버(20) 상부의 개구부를 커버하는 진공 덮개 어셈블리(vacuum lid assembly)의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 챔버(20) 상부에 배치되어 챔버(20) 내부로 건식 세정 가스를 공급할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 분사홀들(41)이 형성된 매니폴드(40) 및 배플 플레이트로서의 샤워 헤드 플레이트(42)를 포함할 수 있다.
상부 전극은 상기 샤워 헤드의 일부로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극은 매니폴드(40)의 적어도 일부로 제공될 수 있다. 상기 상부 전극은 챔버(20) 상부에서 절연 차폐 부재(도시되지 않음)에 의해 지지될 수 있다. 상기 상부 전극은 하부 전극(34)과 대향하도록 기판 지지부(30) 상부에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극과 하부 전극(34) 사이의 챔버 공간은 플라즈마 발생 영역으로 사용될 수 있다. 상기 상부 전극은 기판 지지부(30) 상의 웨이퍼(W)를 향하는 면을 가질 수 있다.
상기 상부 전극은 환형 형상의 전극 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 상부 전극을 포함하는 매니폴드(40)는 관통 형성되어 챔버(20) 내부로 건식 세정 가스를 공급하기 위한 복수 개의 분사 홀들(41)을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 배플 플레이트로서의 샤워 헤드 플레이트(42)는 환형 형상의 플레이트를 포함할 수 있다. 샤워 헤드 플레이트(42)는 매니폴드(40)를 지지하며 상기 건식 세정 가스를 확산시켜 매니폴드(40)의 분사 홀들(41)을 통해 상기 건식 세정 가스를 분사시킬 수 있다. 샤워 헤드 플레이트(42)는 샤워 헤드 플레이트(42)는 내부에 가스 확산실(44)을 포함하고, 가스 확산실(44)은 분사 홀(41)들과 연통될 수 있다. 매니폴드(40)는 샤워 헤드 플레이트(42)의 하부면에 탈착 가능하도록 설치될 수 있다. 샤워 헤드 플레이트(42)는 스테인레스 강철, 알루미늄, 양극처리된(anodized) 알루미늄, 니켈, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 매니폴드는 스테인레스 강철, 알루미늄, 양극처리된(anodized) 알루미늄, 니켈, 세라믹 등을 포함하고, 상기 샤워 헤드 플레이트가 도전 물질을 포함하여 상기 상부 전극의 역할을 할 수 있다.
상기 가스 공급부는 가스 공급 엘리먼트들로서, 가스 공급관(70), 유량 제어기(72) 및 가스 공급원(74)을 포함할 수 있다. 가스 공급관(70)은 샤워 헤드 플레이트(42)의 가스 확산실(44)과 연결되고, 유량 제어기(72)는 가스 공급관(70)을 통하여 챔버(20) 내부로 유입되는 건식 세정 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 가스 공급원(74)은 복수 개의 가스 탱크들을 포함하고, 유량 제어기(72)는 상기 가스 탱크들에 각각 대응하는 복수 개의 질량 유량 제어기들(MFC, mass flow controller)을 포함할 수 있다. 상기 질량 유량 제어기들은 상기 건식 세정 가스들의 공급 유량들을 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 상기 건식 세정 가스는 F2, NH3, HF3, CH4, O3 등을 포함할 수 있다.
이와 다르게, 상기 가스 공급부는 이온, 원자, 라디칼 및 다른 플라즈마 종들(plasma species)을 발생시키는 원격 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 상기 가스 공급부로부터 상기 샤워 헤드를 통해 플라즈마 종들은 챔버(20) 내부에 공급될 수 있다. 상기 원격 플라즈마 소스는 플라즈마 가스를 공급받고, 라디칼, 이온, 원자 등과 같은 플라즈마 종들을 생성할 수 있다. 상기 원격 플라즈마 소스는 마이크로웨이브, 전자 사이클로트론 공명 상류 플라즈마 소스 등과 같은 플라즈마 소스 타입일 수 있다.
후술하는 바와 같이, 상기 건식 세정 가스는 파워 공급부(60)에 의해 플라즈마로 형성될 수 있다. 상기 건식 세정 가스는 광학 윈도우(50)를 통해 조사되는 레이저에 의해 영향을 받지 않은 화학종으로 선택될 수 있다.
상기 플라즈마 발생부의 파워 공급부(60)는 제1 파워 공급부 및 제2 파워 공급부를 포함할 수 있다. 상기 제1 파워 공급부 및 상기 제2 파워 공급부는 하부 전극(34) 및 상기 상부 전극에 고주파 파워를 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마(P)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극에 고주파 파워를 인가하고 하부 전극(34)은 접지될 수 있다. 상기 상부 전극은 접지되고 하부 전극(34)에 고주파 파워를 인가할 수 있다. 또는, 상기 상부 전극 및 하부 전극(34)에 서로 다른 위상을 갖는 전력을 공급할 수 있다. 고주파 파워 소스뿐만 아니라 직류 파워 소스도 사용될 수 있다.
파워 공급부(60)에 의해 상기 건식 세정 가스는 플라즈마로 형성될 수 있다. 파워 공급부(60)는 건식 식각 공정 레시피와 다른 공정 레시피를 가질 수 있다. 건식 세정 레시피는 저밀도, 저에너지, 및 저바이어스 플라즈마를 제공할 수 있다. 예를 들면, 13.5 ㎒의 고주파 파워를 상기 상부 전극에 제공할 수 있다. 0 내지 500 V의바이어스가 제공될 수 있다.
제어부는 파워 공급부(60)에 연결되어 이의 동작을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 상기 건식 세정 장치의 동작을 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판 지지부(30) 상의 웨이퍼(W) 표면을 향하는 챔버(20)의 상부벽에는 웨이퍼(W) 상으로의 광학적 접근을 위한 광학 윈도우(50)가 구비될 수 있다. 광학 윈도우(50)는 레이저를 투과시키기 위한 투명한 재질로 형성될 수 있다. 광학 윈도우(50)는 유리, 석영 등의 물질을 포함할 수 있다. 광학 윈도우(50)는 적어도 약 80%의 투과율을 가질 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광학 윈도우(50)는 상기 샤워 헤드의 중심 영역에 배치될 수 있다. 상기 샤워 헤드는 중심 영역에 형성된 개구부(45)를 구비할 수 있다. 개구부(45)는 샤워 헤드 플레이트(42) 및 매니폴드(40)를 관통할 수 있다. 광학 윈도우(50)는 개구부(45) 내에 설치될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 광학 윈도우(50)는 나사 등의 체결부재에 의해 개구부(45) 내에 고정되고, O-링과 같은 밀봉 부재에 의해 챔버(20) 내부를 외부로부터 밀봉시킬 수 있다.
상기 샤워 헤드의 하부면이 기판 지지부(30) 상의 웨이퍼(W)를 향하도록 상기 샤워 헤드의 하부면이 웨이퍼(W) 표면에 대하여 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 상기 샤워 헤드의 샤워 헤드 플레이트(42)는 웨이퍼(W) 표면에 평행한 광학 윈도우(50)의 상부면에 대하여 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 각도(θ1)는 3도 내지 45도 범위 이내에 있을 수 있다.
레이저 조사부(100)는 상기 샤워 헤드의 광학 윈도우(50)에 인접하게 설치될 수 있다. 레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 사이에 두고 챔버(20) 외부에 배치될 수 있다. 레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 통해 웨이퍼(W)에 레이저를 조사하여 웨이퍼(W)를 소정의 온도 범위로 가열시킬 수 있다. 예를 들면, 레이저조사부(100)는 웨이퍼(W)를 약 200℃ 내지 800℃의 온도 범위 이내로 가열할 수 있다.
도4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(100)는 레이저 광(L1)을 발생시키는 레이저 광원(110) 및 레이저 광원(110)으로터 출력된 레이저 광(L1)을 광학 윈도우(50)를 통해 웨이퍼(W) 전면에 걸쳐 균일한 강도로 투영시키기 위한 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학계는 레이저 광원(110)으로부터 출력된 레이저 광(L1)을 평행광(L2)으로 변환하는 콜리메이터(120) 및 평행광(L2)을 방사상으로 확대하는 비구면 렌즈(aspheric lens)(130)를 포함할 수 있다. 비구면 렌즈(130)를 통과한 레이저 광(L)은 광학 윈도우(50)를 통해 웨이퍼(W) 전면에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 조사될 수 있다.
비구면 렌즈(130)를 통과한 레이저 광(L)의 직경은 비구면 렌즈(130)의 후초점거리(BFL)에서 멀어질수록 커지게 되고, 레이저 광(L)이 웨이퍼(W)의 전면에 균일한 강도로 조사되도록 비구면 렌즈(130)의 표면 프로파일, 위치 등이 결정될 수 있다. 비구면 렌즈(130)에 의해 웨이퍼(W) 표면에 조사된 레이저 광(L)의 직경은 평행광(L2)의 직경보다 약 200% 내지 1000%만큼 확장될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)에 흡수되는 레이저의 흡수율은 파장에 따라 변화할 수 있다. 레이저 광원(110)은 웨이퍼(W)의 흡수율이 최대 영역인 250nm 내지 1000nm의 파장을 갖는 레이저를 발생시킬 수 있다. 레이저 출력은 100W 내지 100kW의 출력을 가질 수 있다. 상기 레이저 출력을 제어함으로써 웨이퍼(W)의 상승된 표면 온도를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 레이저 조사부(100)는 챔버(20) 외부에 배치되고, 상기 샤워 헤드의 광학 윈도우(50)를 통해 챔버(20) 내부의 웨이퍼(W)의 전면에 균일한 강도의 레이저를 조사할 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 챔버(20) 내부의 온도는 유지하면서 웨이퍼(W) 표면 온도를 원하는 온도 범위까지 상승시켜, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스의 화학 반응 속도를 높여 건식 세정 공정의 공정 속도를 증가시킬 수 있다. 챔버(20) 내부의 환경에 영향을 주지 않아 기상 화학 물질의 세정 침투력을 유지하면서, 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 상승시킴으로써 건식 세정 공정 시간을 감소시켜 공정 생산성 및 설비 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 투명 재질의 광학 윈도우(50)는 레이저 조사부(100)의 광학 렌즈들이 플라즈마 상태의 화학 물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
도7은 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치를 나타내는 블록도이다. 도 8은 도 7의 건식 세정 장치의 샤워 헤드를 나타내는 단면도이다. 상기 건식 세정 장치는 플라즈마 발생부 및 샤워 헤드의 구성들을 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 건식 세정 장치와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 건식 세정 장치(11)는 챔버(20), 기판 지지부(30), 샤워 헤드, 플라즈마 발생부, 및 레이저 조사부(100)를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생부는 하부 전극(34), 상부 전극(46) 및 파워 공급부(60)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 건식 세정 장치(11)는 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma) 챔버 내에 배치된 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판 상의 물질을 건식 세정하기 위한 장치일 수 있다.
구체적으로, 상부 전극(46)은 기판 전극(34)과 대향하도록 챔버(20)의 외측 상부에 배치될 수 있다. 상부 전극(46)는 고주파(RF) 안테나를 포함할 수 있다. 상기 안테나는 평면 코일 형상을 가질 수 있다. 상기 고주파 안테나에 의해 유도된 전자기장이 챔버(20) 내로 분사된 건식 세정 가스로 인가되어 플라즈마를 형성할 수 있다.
상기 샤워 헤드는 챔버(20) 상부의 개구부를 커버하는 진공 덮개 어셈블리의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 챔버(20)의 상부에 배치될 수 있다. 상부 전극(46)은 상기 샤워 헤드의 샤워 헤드 플레이트(42) 상에 배치될 수 있다. 상기 샤워 헤드는 유전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 샤워 헤드는 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 상부 전극(46)으로부터 공급된 RF 파워를 챔버(20) 내부로 전달하는 기능을 가질 수 있다. 즉, 샤워 헤드(160)는 상기 ICP 챔버의 유전체 창 기능을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 챔버(20)는 챔버(20)의 상부를 덮는 커버(22)를 더 포함할 수 있다. 커버(22)는 챔버(20)의 상부를 밀폐시킬 수 있다. 상부 전극(46)은 기판 전극(34)과 대향하도록 커버(22) 상에 배치될 수 있다. 커버(22)는 원판 형상의 유전체 창(dielectric window)을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 상기 유전체 창은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상부 전극(46)은 커버(22) 상에 배치될 수 있다. 상부 전극(46)는 고주파(RF) 안테나를 포함할 수 있다. 상기 안테나는 평면 코일 형상을 가질 수 있다. 상기 커버는 원판 형상의 유전체 창(dielectric window)을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 상기 유전체 창은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 창은 상기 안테나로부터의 파워를 챔버(20) 내부로 전달하는 기능을 가질 수 있다.
광학 윈도우(50)는 커버(22)의 중심 영역에 형성된 개구부(23) 및 상기 샤워 헤드의 중심 영역에 형성된 개구부(45)에 설치될 수 있다. 따라서, 챔버(22)는 상부벽으로서의 커버(22)에 광학 윈도우를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 샤워 헤드의 하부면은 웨이퍼(W) 표면에 대하여 평행하고 연장할 수 있다. 상기 샤워 헤드의 샤워 헤드 플레이트(42)의 상부면은 웨이퍼(W) 표면에 평행한 광학 윈도우(50)의 상부면과 동일한 평면에 위치할 수 있다. 이때, 상기 샤워 헤드의 분사 홀들(41)은 웨이퍼(W)를 향하도록 상기 샤워 헤드는 웨이퍼(W) 표면에 대하여 제2 각도(θ2)만큼 기울어지도록 연장할 수 있다. 예를 들면, 제2 각도(θ2)는 3도 내지 45도 범위 이내에 있을 수 있다.
따라서, 플라즈마의 균일한 분포를 위하여 상기 샤워 헤드는 웨이퍼(W)의 전면에 걸쳐 건식 세정 가스를 균일하게 공급할 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 장치의 레이저 조사부를 나타내는 도면이다. 도 10은 도 9의 레이저 조사부의 광학 마스크를 나타내는 평면도이다. 도 11은 도 9의 레이저 조사부에 의해 웨이퍼 상에 조사되는 레이저를 나타내는 사시도이다. 상기 레이저 조사부는 추가되는 광학 마스크를 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 레이저 조사부와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 건식 세정 장치의레이저 조사부(100)는 비구면 렌즈(130)를 통과한 레이저 광(L)을 선택적으로 투과시키는 광학 마스크(140)를 더 포함할 수 있다.
광학 마스크(140)는 제1 영역(141) 및 제2 영역(142)을 가질 수 있다. 제1 영역(142)은 제1 투과율을 가지고, 제2 영역(142)은 상기 제1 투과율보다 큰 제2 투과율을 가질 수 있다. 제1 영역(142)은 레이저 광(L)의 투과를 차단하는 차단 패턴이고, 제2 영역(142)은 레이저 광(L)의 투과를 허용하는 투과 패턴일 수 있다.
광학 마스크(140)의 상기 투과 패턴은 레이저 광(L)을 원하는 부분에 국부적으로 조사시킬 수 있다. 제2 영역(142)은 레이저 광(L)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에 조사되도록 환형 형상을 가질 수 있다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 레이저 조사부의 광학 마스크를 나타내는 평면도이다. 도 13은 도 12의 레이저 조사부에 의해 웨이퍼 상에 조사되는 레이저를 나타내는 사시도이다. 상기 광학 마스크는 투과 패턴의 형상을 제외하고는 도 9 내지 도 11을 참조로 설명한 레이저 조사부와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 광학 마스크(140)는 제1 영역(141) 및 제2 영역(142)을 가질 수 있다. 제1 영역(142)은 제1 투과율을 가지고, 제2 영역(142)은 상기 제1 투과율보다 큰 제2 투과율을 가질 수 있다. 제1 영역(142)은 레이저 광(L)의 투과를 차단하는 차단 패턴이고, 제2 영역(142)은 레이저 광(L)의 투과를 허용하는 투과 패턴일 수 있다.
광학 마스크(140)의 상기 투과 패턴은 레이저 광(L)을 원하는 부분에 국부적으로 조사시킬 수 있다. 제1 및 제2 영역들(141, 142)은 줄무늬 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 영역들(141, 142)은 제1 방향으로 서로 반복적으로 배열될 수 있다. 이와 다르게, 제1 및 제2 영역들(141, 142)은 격자 모양으로 배열될 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 7의 건식 세정 장치를 이용하여 기판을 건식 세정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 건식 세정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1, 도 5, 도 7 및 도 14를 참조하면, 먼저, 챔버(20) 내에 세정하고자 하는 웨이퍼(W)와 같은 기판을 로딩한 후(100), 챔버(20) 내에 건식 세정 가스를 공급할 수 있다(S110).
예시적인 실시예들에 있어서, 건식 세정 장치(10, 11)의 챔버(20) 내에 웨이퍼(W)를 로딩한 후, 웨이퍼(W) 상에 건식 세정 가스를 공급할 수 있다.
먼저, 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(20) 내의 기판 지지부(30)의 정전척 상에 로딩할 수 있다. 샤워 헤드의 분사 홀들(41)를 통해 건식 세정 가스를 챔버(20) 내에 도입하고, 배기부에 의해 챔버(20) 내의 압력을 기 설정된 값으로 조정할 수 있다. 상기 건식 세정 가스는 F2, NH3, HF3, CH4, O3 등을 포함할 수 있다.
이어서, 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성하고(S120), 웨이퍼(W) 표면 상에 레이저를 조사하여 웨이퍼(W)를 가열할 수 있다(S130).
예를 들면, 하부 전극(34) 및 상부 전극에 고주파 파워를 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성할 수 있다. 챔버(20) 내로 공급된 상기 건식 세정 가스는 플라즈마로 형성될 수 있다. 건식 세정 레시피는 저밀도, 저에너지, 및 저바이어스 플라즈마를 제공할 수 있다.
기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스, 즉 건식 세정 가스 플라즈마는 웨이퍼(W) 상의 잔여물과 화학 반응할 수 있다.
이후, 레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 통해 웨이퍼(W) 전면에 레이저 광(L)을 조사할 수 있다.
레이저 광원(110)으로터 출력된 레이저 광(L1)은 콜리메이터(120)에 의해 평행광(L2)으로 변환되고, 평행광(L2)은 비구면 렌즈(130)에 의해 방사상으로 확대될 수 있다. 비구면 렌즈(130)를 통과한 확대된 레이저 광(L)은 광학 윈도우(50)를 통해 웨이퍼(W) 전면에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 조사될 수 있다. 비구면 렌즈(130)에 의해 웨이퍼(W) 표면에 조사된 레이저 광(L)의 직경은 평행광(L2)의 직경보다 약 200% 내지 1000%만큼 확장될 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 웨이퍼(W) 표면 온도는 원하는 온도 범위까지 상승될 수 있다. 이에 따라, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스의 화학 반응 속도를 높여 건식 세정 공정의 공정 속도를 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 웨이퍼(W) 표면 온도는 상기 건식 세정 가스로부터의 플라즈마에 의해 변환된 세정 공정 부산물들을 승화시킬 수 있는 온도까지 상승될 수 있다. 상기 세정 공정 부산물들은 배기 포트(24)를 통해 챔버(20) 외부로 배출될 수 있다.
이하에서는, 도 14의 건식 세정 방법을 이용하여 반도체 장치의 패턴을 형성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 15 내지 도 17은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 15를 참조하면, 먼저, 식각 공정을 수행하여 식각 대상막(220)을 식각할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 반도체 기판(200) 상에 순차적으로 박막(210) 및 식각 대상막(220)을 형성한 후, 식각 대상막(220) 상에 포토레지스트 패턴(230)을 형성할 수 있다.
식각 대상막(220)은 금속막, 금속 질화막, 절연막, 반도체막 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 박막(220)은 질화막, 실리콘 질화막, 실리콘막, 폴리실리콘막, 실리콘 산화막 등을 포함할 수 있다. 다른 예로, 식각 대상막(220)은 티타늄 질화막, 티타늄막, 텅스텐막, 텅스텐 질화막 등을 포함할 수 있다. 또는, 식각 대상막(220)은 갭 필 특성이 우수한 유기막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 식각 대상막(220)은 하부 반사 방지막(bottom ARC, BARC), 스핀 온 하드 마스크 막(SOH), 비정질 탄소막(armophous carbon layer, ARC) 등을 포함할 수 있다.
식각 대상막(220) 상에 포토레지스트막을 형성한 후, 상기 포토레지스트막을 노광하여 포토레지스트 패턴(230)을 형성할 수 있다.
상기 포토레지스트막 상에 소정의 패턴이 형성된 노광 마스크를 정렬한 후, 상기 노광 마스크에 광을 조사함으로써 기판(200)에 형성된 상기 포토레지스트막의 소정 부위가 상기 노광 마스크를 투과한 광과 선택적으로 반응하게 된다. 상기 노광 공정에서 사용할 수 있는 광의 예로는 KrF, ArF, EUV(Extreme Ultra Violet), VUV, E-빔, X-선 또는 이온빔등을 들 수 있다.
현상액을 이용하여 상기 노광된 영역에 해당하는 상기 포토레지스트막을 용해한 후 제거함으로써 포토레지스트 패턴(230)을 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 포토레지스트 패턴(230)은 매우 좁은 선폭을 갖는 라인 앤 스페이스 형상을 가질 수 있다.
이어서, 포토레지스트 패턴(230)을 식각 마스크로 사용하여 식각 대상막(220) 상에 상기 식각 공정을 수행할 수 있다. 상기 식각 공정에 의해, 상부의 포토레지스트 패턴(230)에 의해 노출된 식각 대상막(220)의 일부를 제거하여, 식각 대상막(220)에 개구(222)를 형성할 수 있다.
상기 식각 공정을 수행한 후에, 기판(200) 상에는 잔여물(240)이 남아있을 수 있다. 예를 들면, 상기 식각 대상막이 실리콘 웨이퍼인 경우, 상기 잔여물은 실리콘 함유 잔여물일 수 있다. 상기 잔여물을 제거하기 위하여, 상술한 건식 세정 방법을 수행할 수 있다.
이와 다르게, 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 폴리실리콘층, 텅스텐막과 같은 금속층, 포토레지스트 패턴과 같은 유기막 자체가 세정 공정의 대상막이 될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 세정 공정 대상막 상에 후술하는 건식 세정 공정을 직접 수행할 수 있다.
도16을 참조하면, 기판(200) 상의 잔여물(240)과 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스, 즉 건식 세정 가스 플라즈마와 화학 반응하여 세정 공정 부산물인 화합물(242)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 기판(200)을 도 1 또는 도 7의 건식 세정 장치의 챔버(20) 내로 로딩된 후, 건식 세정 가스를 웨이퍼 기판(200) 상에 공급할 수 있다. 상기 건식 세정 가스는 F2, NH3, HF3, CH4, O3 등을 포함할 수 있다.
이어서, 플라즈마 전력을 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성할 수 있다. 예를 들면, 하부 전극(34) 및 상부 전극에 고주파 파워를 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성할 수 있다. 챔버(20) 내로 공급된 상기 건식 세정 가스는 플라즈마로 형성될 수 있다. 건식 세정 레시피는 저밀도, 저에너지, 및 저바이어스 플라즈마를 제공할 수 있다.
기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스, 즉 건식 세정 가스 플라즈마는 기판(200) 상의 잔여물(240)과 화학 반응하여 화합물(242)을 형성할 수 있다.
도 17을 참조하면, 기판(200) 표면 상에 레이저를 조사하여 기판(200)을 가열함으로써, 세정 공정 부산물인 화합물(242)을 제거할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 통해 기판(200) 전면에 레이저 광(L)을 조사할 수 있다. 레이저 조사부(100)의 비구면 렌즈(130)를 통과한 확대된 레이저 광(L)은 광학 윈도우(50)를 통해 기판(200) 전면에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 조사될 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 기판(200) 표면 온도는 원하는 온도 범위까지 상승될 수 있다. 이에 따라, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스의 화학 반응 속도를 높여 건식 세정 공정의 공정 속도를 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 기판(200) 표면 온도는 상기 건식 세정 가스로부터의 플라즈마에 의해 변환된 세정 공정 부산물들(242)을 승화시킬 수 있는 온도까지 상승될 수 있다. 세정 공정 부산물들(242)은 배기 포트(24)를 통해 챔버(20) 외부로 배출될 수 있다.
상기 건식 세정 방법은 기판(200) 상에 식각 공정 수행 후에 남아 있는 잔여물뿐만 아니라, 기판(200) 상의 폴리실리콘층, 금속막, 산화막 등을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
도 18 내지 도 27은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 평면도들 및 단면도들이다. 구체적으로, 도 18 및 도 21은 평면도들이도, 도 19, 도 20 및 도 22 내지 도 27은 단면도들이다.
이 때, 도 19 및 도 20은 도 18의 A-A' 라인을 따라 절단한 단면도들이고, 도 22는 도 21의 B-B' 라인을 따라 절단한 단면도이며. 도 23 내지 도 27은 도 21의 C-C' 라인을 따라 절단한 단면도들이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 기판(300) 상부를 부분적으로 식각하여 액티브 핀(305)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 액티브 핀(305)은 기판(300)의 상면에 수직한 수직 방향으로 돌출될 수 있으며, 기판(300)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판(300) 상에 제1 마스크(310)를 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용하여 기판(300) 상부를 식각함으로써 액티브 핀(305)을 형성할 수 있다. 액티브 핀(305)은 기판(300) 상면에 평행한 제1 방향으로 연장될 수 있으며, 기판(300) 상면에 평행하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을따라 복수 개로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 방향들은 서로 직교할 수 있다.
상기 제2 방향을 따라 형성된 액티브 핀들(305) 사이에는 제1 리세스(320)가 형성될 수 있다. 즉, 제1 리세스(320)에 의해서 액티브 핀들(305)은 상기 제2 방향으로 서로 이격될 수 있다.
도 20을 참조하면, 제1 리세스(320)의 하부를 채우는 소자 분리 구조물(345)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 액티브 핀(305), 제1 마스크(310) 및 기판(300) 상에 제1 리세스(320)의 전부 혹은 일부를 채우는 블로킹 막을 형성한 후, 상기 블로킹 막의 상부를 제거하여 제1 리세스(320)의 하부를 채우는 블로킹 패턴, 즉, 소자 분리 구조물(345)을 형성할 수 있다.
상기 블로킹 막은 산화물에 대해 높은 식각 선택비를 갖는 물질, 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 질화물, 실리콘 탄화물과 같은 탄화물, 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. 상기 블로킹 막은 적어도 제1 리세스(320)의 하부는 채우도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 액티브 핀(305)은 소자 분리 구조물(345)에 의해 측벽이 둘러싸인 하부 액티브 패턴(305b), 및 상기 수직 방향을 따라 소자 분리 구조물(345) 상면으로 돌출된 상부 액티브 패턴(305a)을 포함할 수 있다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, 액티브 핀(305) 및 소자 분리 구조물(345) 상에 더미 게이트 구조물(390)을 형성할 수 있다.
더미 게이트 구조물(390)은 액티브 핀(305) 및 소자 분리 구조물(345) 상에 더미 게이트 절연막, 더미 게이트 전극막 및 더미 마스크 막을 순차적으로 형성하고, 상기 더미 게이트 마스크 막을 패터닝하여 더미 게이트 마스크(380)를 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용하여 상기 더미 게이트 전극막 및 상기 더미 게이트 절연막을 순차적으로 식각함으로써 형성할 수 있다.
이에 따라, 기판(300) 상에는 순차적으로 적층된 더미 게이트 절연 패턴(360), 더미 게이트 전극(370) 및 더미 게이트 마스크(380)를 포함하는 더미 게이트 구조물(190)이 형성될 수 있다.
상기 더미 게이트 절연막은 예를 들어, 실리콘산화물과 같은 산화물을 포함할 수 있고, 상기 더미 게이트 전극막은 예를 들어, 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 상기 더미 게이트 마스크 막은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 질화물을 포함할 수 있다.
상기 더미 게이트 절연막은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정 등을 통해 형될 수 있다. 이와는 달리, 상기 더미 게이트 절연막은 액티브 핀(305)의 상부 액티브 패턴(305a)에 대한 열산화 공정을 통해 형성될 수도 있으며, 이 경우에 상기 더미 게이트 절연막은 상부 액티브 패턴(305a) 상면에만 형성될 수 있다. 한편, 상기 더미 게이트 전극막 및 상기 더미 게이트 마스크 막 역시 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
더미 게이트 구조물(390)은 상기 제2 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 제1 방향을 따라 복수 개로 형성될 수 있다.
도 24를 참조하면, 액티브 핀(305) 및 소자 분리 구조물(345) 상에 더미 게이트 구조물(390)을 커버하는 스페이서 막을 형성한 후, 이를 이방성 식각함으로써 더미 게이트 구조물(390)의 상기 제1 방향으로의 양 측벽들 상에 각각 게이트 스페이서(400)를 형성할 수 있다. 이때, 상부 액티브 패턴(305a)의 상기 제2 방향으로의 양 측벽들 상에는 각각 핀 스페이서(도시되지 않음)가 형성될 수 있다.
상기 스페이서 막은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 질화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 스페이서 막은 질화물 및/또는 산화물을 각각 포함하는 복수의 층들이 적층된 구조를 가질 수도 있다.
이후, 게이트 스페이서(400)에 인접한 액티브 핀(305)의 상부를 식각하여 제2 리세스(420)를 형성할 수 있다.
도면 상에서는, 제2 리세스(420)의 저면이 하부 액티브 패턴(305b)의 상면보다 높은 것이 도시되어 있으나, 본 발명의 개념은 반드시 이에 한정되지는 않는다. 제2 리세스(420)의 저면의 높이가 제2 리세스(420)가 형성되지 않은 하부 액티브 패턴(305b) 부분의 높이보다 낮을 수도 있다.
도 25를 참조하면, 제2 리세스(420)를 채우는 소스/드레인 층(430)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 소스/드레인 층(430)은 제2 리세스(420)에 의해 노출된 액티브 핀(305)의 상면을 시드로 사용하는 선택적 에피택시얼 성장(Selective Epitaxial Growth: SEG) 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정은 실리콘 소스 가스, 게르마늄 소스 가스, 식각 가스 및 캐리어 가스를 공급하여 수행될 수 있으며, 이에 따라 소스/드레인 층(430)으로서 단결정의 실리콘-게르마늄 층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정은 p형 불순물 소스 가스를 함께 사용할 수 있으며, 이에 따라 소스/드레인 층(430)으로서 p형 불순물이 도핑된 단결정 실리콘-게르마늄 층이 형성될 수 있다.
소스/드레인 층(430)은 상기 제2 방향을따라 절단된 단면이 5각형에 유사한 형상을 가질 수 있다.
이후, 더미 게이트 구조물(390), 게이트 스페이서(400), 상기 핀 스페이서 및 소스/드레인 층(430)을 덮는 층간 절연막(440)을 액티브 핀(305) 및 소자 분리 구조물(145) 상에 충분한 높이로 형성한 후, 더미 게이트 구조물(390)에 포함된 더미 게이트 전극(370)의 상면이 노출될 때까지 층간 절연막(440)을 평탄화한다. 이때, 더미 게이트 마스크(380)도 함께 제거될 수 있다.
도 26을 참조하면, 노출된 더미 게이트 전극(370) 및 그 하부의 더미 게이트 절연 패턴(360)을 제거하여, 게이트 스페이서(400)의 내측벽 및 액티브 핀(305)의 상면을 노출시키는 제1 개구(450)를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 더미 게이트 전극(370) 및 그 하부의 더미 게이트 절연 패턴(360)은 도 14의 건식 세정 방법을 사용하여 제거될 수 있다.
예를 들면, 기판(300)을 도 1 또는 도 7의 건식 세정 장치의 챔버(20) 내로 로딩된 후, 건식 세정 가스를 기판(300) 상에 공급할 수 있다. 이어서, 플라즈마 전력을 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성하고, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스, 즉 건식 세정 가스 플라즈마는 기판(300) 상의 더미 게이트 전극(370) 및 더미 게이트 절연 패턴(260)과 화학 반응하여 화합물을 형성할 수 있다.
이 후, 기판(300) 표면 상에 레이저를 조사하여 기판(300)을 가열함으로써, 세정 공정 부산물인 상기 화합물을 제거할 수 있다.
레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 통해 기판(300) 전면에 레이저 광(L)을 조사할 수 있다. 레이저 조사부(100)의 비구면 렌즈(130)를 통과한 확대된 레이저 광(L)은 광학 윈도우(50)를 통해 기판(300) 전면에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 조사될 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 기판(300) 표면 온도는 상기 건식 세정 가스로부터의 플라즈마에 의해 변환된 상기 세정 공정 부산물들을 승화시킬 수 있는 온도까지 상승될 수 있다. 상기 세정 공정 부산물들은 배기 포트(24)를 통해 챔버(20) 외부로 배출될 수 있다.
도 27을 참조하면, 제1 개구(450)를 채우는 게이트 전극 구조물(500)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 제1 개구(450)에 의해 노출된 액티브 핀(305) 상면에 대한 열산화 공정을 수행하여 인터페이스 패턴(460)을 형성한 후, 인터페이스 패턴(460), 소자 분리 구조물(245), 게이트 스페이서(400) 및층간 절연막(440) 상에 게이트 절연막 및 일함수 조절막을 순차적으로 형성하고, 제1 개구(450)의 나머지 부분을 충분히 채우는 게이트 전극막을 상기 일함수 조절막 상에 형성한다.
이후, 층간 절연막(440)의 상면이 노출될 때까지, 상기 게이트 전극막, 상기 일함수 조절막 및 상기 게이트 절연막을 평탄화하여, 인터페이스 패턴(260) 상면, 소자 분리 구조물(145) 상면, 및 게이트 스페이서(400)의 내측벽 상에 순차적으로 적층된 게이트 절연 패턴(470) 및 일함수 조절 패턴(480)을 형성하고, 일함수조절 패턴(480) 상에 제1 개구(450)의 나머지 부분을 채우는 게이트 전극(490)을 형성할 수 있다.
이 후, 게이트 전극 구조물(500) 및 게이트 스페이서(400)의 상부를 제거하여 캐핑 패턴(도시되지 않음)을 형성한 후, 소스/드레인 층(430) 및/또는 게이트 전극 구조물(500)에 전기적으로 연결되는 콘택 플러그, 비아 및 배선을 형성함으로써 상기 반도체 장치를 완성할 수 있다.도 28 내지 도 34는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 예를 들면, 도 28 내지 도 34는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치 또는 수직 채널을 포함하는 수직형 메모리 장치의 제조 방법을 도시하고 있다.
도 28 내지 도 34에서 기판의 상면으로부터 수직하게 연장하는 방향을 제1 방향으로 정의한다. 또한, 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 두 방향을 제2 방향 및 제3 방향으로 정의한다. 예를 들면, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향은 서로 수직하게 교차할 수 있다.
도 28을 참조하면, 기판(600) 상에 층간 절연막들(602, 예를 들면 602a 내지 602g) 및 희생막들(604, 예를 들면 604a 내지 604f)을 교대로 반복으로 적층하여 몰드 구조물을 형성할 수 있다. 이후, 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 기판(600)의 상면을 노출시키는 채널 홀들(610)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 층간 절연막(602)은 실리콘 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 희생막들(604)은 층간 절연막(602)에 대해 높은 식각 선택비를 가지며, 습식 식각 공정에 의해 용이하게 제거될 수 있는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 희생막들(604)은 실리콘 질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
희생막들(604)은 후속 공정을 통해 제거되어 그라운드 선택 라인(Ground Selection Line: GSL), 워드 라인 및 스트링 선택 라인(String Selection Line: SSL)이 형성되는 공간을 제공할 수 있다. 따라서, 층간 절연막들(602) 및 희생막들(604)이 적층되는 수는 이후 형성되는 상기 GSL, 워드 라인 및 SSL이 적층되는 수에 따라 달라질 수 있다.
예를 들면, 상기 몰드 구조물을 건식 식각 공정을 통해 부분적으로 제거하여 복수의 채널 홀들(610)이 형성될 수 있다. 상기 제3 방향을 따라 복수의 채널 홀들(610)이 형성되어 채널 홀 열이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 방향을 따라, 복수의 상기 채널 홀 열들이 형성될 수 있다.
도 29를 참조하면, 각 채널 홀(610) 내부에 유전막 구조물(622), 채널(6324) 및 충진 패턴(626)을 포함하는 수직 채널 구조체(620)를 형성할 수 있다. 수직 채널 구조체(620) 상에는 캡핑 패드(630)가 형성될 수 있다.
예를 들면, 채널 홀들(610)의 측벽 및 저면들과 최상층의 층간 절연막(602g) 상면을 따라 유전막을 형성할 수 있다. 상기 유전막은 구체적으로 도시하지는 않았으나, 블로킹 막, 전하 저장막 및 터널 절연막을 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 에치-백 공정을 통해 상기 유전막의 상부 및 저부를 부분적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 유전막의 최상층의 층간 절연막(602g) 상기 상면 및 기판(600)의 상기 상면 상에 형성된 부분들이 실질적으로 제거되어 유전막 구조물(622)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전막 구조물(622)은 채널 홀(610)의 측벽 상에 형성되며, 실질적으로 스트로우(straw) 형상 또는 실린더 쉘(shell) 형상을 가질 수 있다.
이어서, 최상층의 층간 절연막(602g) 및 유전막 구조물(622)의 표면들, 및 기판(600)의 상기 상면을 따라 채널막을 형성하고, 상기 채널막 상에 채널 홀들(310) 나머지 부분을 채우는 충진막을 형성할 수 있다.
최상층의 층간 절연막(602g)이 노출될 때까지 상기 충진막 및 상기 채널막을 평탄화하여 유전막 구조물(622)의 내측벽으로부터 순차적으로 적층되어 채널 홀(610) 내부를 채우는 채널(624) 및 충진 패턴(626)을 형성할 수 있다.
수직 채널 구조체(620) 상에는 채널 홀(610)의 상부를 캡핑하는 캡핑 패드(630)를 더 형성할 수 있다. 최상층의 층간 절연막(602g) 상에는 캡핑 패드들(630)을 덮는 제1 상부 절연막(640)을 형성할 수 있다.
도 30을 참조하면, 상기 제1 상부 절연막(640) 및 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 개구부(650)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 이웃하는 일부 상기 채널 열들 사이의 제1 상부 절연막(640) 및 상기 몰드 구조물 부분들을 건식 식각 공정을 통해 식각하여 개구부(650)가 형성될 수 있다.
한편, 개구부들(650)이 형성됨에 따라, 층간 절연막들(602) 및 희생막들(604)은 각각 층간 절연 패턴들(606, 예를 들면, 606a 내지 606g) 및 희생 패턴들(608, 예를 들면, 608a 내지 608f)로 변환될 수 있다. 층간 절연 패턴(606) 및 희생 패턴(608)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(620)을 감싸며 연장하는 플레이트(plate) 형상을 가질 수 있다.
도 31을 참조하면, 개구부(650)에 의해 측벽이 노출된 희생 패턴들(608)을 제거할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 희생 패턴들(608)은 도 14의 건식 세정 방법을 사용하여 제거될 수 있다.
예를 들면, 기판(600)을 도 1 또는 도 7의 건식 세정 장치의 챔버(20) 내로 로딩된 후, 건식 세정 가스를 기판(600) 상에 공급할 수 있다. 이어서, 플라즈마 전력을 인가하여 챔버(20) 내에 플라즈마를 형성하고, 기상 상태 또는 가스 상태의 건식 세정 가스, 즉 건식 세정 가스 플라즈마는 개구부(650)에 의해 측벽이 노출된 희생 패턴들(608)과 화학 반응하여 화합물을 형성할 수 있다.
이 후, 기판(600) 표면 상에 레이저를 조사하여 기판(600)을 가열함으로써, 세정 공정 부산물인 상기 화합물을 제거할 수 있다.
레이저 조사부(100)는 광학 윈도우(50)를 통해 기판(600) 전면에 레이저 광(L)을 조사할 수 있다. 레이저 조사부(100)의 비구면 렌즈(130)를 통과한 확대된 레이저 광(L)은 광학 윈도우(50)를 통해 기판(600) 전면에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 조사될 수 있다.
상기 레이저의 복사 열 전달을 통해 기판(600) 표면 온도는 상기 건식 세정 가스로부터의 플라즈마에 의해 변환된 상기 세정 공정 부산물들을 승화시킬 수 있는 온도까지 상승될 수 있다. 상기 세정 공정 부산물들은 배기 포트(24)를 통해 챔버(20) 외부로 배출될 수 있다.
희생막 패턴들(608)이 제거됨에 따라, 각 층의 층간 절연 패턴들(606) 사이에서 갭(gap)(660)이 형성되며, 갭(660)에 의해 유전막 구조물(622)의 외측벽이 노출될 수 있다.
도 32을 참조하면, 노출된 유전막 구조물(622)의 상기 외측벽 및 갭(660)의 내벽, 층간 절연 패턴들(606)의 표면, 제1 상부 절연막(640)의 표면, 및 노출된 기판(600)의 상기 상면을 따라 배리어 도전막(663)을 형성할 수 있다. 배리어 도전막(663) 상에는 금속 게이트막(665)을 형성할 수 있다. 금속 게이트막(665)은 각 층의 갭들(660)을 완전히 채우며, 개구부(650) 역시 적어도 부분적으로 채우도록 형성될 수 있다.
도 33을 참조하면, 배리어 도전막(663) 및 금속 게이트막(665)을 부분적으로 식각하여 각 층의 갭(660) 내부에 배리어 도전 패턴(667) 및 금속 게이트(670, 예를 들면 670a 내지 670f)를 형성할 수 있다. 금속 게이트(670)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(620)의 측벽을 감싸며 연장하는 라인 형상 또는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
도 34를 참조하면, 개구부(650)에 의해 노출된 기판(600) 상부에 불순물 영역(605)을 형성하고, 개구부(605)를 채우는 스페이서(680) 및 커팅 패턴(685)을 형성할 수 있다.
이어서, 제1 상부 절연막(640) 상에 커팅 패턴(685) 및 스페이서(680)를 덮는 제2 상부 절연막(690)을 형성할 수 있다.
이후, 제1 및 제2 상부 절연막들(690, 640)을 관통하여 캡핑 패드(630)와 접촉하는 비트 라인 콘택(695)을 형성할 수 있다. 이어서, 비트 라인 콘택(695)과 전기적으로 연결되는 비트 라인(697)을 제2 상부 절연막(690) 상에 형성할 수 있다.
전술한 건식 세정 장치 및 건식 세정 방법을 이용하여 형성된 반도체 소자는 컴퓨팅 시스템과 같은 다양한 형태의 시스템들에 사용될 수 있다. 상기 반도체 소자는 fin FET, DRAM, VNAND 등을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 개인휴대단말기, 태블릿, 휴대폰, 디지털 음악 재생기 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 11: 건식 세정 장치 20: 챔버
22: 커버 24: 배기 포트
30: 기판 지지부 32: 지지 플레이트
34: 하부 전극 36: 포커스 링
40: 매니폴드 41: 분사 홀
42: 샤워 헤드 플레이트 44: 가스 확산실
45: 개구부 46: 상부 전극
50: 광학 윈도우 60: 파워 공급부
70: 가스 공급관 72: 유량 제어기
74: 가스 공급원 100: 레이저 조사부
110: 레이저 광원 120: 콜리메이터
130: 비구면 렌즈 140: 광학 마스크
141: 제1 영역 142: 제2 영역
200, 300, 600: 반도체 기판 210: 박막
220: 식각 대상막 222: 개구
230: 포토레지스트 패턴 240: 잔여물
242: 화합물 305: 액티브 핀
310: 제1 마스크 320: 제1 리세스
345: 소자 분리 구조물 360: 더미 게이트 절연 패턴
370: 더미 게이트 전극 380: 더미 게이트 마스크
390: 더미 게이트 구조물 400: 게이트 스페이서
430: 소스/드레인 층 440: 층간 절연막
450: 제1 개구 460: 인터페이스 패턴
470: 게이트 절연 패턴 480: 일함수 조절 패턴
490: 게이트 전극 500: 게이트 전극 구조물
604: 희생막 605: 불순물 영역
606: 층간 절연 패턴 608: 희생 패턴
610: 채널 홀 620: 수직 채널 구조체
622: 유전막 구조물 624: 채널
626: 충진 패턴 630: 캡핑 패드
640: 제1 상부 절연막 660: 갭
680: 스페이서 685: 커팅 패턴
690: 제2 상부 절연막 695: 비트 라인 콘택

Claims (20)

  1. 건식 세정 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 챔버
    상기 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 지지부
    상기 챔버 상부에 배치되어 상기 기판을 향하여 건식 세정 가스를 공급하고, 상기 기판 지지부를 향하여 레이저를 투과시키는 광학 윈도우를 갖는 샤워 헤드
    상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성하기 위한 플라즈마 발생부 및
    상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판에 레이저를 조사하여 가열시키기 위한 레이저 조사부를 포함하는 건식 세정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 광학 윈도우는 상기 샤워 헤드의 중심 영역을 관통하는 개구부 내에 설치되는 건식 세정 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 샤워 헤드는 환형 형상의 샤워 헤드 플레이트를 포함하는 건식 세정 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 개구부는 상기 샤워 헤드 플레이트의 중심 영역을 관통하는 건식 세정 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 샤워 헤드의 하부면은 상기 기판 표면에 대하여 기 설정된 각도만큼 기울어지도록 배치되는 건식 세정 장치.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 샤워 헤드의 하부면은 상기 기판 표면에 대하여 평행하고 연장하고, 상기 샤워 헤드의 분사 홀들은 상기 기판 표면에 대하여 기 설정된 각도만큼 기울어지도록 연장하는 건식 세정 장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 샤워 헤드에 배치된 상부 전극 및 상기 기판 지지부에 배치된 하부 전극을 포함하는 건식 세정 장치.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 레이저 조사부는 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 및 상기 레이저 광원으로터 출력된 상기 레이저 광을 상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판 전면에 걸쳐 투영시키기 위한 광학계를 포함하는 건식 세정 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 광학계는 상기 레이저 광원으로부터 출력된 상기 레이저 광을 방사상으로 확대하는 비구면 렌즈를 포함하는 건식 세정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 광학계는 상기 비구면 렌즈를 통과한 레이저 광을 선택적으로 투과시키는 광학 마스크를 더 포함하는 건식 세정 장치.
  11. 기판 상에 건식 세정 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하며 상부벽에 광학 윈도우를 갖는 챔버
    상기 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 지지부
    상기 챔버 상부에 배치되어 상기 기판을 향하여 건식 세정 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드
    상기 건식 세정 가스를 플라즈마로 형성하기 위한 플라즈마 발생부 및
    상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판 전면에 레이저를 조사하여 가열시키기 위한 레이저 조사부를 포함하는 건식 세정 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 광학 윈도우는 상기 샤워 헤드의 중심 영역을 관통하는 건식 세정 장치.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 샤워 헤드는 환형 형상의 샤워 헤드 플레이트를 포함하는 건식 세정 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 샤워 헤드의 하부면은 상기 기판 표면에 대하여 기 설정된 각도만큼 기울어지도록 배치되는 건식 세정 장치.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 샤워 헤드의 하부면은 상기 기판 표면에 대하여 평행하고 연장하고, 상기 샤워 헤드의 분사 홀들은 상기 기판 표면에 대하여 기 설정된 각도만큼 기울어지도록 연장하는 건식 세정 장치.
  16. 제11 항에 있어서, 상기 레이저 조사부는 상기 광학 윈도우를 사이에 두고 상기 챔버 외부에 배치되는 건식 세정 장치.
  17. 제11 항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 샤워 헤드에 배치된 상부 전극 및 상기 기판 지지부에 배치된 하부 전극을 포함하는 건식 세정 장치.
  18. 제11 항에 있어서, 상기 레이저 조사부는 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 및 상기 레이저 광원으로터 출력된 상기 레이저 광을 상기 광학 윈도우를 통해 상기 기판 전면에 투영시키기 위한 광학계를 포함하는 건식 세정 장치.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 광학계는 상기 레이저 광원으로부터 출력된 상기 레이저 광을 방사상으로 확대하는 비구면 렌즈를 포함하는 건식 세정 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 광학계는 상기 비구면 렌즈를 통과한 레이저 광을 선택적으로 투과시키는 광학 마스크를 더 포함하는 건식 세정 장치.

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