KR20220144570A - 금속산화물 반도체 물질의 증착 챔버의 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 세정 방법은, 금속 산화물 반도체 물질을 증착하는 증착 챔버를 세정하기 위한 방법으로서,
제1 염소계 가스 및 상기 제1 염소계 가스와 다른 제2 염소계 가스를 포함하는 복수의 염소계 가스와, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를 상기 증착 챔버내로 공급하는 단계와,
상기 증착 챔버내로 공급된 상기 복수의 염소계 가스 및 상기 불활성 가스를 플라즈마에 의해 활성화 내지 이온화하는 단계와,
상기 제1 염소계 가스 및 상기 제2 염소계 가스로부터 생성된 제1 염소계 라디칼 및 제2 염소계 라디칼과, 상기 불활성 가스의 이온에 의해, 상기 증착 챔버내에 퇴적된 잔류 금속 산화물 반도체 물질을 제거하는 단계와,
상기 증착 챔버를 퍼징하는 단계를
포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 염소계 가스 및 상기 제1 염소계 가스와 다른 제2 염소계 가스를 포함하는 복수의 염소계 가스와, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를 상기 증착 챔버내로 공급하는 단계와,
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상기 증착 챔버를 퍼징하는 단계를
포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 증착 챔버의 세정 방법에 관한 것으로, 특히, IGZO와 같은 금속 산화물 반도체 물질의 증착 챔버의 인시츄 건식 세정 방법에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(TFT, Thin-Film Transistor)는 다양한 집적회로(IC)에서 스위칭 및 구동(driving) 디바이스로서 사용된다. 예컨대, 박막 트랜지스터는 디스플레이 패널에서 픽셀들을 제어하기 위해 사용된다.
박막 트랜지스터의 채널층에 사용된 주요 재료는 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘이다. 그러나, 비정질 실리콘을 사용하는 종래의 박막 트랜지스터는 캐리어의 이동도가 충분히 높지 않으며, 다결정 실리콘을 사용하는 박막 트랜지스터는 패널상의 수많은 박막 트랜지스터간의 특성 편차라는 측면에서 개선이 요구된다. 더욱이, 실리콘은 가시광선에 대해 투명하지 않기 때문에, 개구율이 충분하지 않으며, 투명한 디스플레이 패널을 구현할 수 없다는 근본적인 문제점을 포함한다.
투명하면서도 캐리어 이동도를 향상시킬 수 있는 박막 트랜지스터의 채널층 재료로서 각광을 받고 있는 재료들 중 하나는 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 등과 같은 금속 산화물 반도체이다. 특히, IGZO는 가시광선에 대해 투명하며, 비정질 실리콘에 비해 20~50배의 캐리어 이동도를 가지기 때문에, 디스플레이 패널의 박막 트랜지스터의 채널층 재료로서 유망하다.
디스플레이 패널의 박막 트랜지스터의 제조 과정은 증착 장치의 챔버 내에서 기판 상에 소정의 물질을 퇴적하여 박막을 형성하는 공정을 수반한다. 박막 형성 공정을 수행하는 동안, 챔버의 내벽과 챔버의 내부에 노출되는 부품들의 표면에도 원하지 않게 부산물이 퇴적되어 오염원으로 작용할 수 있다.
즉, 챔버 내부에 퇴적되어 남아 있는 잔류막은 그 두께가 증가하면 박리되어 파티클 (particle) 발생의 원인이 된다. 이와 같이 발생된 파티클은 후속 공정에서 기판 상에 형성되는 박막 내에 들어가거나, 박막 표면에 부착되어 박막 트랜지스터 소자의 결함 원인으로 작용할 수 있으며, 제품의 불량률을 높일 수 있다. 또한, 증착 공정의 균일성 저하 및 기판 처리 가스 유입구의 막힘을 유발하여서 수율 및 생산성 저하로 이어질 수 있다.
따라서, 이러한 잔류막이 박리되어 파티클이 발생하기 이전에 챔버 내부에 퇴적된 잔류막을 제거하는 세정을 행할 필요가 있다. 특히, IGZO 박막의 증착을 수행하는 증착 장치는 증착 과정에서 다량의 파티클을 발생시키기 때문에 매우 빈번한 세정이 요구된다.
챔버 내벽 또는 챔버내의 다른 부품들상의 원치 않는 금속 산화물 반도체막을 제거하기 위한 종래의 방법은, 소정의 증착 사이클마다 주기적으로 챔버를 개방 또는 분해하여 세정액으로 잔류막들을 습식 세정하는 것이다. 그러나, 이러한 증착 장치는 통상적으로 진공상태의 챔버내에서 증착을 진행하므로, 세정을 위해서 진공상태의 챔버를 대기 개방하고, 세정 공정의 완료 후 다시 챔버내를 진공 배기하여야 하는 바, 이는 상당한 시간을 요하며, 증착 장치의 가동 시간 및 생산성을 저하시킨다.
이러한 종래의 습식 세정의 문제점을 해결하기 위한 다른 세정 방법으로서, IGZO 박막과 반응하는 라디칼을 함유하는 플라즈마에 의해 건식 세정을 행하는 방법을 고려할 수 있다.
종래 다른 성분의 박막(예컨대, 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물 등)의 건식 세정에서는 NF3와 같은 세정 가스 이외에 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 함께 사용하고 있으나, 불활성 가스로서 아르곤(Ar)과 같이 원소질량이 작은 가스를 사용할 경우, 세정 레이트를 충분히 높게 할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 종래의 세정 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, IGZO 등과 같은 금속 산화물 반도체 박막을 형성하기 위한 증착 장치의 챔버를 인시츄(in-situ)로 건식 세정할 때, 세정 레이트를 더욱 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 세정 방법은, 금속 산화물 반도체 물질을 증착하는 증착 챔버를 세정하기 위한 방법으로서,
제1 염소계 가스 및 상기 제1 염소계 가스와 다른 제2 염소계 가스를 포함하는 복수의 염소계 가스와, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를 상기 증착 챔버내로 공급하는 단계와,
상기 증착 챔버내로 공급된 상기 복수의 염소계 가스 및 상기 불활성 가스를 플라즈마에 의해 활성화 내지 이온화하는 단계와,
상기 제1 염소계 가스 및 상기 제2 염소계 가스로부터 생성된 제1 염소계 라디칼 및 제2 염소계 라디칼과, 상기 불활성 가스의 이온에 의해, 상기 증착 챔버내에 퇴적된 잔류 금속 산화물 반도체 물질을 제거하는 단계와,
상기 증착 챔버를 퍼징하는 단계를
포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세정 방법에 따르면, IGZO 등의 금속 산화물 반도체 박막의 증착 챔버를 인시츄로 건식 세정할 때, 세정 레이트를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법에 있어서, DC 바이어스 전압에 따른 세정 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법에 있어서, 프로세스 압력에 따른 세정 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법에 있어서, DC 바이어스 전압에 따른 세정 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 방법에 있어서, 프로세스 압력에 따른 세정 레이트를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 다양한 실시형태 또는 실시예를 설명하기 위해 도면을 참조하여 구체적인 사항들이 설명된다. 다만, 플라즈마 세정에 관한 주지의 구조들 및 시스템들에 관한 세부사항들은, 본 발명의 실시예의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 생략된다.
도면에 도시된 많은 세부사항들, 치수들, 각도들 및 다른 특징들은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 세부사항들, 구성요소들, 치수들, 각도들 및 특징들을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 구현예는 이하에서 설명되는 여러 세부사항들 없이 실시될 수도 있다.
본 발명은, 기판 처리 장치의 챔버로부터 금속 산화물 반도체 물질, 이를테면, IGZO, ZnO, In2O3 등을 인-시츄로 건식 세정하는 방법에 관한 것이다. 여기서, 기판 처리 장치는 CVD, PE-CVD(plasma enhanced-CVD), 펄스식-CVD, ALD, PE-ALD, MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 또는 이들의 조합에 의해 IGZO를 포함하는 금속 산화물 반도체 물질을 증착하는데 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 기판 처리 장치는, LCD(liquid crystal display)나 OLED(organic light emitting diode) 패널을 제작하기 위해 기판상에 구조들 및 디바이스들을 형성하는데 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
특히, 본 발명은 복수의 염소계 가스와 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나의 불활성 가스를 플라즈마에 의해 활성화하여, 기판 처리 장치의 챔버로부터 잔류 금속 산화물 반도체막을 제거하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 플라즈마에 의해 복수의 염소계 가스로부터 생성된 반응종 또는 라디칼이 금속 산화물 반도체막과 화학적으로 반응하여 금속 염화물의 부산물을 발생시키고, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe)과 같이 상대적으로 원소 질량이 큰 불활성 가스가 이온 충격(Ion Bombardment)에 의해 금속 염화물 부산물을 기판 처리 장착의 챔버 내벽 등으로부터 탈착시킴으로써, 기판 처리 장치의 챔버 내벽 등으로부터 금속 산화물 반도체막을 높은 레이트로 제거할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 모식적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는, 2개의 서로 다른 염소계 가스와 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를, 기판 처리(예컨대, 증착 처리)가 완료된 기판 처리 장치의 챔버(즉, 기판 처리 공간)내로 도입하여, 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화 및/또는 이온화하고, 이에 의해 챔버내에 퇴적된 IGZO 등의 금속 산화물 반도체 물질을 인시츄로 건식 제거한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 기판 처리 공간을 정의하는 챔버(10)와, 제1 염소계 가스를 공급하는 제1 염소계 가스원(20)과, 제1 염소계 가스와 다른 제2 염소계 가스를 공급하는 제2 염소계 가스원(25)과, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나의 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스원(27)과, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스를 챔버내의 기판 처리 공간으로 공급하기 위한 샤워 헤드(30)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 샤워 헤드(30)에 접속되어, 샤워 헤드(30)에 전원을 인가하기 위한 제1 전원 공급부(40)와, 제1 염소계 가스원(20), 제2 염소계 가스원(25) 및 불활성 가스원(27)으로부터 샤워헤드(30)로의 복수의 염소계 가스 및 불활성 가스의 공급 유량을 제어하고, 제1 전원 공급부(40)에 의한 샤워헤드(30)의 전원 공급을 제어하는 제어부(50)와, 처리 대상으로서의 기판(S)을 지지하는 기판 지지부(60)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 기판의 처리시에(예를 들어 IGZO를 포함하는 금속 산화물 반도체 물질의 박막 증착 시에) 챔버(10) 내에 퇴적되는 금속 산화물 반도체 물질의 잔류막을 건식 세정하여 제거한다. 즉, 기판 처리 장치에 의한 기판 처리 공정은 기판 상에 인듐과 갈륨이 도핑된 아연 산화물(IGZO)을 증착하는 공정일 수 있으며, 이 경우 챔버(10) 내에 퇴적되는 잔류막은 인듐과 갈륨이 도핑된 아연 산화물(IGZO)을 포함할 수 있다.
제1 염소계 가스원(20), 제2 염소계 가스원(25) 및 불활성 가스원(27)은 각각 챔버(10)의 외부에 설치될 수 있으며, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스를 별도의 공급로를 통해 샤워 헤드(30)에 공급한다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스가 샤워 헤드(30)에 공급되기 전에 하나의 공급로에서 혼합되어 공급되거나, 불활성 가스와 제1 염소계 가스의 혼합가스 및 불활성 가스와 염소계 가스의 혼합가스의 형태로 샤워헤드(30)에 각각 공급되어도 된다. 여기서, 불활성 가스는 염소계 가스에 대한 캐리어 가스의 역할을 할 수 있으며, 염소계 가스 등이 역류하는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
제1 염소계 가스원(20)에 의해 공급되는 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스원(25)에 의해 공급되는 제2 염소계 가스는, 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화되어 챔버(10) 내의 금속 산화물 반도체막(IGZO)의 잔류물과 화학적으로 반응하는 라디칼 등을 생성할 수 있는 염소계 가스이다. 예컨대, 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스는, 각각 Cl2, BCl3, ClF3, ClF4, HCl, CCl4, CoCl2, TiCl4 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 염소계 가스원(20)과 제2 염소계 가스원(25)은 서로 다른 염소계 가스를 공급하며, 보다 바람직하게는, 제1 염소계 가스원(20)은 BCl3을 포함하는 염소계 가스를 공급하고, 제2 염소계 가스원(25)은 Cl2를 포함하는 염소계 가스를 공급한다.
불활성 가스원(27)에 의해 공급되는 불활성 가스는 원소질량이 상대적으로 커서 불활성 가스에 의한 이온 충격을 극대화할 수 있는 가스인 것이 바람직하다. 예컨대, 불활성 가스원(27)에 의해 공급되는 불활성 가스는, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함한다. 보다 바람직하게는, 불활성 가스원(27)에 의해 공급되는 불활성 가스는 크립톤(Kr)이다.
도 1에는, 챔버(10)내로 공급되는 가스의 가스원으로서 제1 염소계 가스원(20), 제2 염소계 가스원(25) 및 불활성 가스원(27)을 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 가스원을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, H2, H2O 등을 공급하기 위한 수소(H) 함유 가스원 등을 더 가질 수 있으며, 기판 처리 장치가 IGZO를 화학기상증착법(CVD)이나 원자층 증착법(ALD)에 의해 증착하는 장치 등인 경우, IGZO막을 기판상에 증착하기 위한 별도의 가스원을 포함할 수 있다.
샤워 헤드(30)는, 챔버(10) 내부에 착탈 가능하게 설치되며, 챔버(10)의 기판 처리 공간에, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스를 공급하기 위한 공급로를 각각 포함한다.
제1 전원 공급부(40)는, 샤워 헤드(30)에 접속되어, 샤워 헤드(30)에 전원을 인가한다. 제1 전원 공급부(40)가 인가하는 전력은, DC 전력, 펄스식 DC 전력, RF(Radio Frequency) 바이어스 전력, 펄스식 RF 소스 또는 바이어스 전력, 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 실시예에서, 제1 전원 공급부(20)는 0.3MHz 내지 약 14MHz의 주파수 범위의 RF 바이어스 전력을 공급하며, 예컨대, 13.56MHz의 주파수의 RF 바이어스 전력을 제공하도록 동작된다.
또한, 제1 전원 공급부(40)는 샤워 헤드(30)에 인가되는 전원의 부하 임피던스와 소스 임피던스를 정합시키기 위한 임피던스 매칭 회로를 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 가변 커패시터 및 가변 인덕터 중 적어도 하나로 구성되는 적어도 2개의 임피던스 소자를 포함하여 이루어질 수 있다.
기판 지지부(60)는, 기판 처리 공정에 따라 승강 및/또는 회전하도록 설치될 수 있다. 이와 같은 기판 지지부(60)의 승강 및/또는 회전은 챔버(10)의 바닥면을 관통하는 지지축 및 지지축에 연결되는 구동부(미도시)에 의하여 이루어진다. 도 1에는 도시하지 않았으나, 챔버(10)내의 진공 상태를 유지하면서도 지지축을 구동부에 연결하기 위해, 벨로우즈와 같은 신축가능부재가 사용될 수 있다.
기판 지지부(20)는 접지되거나, 별도의 제2 전원 공급부(45)에 의하여 샤워 헤드(30)와 상이한 전원이 인가될 수도 있다. 제2 전원 공급부(45)는 DC 전원, 펄스식 DC 전원, RF 바이어스 전원, 펄스식 RF 소스 또는 바이어스 전원, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 플라즈마로부터 기판(S)으로의 부가적인 전위를 설정하는데 사용될 수 있다. 이에 의해, 제2 전원 공급부(45)는 바이어스를 증가시켜 더 많은 이온 충격을 제공함으로써 세정 효과를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
제어부(50)는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스를 활성화 및/또는 이온화시키기 위한 전원(소정의 크기의 전력 및 소정 범위의 주파수)을 공급하기 위해, 샤워 헤드(30), 제1 전원 공급부(40) 및/또는 제2 전원 공급부(45)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 제1 염소계 가스원(20), 제2 염소계 가스원(25) 및 불활성 가스원(27)으로부터 공급되는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스의 공급 유량 등을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(50)는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스의 종류에 따라 세정 성능을 극대화시킬 수 있도록, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
예컨대, 제어부(50)는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스의 종류에 따라 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스의 공급량을 제어함으로써, 챔버(10) 내에 금속 산화물 반도체막과 반응할 수 있는 전체 라디칼의 농도가 극대화(즉, 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체막간의 화학반응이 극대화)되도록 할 수 있으며, 불활성 가스의 이온 충격에 의한 세정에의 기여도가 극대화되도록 할 수 있다.
이하에서, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법을 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법의 설명에 있어서 전술한 기판 처리 장치에 관한 설명과 중복되는 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법은, 복수의 염소계 가스와 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를 챔버(10) 내로 공급하는 가스 공급 단계(S01)와, 챔버(10)내로 공급된 복수의 염소계 가스와 불활성 가스를 플라즈마에 의해 활성화 내지 이온화시키는 단계(S02)와, 복수의 염소계 가스로부터 생성된 복수의 염소계 반응종 또는 라디칼과 불활성 가스의 이온 등에 의해 챔버(10) 내에 퇴적된 금속 산화물 반도체 물질을 건식 세정하는 세정 단계(S03)와, 챔버(10)를 퍼징하는 퍼징 단계(S04)를 포함한다.
가스 공급 단계(S01)에서 공급되는 복수의 염소계 가스는 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스를 포함한다. 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스는 서로 다른 염소계 가스로서, 전술한 바와 같이, 각각 독립적으로 Cl2, BCl3, ClF3, ClF4, HCl, CCl4, CoCl2, TiCl4 등으로부터 선택된 염소계 가스일 수 있다. 예컨대, 제1 염소계 가스는 BCl3이고, 제2 염소계 가스는 Cl2일 수 있다.
가스 공급 단계(S01)에서는 복수의 염소계 가스 이외에 불활성 가스가 함께 공급되는데, 가스 공급 단계(S01)에서 공급되는 불활성 가스는 원소질량이 상대적으로 큰 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함한다.
가스 공급 단계(S01)에서는, 후술하는 활성화/이온화 단계(S02)에서 생성되는 반응성 염소계 라디칼(즉, IGZO 반도체막과 반응성을 가지는 라디칼)에 의한 화학적 식각과, 활성화/이온화 단계(S02)에서 생성되는 불활성 가스의 이온의 이온 충격에 의한 물리적 식각의 밸런스를 고려하여, 복수의 염소계 가스간의 상대적인 유량비 및/또는 복수의 염소계 가스와 불활성 가스간의 상대적인 유량비가 조절된다.
즉, 제어부(50)는, 우선, 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스의 종류에 기초하여, IGZO와 같은 금속 산화물 반도체 물질의 잔류막과의 화학반응을 일으키는 반응성 염소계 라디칼의 농도가 극대화되도록, 제1 염소계 가스와 제2 염소계 가스의 상대적 유량비를 조절한다. 예컨대, 본 실시예와 같이, 제1 염소계 가스로서의 BCl3와 제2 염소계 가스로서의 Cl2를 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화하는 경우에는, BCl 라디칼과 Cl 라디칼의 농도의 곱이 극대화되도록, 제1 염소계 가스로서의 BCl3와 제2 염소계 가스로서의 Cl2를 1:1의 유량비로 공급한다.
본실시예에서는, 제1 염소계 가스로서 BCl3를, 제2 염소계 가스로서 Cl2를 사용하는 경우를 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스로서 다른 가스를 사용할 수 있으며, 어떤 염소계 가스의 조합을 사용하는가에 따라, IGZO 잔류막과 반응하여 금속 염화물을 생성할 수 있는 라디칼의 농도곱을 극대화하는 유량비가 달라질 수 있다.
또한, 제어부(50)는, 가스 공급 단계(S01)에서, 반응성 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체막의 화학적 반응에 의해 생기는 금속 염화물에 대한 불활성 가스의 이온에 의한 이온 충격을 극대화할 수 있도록, 복수의 염소계 가스와 불활성 가스의 상대적 유량비 등을 제어한다.
복수의 염소계 가스의 유량을 불활성 가스의 유량에 비해 상대적으로 훨씬 크게 하면, 반응성 염소계 라디칼의 농도를 높일 수 있어, 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체막간의 화학 반응을 높일 수 있으나(즉, 반응성 염소계 라디칼에 의한 화학적 식각의 기여도를 높일 수 있으나), 상대적으로 불활성 가스의 이온의 이온 충격에 의한 물리적 식각의 기여도가 지나치게 낮아져서, 전체적으로 세정 성능이 감소할 수 있다. 이에 비해, 불활성 가스의 유량을 상대적으로 복수의 염소계 가스의 유량보다 훨씬 크게 할 경우, 불활성 가스의 이온에 의한 이온 충격을 증가시킬 수 있으나, 염소계 가스와 금속 산화물 반도체막간의 반응이 적게 일어나기 때문에, 전체적인 식각 내지 세정 성능이 감소한다.
따라서, 반응성 염소계 라디칼의 농도를 높이면서도, 불활성 가스의 이온에 의한 이온 충격을 함께 높일 수 있도록 복수의 염소계 가스 및 불활성 가스의 유량비를 조절하는 것이 바람직하다. 예컨대, 본 실시예와 같이, 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스로서 각각 BCl3, Cl2, 크립톤(Kr)을 사용하는 경우, 이들간의 유량비를 1:1:2.5로 하여 공급한다.
활성화/이온화 단계(S02)에서는, 제1 전원 공급부(40) 및/또는 제2 전원 공급부(45)를 통해, RF 바이어스 전원을 인가하여, 기판 처리 공간에 다이렉트 플라즈마를 생성한다. 구체적으로, 본 실시예에서는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스로서 각각 BCl3, Cl2, 크립톤(Kr)을 챔버(10)내에 공급하고, 10mTorr의 압력, 700W의 RF전력 및 -50V의 DC 바이어스의 조건하에서 다이렉트 플라즈마를 발생시켰다.
다이렉트 플라즈마의 생성에 의해, 제1 염소계 가스로서의 BCl3로부터 BCl, Cl 등의 반응성 라디칼(제1 염소계 라디칼)이 생성되며, 제2 염소계 가스로서의 Cl2로부터 Cl 라디칼 등의 반응성 라디칼(제2 염소계 라디칼)이 각각 생성된다. 또한, 크립톤(Kr)과 같은 불활성 가스는 다이렉트 플라즈마에 의해 이온화된다. 불활성 가스는 염소계 반응성 라디칼의 수명을 연장시키고 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 실시예에서는 복수의 염소계 가스와 불활성 가스의 활성화/이온화를 위해 다이렉트 플라즈마를 사용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예컨대, 기판 처리 공간으로부터 분리된 원격 플라즈마 및 기판 처리 공간내의 다이렉트 플라즈마의 조합(소위, 하이브리드 플라즈마)에 의해 활성화/이온화를 행하여도 된다.
세정 단계(S03)에서는, 활성화/이온화 단계(S02)에서 생성된 염소계 반응성 라디칼과 IGZO 반도체막간의 화학 반응에 의한 화학적 식각과, 활성화/이온화 단계(S02)에서 생성된 불활성 가스의 이온의 이온 충격에 의한 물리적 식각의 두 가지 메커니즘의 시너지 효과에 의해 기판 처리 장치의 챔버(10)내벽 등에 부착된 금속 산화물 반도체 잔류막이 세정된다.
우선, 활성화/이온화 단계(S02)에서 생성된 BCl 라디칼이나 Cl 라디칼과 같은 반응성 염소계 라디칼은 금속 산화물 반도체과 화학 반응을 일으켜, InCl3, ZnCl2, Ga2Cl6 등과 같은 금속 염화물을 생성함으로써, 이들이 불활성 가스의 이온에 의한 이온 충격에 의해 쉽게 탈착될 수 있도록 한다. 또한, 이들 금속 염화물은 IGZO 박막에 비해 상대적으로 휘발성을 가지므로, 생성된 금속 염화물 중 일부는 휘발되어 챔버(10) 내벽 등으로부터 제거될 수 있다.
불활성 가스의 이온은 DC 바이어스 전압에 의해 가속되어, In-Ga-Zn-O의 결합을 물리적 이온 충격에 의해 깨트림으로써, BCl 라디칼이나 Cl 라디칼과 같은 반응성 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체막간의 화학 반응을 촉진하고(즉, 해당 화학반응의 액티베이션 에너지를 낮추고), 나아가, 반응성 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체막간의 화학 반응의 부산물인 금속 염화물(InCl3, ZnCl2, Ga2Cl6 등)을 이온 충격에 의해 챔버 내벽 등으로부터 물리적으로 탈착시키는 기능을 한다.
특히, 본 발명에 따르면, 복수의 염소계 가스와 함께 공급되는 불활성 가스가 크립톤이나 제논과 같이 원소질량이 상대적으로 큰 불활성 가스를 포함하기 때문에, 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체 잔류막의 화학 반응에 의해 생성된 금속 염화물(예컨대, InCl3, ZnCl2, Ga2Cl6 등)에 보다 효과적으로 모멘텀을 전달할 수 있으며, 결과적으로, 금속 염화물의 탈착 내지 세정 속도를 향상시킬 수 있다.
표 1은, 동일한 공정 조건하에서 불활성 가스로서 크립톤(Kr)을 사용한 경우와, 이보다 원소질량이 작은 아르곤(Ar)을 사용한 경우의 세정 성능을 비교한 것이다.
표 1의 실험데이터로부터 알 수 있듯이, 아르곤(Ar)보다 원소질량이 커서, 탈착 대상으로서의 금속 염화물의 분자량에 더 가까운 크립톤(Kr)을 불활성 가스로서 사용함으로써, 세정 성능이 10% 정도 향상된다. 마찬가지로, 금속 염화물의 분자량에 더 가까운 제논(Xe)을 불활성 가스로서 사용한 경우에도 아르곤(Ar)을 사용한 경우에 비해, 세정 레이트가 향상될 수 있다.
도 3은, DC 바이어스 전압에 따른 세정 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 3의 실험예에서는 제1 염소계 가스, 제2 염소계 가스 및 불활성 가스로서 BCl3, Cl2, 및 크립톤(Kr)을 사용하였으며, 이들의 유량을 각각 20sccm, 20sccm 및 50sccm으로 하였다. RF 파워를 700W, 압력을 10mTorr로 한 상태에서, DC 바이어스 값을 0V로부터 100V까지 증가시키면서, IGZO 반도체 막에 대한 식각 레이트를 측정하였다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전반적으로 DC 바이어스 전압이 증가함에 따라 에칭 레이트가 증가하였다. 이는 DC 바이어스가 증가함에 따라 더 많은 불활성 가스의 이온이 IGZO 반도체막의 표면에 도달하여 이들 불활성 가스의 이온의 이온 충격이 증가하였기 때문으로 추측된다.
다만, 도 3에 도시한 바와 같이, DC 바이어스가 -75V가 될 때까지는 DC 바이어스 값이 증가함에 따라 에칭 레이트가 증가하였으나, -75V이후로는 DC 바이어스 값이 증가하더라도 에칭 레이트의 증가는 미미하였으며, -75V 이상에서는 에칭 레이트가 포화의 경향을 보였다. 따라서, 크립톤을 불활성 가스로 사용하는 경우, 에칭 레이트의 극대화 및 전력 소비의 저감을 위해, DC 바이어스를 -75V~-100V의 범위로 조절하는 것이 바람직하며, -75V~-85V로 하는 것이 보다 바람직하다.
도 4는, 세정 공정의 압력에 대한 IGZO 반도체 박막의 세정 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전반적으로 세정 공정의 압력이 높아짐에 따라 세정 레이트가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 챔버내의 압력이 높아짐에 따라 챔버내의 압력이 높은 경우에 비해, 불활성 가스의 이온의 평균 자유 경로(mean free path)가 짧아지고, 불활성 가스의 이온이 IGZO 반도체 박막의 표면에 다다를 때까지 다른 이온 또는 라디칼과 충돌할 확률이 높아지기 때문으로 추측된다.
따라서, 불활성 가스 이온의 이온 충격에 의한 물리적 식각 기능을 극대화하기 위해서, 세정 공정의 압력을 가능한 낮추는 것이 바람직하며, 예컨대, 10mTorr이하인 것이 바람직하다. 다만, 챔버내의 압력을 저진공으로 하기 위한 에너지 소비, 장치 메인티넌스 용이성 등을 고려하여, 5mTorr ~ 10mTorr의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다.
챔버를 퍼징하는 단계(S04)는, 챔버를 세정하는 단계(S03)에서 염소계 라디칼과 금속 산화물 반도체 물질의 반응에 의해 생성된 금속 염화물로부터 휘발된 것, 및/또는 불활성 가스의 이온의 이온 충격에 의해 탈착된 금속 염화물을 퍼징 가스에 의해 챔버(10) 외부로 배출한다. 퍼징가스로서는 질소나 불활성 가스를 사용할 수 있다. 퍼징 단계(S04)에서 사용되는 불활성 가스는 가스 공급단계(S01)에서 공급되는 불활성 가스와 다를 수 있으며, 예컨대, 아르곤(Ar)을 사용할 수 있다. 이 경우, 기판 처리 장치는, 크립톤(Kr)이나 제논(Xe)을 공급하기 위한 불활성 가스원(27) 이외의 다른 불활성 가스원, 예컨대, 아르곤(Ar) 가스원을 더 포함할 수 있다.
퍼징 단계(S04)에서는, 퍼징 가스를 기판 처리 장치의 챔버 안으로 유동시킴으로써, 기판 처리 챔버를 능동적으로 퍼징할 수 있다. 퍼지 가스를 유입시킴과 함께 기판 처리 챔버로부터 임의의 부산물뿐만 아니라 임의의 잔류 세정 가스를 효과적으로 배출하기 위하여, 기판 처리 챔버를 감압시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법은 기판 처리 과정과 인시츄로 행해질 수 있다.
즉, 기판 지지부(60)에 기판이 안착된 상태에서, PECVD 프로세스, MOCVD 프로세스 등과 같은 CVD 프로세스, ALD 프로세스 또는 PVD(physical vapor deposition) 프로세스를 사용하여 기판상에 인듐과 갈륨이 도핑된 아연 산화물(IGZO)이 증착되고, 증착이 완료되면 기판은 외부로 반출된다.
기판(S)상에 IGZO 재료가 증착되는 동안, IGZO 재료는, 기판 처리 챔버의 다른 부품들, 예컨대, 샤워 헤드(30), 기판 지지부(60), 챔버(10)의 내벽 등에 증착될 수 있다.
이러한 증착 사이클이 소정의 횟수만큼 행해진 후에, 챔버(10) 내부를 개방하지 않은 상태에서 챔버(10) 내부를 세정하기 위하여, 챔버(10) 내부로 증착 공정 가스 대신, 상술한 바와 같이, 복수의 염소계 가스 및 불활성 가스 등을 공급한다.
이어서, 샤워 헤드(30) 및/또는 기판 지지체(60)에 RF 전원이 인가되어 챔버(10)내에 다이렉트 플라즈마가 생성된다. 다이렉트 플라즈마내의 BCl 라디칼 및 Cl 라디칼 등이 챔버(10) 내부의 금속 산화물 반도체 물질의 잔류막과 화학적으로 반응하여 금속 염화물이 생성되는데, 이들 중 일부가 휘발되어 제거되거나(화학적 세정), 크립톤(Kr)이나 제논(Xe)과 같이 원소질량이 큰 불활성 가스의 이온의 이온충격에 의해 물리적으로 탈착되어 제거된다(물리적 세정).
이어서, 챔버(10) 내벽 등으로부터 제거된 금속 염화물은, 기판 처리 챔버의 밖으로 퍼징된다.
이러한 세정 공정이 완료되고 나면, 다시 기판을 챔버(10) 내부로 반입하여 증착 공정을 재개할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 세정 방법에 의하면, 빈번한 세정이 요구되는 IGZO와 같은 금속 산화물 반도체 물질의 증착 공정에서 챔버(10)를 진공 개방하지 않고 인시츄 건식 세정이 가능하게 되어, 작업 능률의 향상 및 높은 장치 재현성과 가동률을 확보할 수 있다. 특히, 복수의 염소계 가스와 함께 공급되는 불활성 가스로서 크립톤(Kr)이나 제논(Xe)과 같이 원소질량이 큰 불활성 가스를 사용함으로써, 아르곤(Ar)을 사용하는 경우에 비해, 세정 성능을 향상시킬 수 있다.
10
챔버
20 제1 염소계 가스원
25 제2 염소계 가스원
27 불활성 가스원
30 샤워 헤드
40 제1 전원 공급부
45 제2 전원 공급부
50 제어부
60 기판 지지부
70 원격 플라즈마 소스
20 제1 염소계 가스원
25 제2 염소계 가스원
27 불활성 가스원
30 샤워 헤드
40 제1 전원 공급부
45 제2 전원 공급부
50 제어부
60 기판 지지부
70 원격 플라즈마 소스
Claims (13)
- 금속 산화물 반도체 물질을 증착하는 증착 챔버를 세정하기 위한 방법으로서,
제1 염소계 가스 및 상기 제1 염소계 가스와 다른 제2 염소계 가스를 포함하는 복수의 염소계 가스와, 크립톤(Kr) 및 제논(Xe) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 가스를 상기 증착 챔버내로 공급하는 단계와,
상기 증착 챔버내로 공급된 상기 복수의 염소계 가스 및 상기 불활성 가스를 플라즈마에 의해 활성화 내지 이온화하는 단계와,
상기 제1 염소계 가스 및 상기 제2 염소계 가스로부터 생성된 제1 염소계 라디칼 및 제2 염소계 라디칼과, 상기 불활성 가스의 이온에 의해, 상기 증착 챔버내에 퇴적된 잔류 금속 산화물 반도체 물질을 제거하는 단계와,
상기 증착 챔버를 퍼징하는 단계를
포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 염소계 가스 및 제2 염소계 가스는 각각, Cl2, BCl3, ClF3, ClF4, HCl, CCl4, CoCl2, TiCl4 로 이루어지는 군으로부터 선택된 염소계 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 염소계 가스는 BCl3을 포함하며, 상기 제1 염소계 라디칼은 BCl을 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제3항에 있어서,
상기 제2 염소계 가스는 Cl2을 포함하고, 상기 제2 염소계 라디칼은 Cl을 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제2항에 있어서,
상기 활성화 내지 이온화하는 단계는, 다이렉트 플라즈마에 의해 상기 복수의 염소계 가스 및 상기 불활성 가스를 활성화 내지 이온화시키는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1 염소계 가스는 BCl3이고, 상기 제2 염소계 가스는 Cl2이며,
상기 활성화 단계에서는, BCl3와 Cl2의 유량비가 1:1이 되도록 BCl3와 Cl2를 각각 상기 증착 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 염소계 가스는 BCl3이고, 상기 제2 염소계 가스는 Cl2이며,
상기 불활성 가스는 크립톤(Kr)인 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 활성화 내지 이온화 단계에서는, -75V ~ -85V 범위의 DC 바이어스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제8항에 있어서,
상기 활성화 내지 이온화 단계에서는, 상기 증착 챔버내의 압력을 5mTorr~10mTorr의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 퍼징하는 단계에서는, 상기 불활성 가스와 다른 불활성 가스를 사용하여 상기 증착 챔버 내를 퍼징하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 퍼징하는 단계에서 사용하는 불활성 가스는, 아르곤(Ar)을 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제거하는 단계는, 상기 제1 염소계 라디칼 및 상기 제2 염소계 라디칼과 상기 증착 챔버내에 퇴적된 잔류 금속 산화물 반도체 물질의 화학적 반응에 의해 금속 염화물을 생성하는 단계와, 상기 생성된 금속 염화물을 상기 불활성 가스의 이온의 이온 충격에 의하여 물리적으로 탈착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 반도체 물질은 IGZO인 것을 특징으로 하는 세정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210051055A KR20220144570A (ko) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 금속산화물 반도체 물질의 증착 챔버의 세정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210051055A KR20220144570A (ko) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 금속산화물 반도체 물질의 증착 챔버의 세정 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220144570A true KR20220144570A (ko) | 2022-10-27 |
Family
ID=83810381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210051055A KR20220144570A (ko) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 금속산화물 반도체 물질의 증착 챔버의 세정 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220144570A (ko) |
-
2021
- 2021-04-20 KR KR1020210051055A patent/KR20220144570A/ko active Search and Examination
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |