KR20240087916A - 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 관한 것으로, 기판지지부에 인가되는 전압을 제어하는 방법을 활용하여 샤워헤드 영역에 예비 증착 효율을 향상시켜 메인 증착 공정을 통해 타겟 박막을 증착하는 경우 발생되는 파티클 문제를 개선할 수 있는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법은, 플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계;를 포함하되, 상기 예비 증착 단계는, 기판지지부에 음전압을 적어도 1회 이상 인가하는 것을 특징으로 한다.

Description

기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법 및 이를 이용한 기판 처리 방법{Methods for forming seasoning thin film in apparatus for treating substrate and method for processing substrate using the same}
본 발명은 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 관한 것으로, 전압(voltage)의 공급을 제어하는 방법을 활용하여 샤워헤드 영역에 증착 효율을 향상시켜 메인 증착 공정을 통해 타겟 박막을 증착하는 경우 발생되는 파티클 문제를 개선할 수 있는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 다양한 기판 처리 장치를 이용해 기판 상에 박막을 증착하여 제조하고 있다. 일반적으로, 기판 처리 장치는 기판 처리를 수행하기 위한 공정 챔버, 가스 공급 라인과 연결되어 상기 공정 챔버 내부에 가스를 공급하는 샤워 헤드 등의 가스 분사부, 상기 공정 챔버의 내부에 설치되고 기판이 안착되는 서셉터, 정전척 등의 기판 지지부를 포함하는 구조를 갖는다.
상기와 같은 구조를 갖는 기판 처리 장치를 이용해 박막 형성 공정을 진행하는 동안에는, 박막 형성을 위해 반응 생성물이 생성되며, 생성된 반응 생성물은 기판의 공정 챔버, 샤워헤드 등의 표면에도 퇴적된다. 반도체 양산을 위해 활용되는 기판 처리 장치는 대량의 기판을 처리하기 때문에 공정 챔버 내부에 반응 생성물이 부착된 상태에서 기판 처리 공정을 계속 수행하는 경우 공정 챔버 또는 샤워헤드 등으로부터 반응 생성물이 박리되어 파티클(particle)이 발생한다. 상기 파티클은 기판에 부착되어 증착 불량을 야기하고 반도체 소자의 수율을 저하시킬 수 있어, 기판 처리 장치는 일정 시간 또는 일정 매수의 박막을 증착한 다음에는 공정 챔버의 내부를 세정하고, 세정에 의한 공정 챔버의 조건 변경을 보상하기 위해 샤워헤드, 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 증착하도록 하는 예비 증착 공정을 수행하도록 하고 있다.
기존에는 예비 증착 공정에서 공정 챔버에 증착 가스를 공급과 동시에 전극인 샤워헤드에 RF 전원을 인가해 플라즈마를 형성시켜 시즈닝 박막을 형성한다. 다음, 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 공정이 완료되면 기판을 공정 챔버 내부의 기판지지부에 안착한다. 다음, 정전척에 정전척 전압을 공급해 기판을 정전척에 척킹하여 고정한 상태에서 기판 상에 타겟 박막을 형성하는 메인 증착 공정을 수행하도록 하고 있다.
상기와 같은 기존의 예비 증착 방법을 활용할 경우, 예비 증착 공정에서 형성되는 플라즈마가 샤워헤드와 정전척 사이의 중심부에 대칭으로 형성되어 예비 증착 공정이 진행된다.
하지만, 상기와 같이 플라즈마가 대칭으로 형성된 상태에서 예비 증착 공정을 수행할 경우 샤워헤드 영역에 대한 예비 증착 효율은 감소하고, 정전척 영역에는 필요 이상의 두께로 시즈닝 박막이 증착되는 경향을 나타낸다. 이에 따라, 샤워헤드 영역에 형성되는 시즈닝 박막은 접합력이 낮아 메인 박막을 증착하는 공정을 수행할 경우 박리성 파티클이 과량 발생한다는 문제를 나타내어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
일 실시예에 따르면, 기판지지부에 인가되는 전압을 제어하는 방법을 활용하여 샤워헤드 영역에 예비 증착 효율을 향상시켜 메인 증착 공정 수행시 발생되는 파티클 문제를 개선할 수 있는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 대한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
실시예에 따른 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법은, 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원을 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 시즈닝 방법으로서, 플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계;를 포함하되, 상기 예비 증착 단계는, 상기 전압 공급 유닛이 음전압을 적어도 1회 이상 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 기판 처리 방법은, 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원을 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서, 세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버를 세정하는 세정 단계; 플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계; 상기 공정 챔버에 기판을 안착하는 안착 단계; 및 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계;를 포함하되, 상기 예비 증착 단계는 상기 전압 공급 유닛이 적어도 1회 이상 음전압을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원; 및 상기 전압 공급 유닛과 플라즈마 전원의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계, 상기 시즈닝 박막이 형성된 공정 챔버에 기판을 안착하는 안착 단계 및 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계를 포함하는 기판 처리 공정을 수행하며, 상기 제어부는, 상기 예비 증착 단계에서 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 과정 중 상기 전압 공급 유닛이 음전압을 적어도 1회 이상 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법은, 예비 증착 단계에서 증착 가스의 공급과 함께 샤워헤드에 RF 전원을 인가하고, 이와 동시에, 기판지지부에 음전압을 인가하도록 함으로써 플라즈마 영역이 샤워헤드 측으로 집중시키도록 하여 충전(charging)에 의한 전압 인가량 감소를 방지하도록 한다.
이에 따라, 예비 증착 단계에서 형성되는 플라즈마 영역이 RF 전원과 기판지지부의 직류 전압에 의해 샤워헤드 측에 집중되며, 이와 같은 상태에서 예비 증착을 진행함에 따라 샤워헤드 측의 증착 효율이 향상되어 소정 두께 이상의 시즈닝 박막이 샤워헤드 측에 형성되고 기판지지부 측에는 예비 증착이 필요 이상 진행되는 것을 방지할 수 있어 메인 증착시 박리성 파티클의 발생을 개선할 수 있다.
도 1은 (a) 기존의 박막 형성 방법과 (b) 실시예에 따른 박막 형성 방법에서 기판지지부에 전압을 인가하는 과정을 나타낸 타이밍도이다.
도 2는 샤워헤드와 기판지지부에 교대로 RF 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하는 기존의 시즈닝 박막 형성 방법을 활용하는 경우 샤워헤드 측과 기판지지부 측의 플라즈마 쉬스의 시간에 대한 평균치와 플라즈마 영역 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 기존의 시즈닝 박막 형성 방법을 이용하여 (a) 시즈닝 박막을 형성하기 위해 플라즈마를 형성한 상태, (b) 샤워헤드 및 기판지지부에 각각 시즈닝 박막이 형성된 상태 및 (c) 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 상태를 나타낸 개념도이다.
도 4는 샤워헤드와 기판지지부에 교대로 RF 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하고 기판지지부에 RF 전압 보다 큰 음전압을 인가하는 실시예에 따른 시즈닝 박막 형성 방법을 활용하는 경우 샤워헤드 측과 기판지지부 측의 플라즈마 쉬스의 시간에 대한 평균치와 플라즈마 영역 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 시즈닝 박막 형성 방법을 이용하여 (a) 시즈닝 박막을 형성하기 위해 플라즈마를 형성한 상태, (b) 샤워헤드 및 기판지지부에 시즈닝 박막이 형성된 상태 및 (c) 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 상태를 나타낸 개념도이다.
도 6은 실시예에 따른 기판 처리 방법을 나타낸 공정도이다.
도 7은 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 개념도이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 기판지지부 인가 전압별 박막 증착률을 측정한 결과이다.
도 9는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 방법으로 세정 및 예비 증착 처리를 수행한 다음 메인 박막을 증착한 기판에 형성된 파티클의 개수를 측정한 결과이다.
본 명세서에서, 시즈닝은, 기판 처리 장치를 이용해 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 박막을 증착하는 기판 처리 공정을 수행하기 위해, 공정 챔버(100)를 세정한 다음 타겟 박막과 동일 또는 유사한 조성의 시즈닝 가스를 공급해 예비 증착 공정을 수행하여 공정 챔버(100)의 내부 벽면, 기판지지부(200), 샤워헤드(300) 등의 표면에 시즈닝 박막을 형성하도록 하는 공정을 의미한다. 상기와 같은 시즈닝은 공정 챔버(100)에 불순물 유입을 방지하고, 타겟 박막의 두께 균일성을 개선하며, 파티클 발생을 억제하여 타겟 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서, 증착 효율 향상은 시즈닝 박막의 증착률이 증가하거나, 동일시간 동안 예비 증착 공정을 수행할 경우 증착된 시즈닝 박막의 두께가 상대적으로 두꺼운 경우를 의미하는 것이다.
도 1은 (a) 기존의 박막 형성 방법과 (b) 실시예에 따른 박막 형성 방법에서 기판지지부에 전압을 인가하는 과정을 나타낸 타이밍도이고, 도 2는 기존의 시즈닝 박막 형성 방법을 이용하여 (a) 시즈닝 박막을 형성하기 위해 플라즈마를 형성한 상태, (b) 샤워헤드(300) 및 기판지지부(200)에 각각 시즈닝 박막이 형성된 상태 및 (c) 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 상태를 나타낸 개념도이며, 도 3은 샤워헤드(300)와 기판지지부(200)에 교대로 RF 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하는 기존의 시즈닝 박막 형성 방법을 활용하는 경우 샤워헤드(300)측과 기판지지부(200) 측의 플라즈마 쉬스의 시간에 대한 평균치와 플라즈마 영역 분포를 나타낸 도면이다.
도 1(a)를 참조하면, 기존의 기판 처리 방법에서는, 세정 가스를 이용해 공정 챔버(100)를 세정하는 챔버 세정 단계(S10); RF 전원을 인가하여 플라즈마 분위기를 형성하고, 시즈닝 가스를 공급하여 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계(S20); 시즈닝 박막을 형성한 공정 챔버(100)의 내부에 기판을 공급하는 기판공급단계(S30); 상기 기판 상에 타겟 박막(TF)을 증착하는 메인 증착 단계(S40); 및 상기 타겟 박막(TF)을 증착한 기판을 추출하는 기판 추출 단계(S50)를 포함하는 방법을 통해 기판 상에 박막을 증착하도록 하고 있다.
도 2를 참조하면, 상기와 같은 기존의 기판 처리 방법은, 시즈닝 박막을 증착하기 위한 예비 증착 공정에서 플라즈마를 형성하기 위한 RF 전원을 샤워헤드(300)와 기판지지부(200)에 서로 번갈아 공급하며, 이에 따라, 샤워헤드(300) 측의 플라즈마 쉬스(S/H PS)와 기판지지부(200) 측의 플라즈마 쉬스(ESC PS)의 시간에 대한 평균치가 서로 동일해진다. 또한, 기판지지부(200)와 샤워헤드(300)의 시간에 따른 평균 전위가 각각 0V로 서로 동일하며, 샤워헤드(300)에 공급되는 RF 전원에 의해 플라즈마 전위의 차이가 적은 특성을 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 3(a)를 참조하면, 상기와 같은 기존의 기판 처리 방법은, 시즈닝 박막을 증착하기 위한 예비 증착 공정에서 플라즈마 영역(plasma area)이 샤워헤드(300)와 기판지지부(200) 사이의 중앙에 분포하여 샤워헤드(300)측의 플라즈마 쉬스(S/H PS)와 기판지지부(200) 측의 플라즈마 쉬스(ESC PS)가 동일하거나 서로 유사하다.
다음, 도 3(b)에 도시하고 있는 바와 같이, 샤워헤드(300)측에 형성되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율이 낮아 샤워헤드(300)측에 시즈닝 박막(310)의 두께가 상대적으로 얇아 소정 범위 미만의 시즈닝 박막(310)이 형성된다.
다음, 도 3(c)에 도시하고 있는 바와 같이, 샤워헤드(300)측에 시즈닝 박막(310)이 소정 두께 이상 증착되지 않을 경우 접합력이 낮아 샤워헤드 측 시즈닝 박막(310)이 필링 또는 박리되는 현상이 유발되어 타겟 박막(TF)을 증착하기 위한 메인 증착 공정에서 파티클(P)이 과량 발생하는 경향을 나타낸다.
이하, 실시예에 따른 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 샤워헤드(300)와 기판지지부(200)에 교대로 RF 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하고 기판지지부(200)에 RF 전압 보다 큰 음전압을 인가하는 실시예에 따른 시즈닝 박막 형성 방법을 활용하는 경우 샤워헤드(300)측의 플라즈마 쉬스(S/H PS)와 기판지지부(200) 측의 플라즈마 쉬스(ESC PS)의 시간에 대한 평균치와 플라즈마 영역 분포를 나타낸 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 시즈닝 박막 형성 방법을 이용하여 (a) 시즈닝 박막을 형성하기 위해 플라즈마를 형성한 상태, (b) 샤워헤드(300) 및 기판지지부(200)에 시즈닝 박막이 형성된 상태 및 (c) 기판 상에 타겟 박막(TF)을 증착하는 상태를 나타낸 개념도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법은, 플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계;를 포함한다.
먼저, 기판 처리 장치는 공정 챔버(100), 기판지지부(200), 샤워헤드 (300), 기판지지부(200), 전원 공급 유닛(400) 및 플라즈마 전원(500)을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조를 갖는 통상적인 다양한 형태의 기판 처리 장치를 이용해 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판 처리 장치는 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버(100), 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부(200), 상기 기판지지부(200)와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워헤드(300), 상기 기판지지부(200)와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전원 공급 유닛(400) 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부(200)와 샤워헤드(300) 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원(500)을 포함하는 구조를 가질 수 있다.
상기 예비 증착 단계는, 플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 형성하도록 한다. 이때, 상기 예비 증착 단계에서는, 상기 샤워헤드(300)의 표면에 증착되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율을 향상시키기 위해서 상기 전원 공급 유닛(400)은 음전압을 적어도 1회 이상 인가하도록 구성할 수 있다.
상기 시즈닝 가스는 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 증착한 다음, 기판 상에 형성하고자 하는 타겟 박막(TF)의 종류에 따라 변경하여 공급할 수 있다. 상기 시즈닝 가스는 상기 타겟 박막(TF) 형성을 위한 소스 가스와 동일한 가스를 활용하거나, 이와 유사한 가스를 활용할 수 있다. 상기 시즈닝 가스는 상기 소스 가스 이외에도 캐리어 가스, 반응 가스 등을 포함하는 혼합 가스일 수 있다.
본 단계에서는, 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 가스의 공급과 함께 샤워헤드(300)에 RF 전원을 인가한다. 이와 동시에, 기판지지부(200)에 음전압(-ESC V)을 인가하여 플라즈마 영역을 샤워헤드(300) 측으로 집중시키도록 한다. 다음, 상기 기판지지부에 인가되는 전압이 0V 이상이 되도록 제어하여 음전압(-ESC V)에 의한 전하 충전을 방지하도록 한다. 이와 같이 시즈닝 박막을 증착하는 과정 중 기판지지부에 음전압을 적어도 1회 이상 공급하도록 구성함에 따라 샤워헤드(300)측에 형성되는 시즈닝 박막의 접합력을 향상시킬 수 있다. 상기 음전압(-ESC V)은 직류 전압(direct current(DC) voltage)일 수 있으며, 전하 충전을 방지하기 위한 전원 공급 유닛이 인가하는 전압은 양전압(+ESC V)일 수 있다. 상기 기판지지부(200)는 정전척일 수 있으며, 상기 전원 공급 유닛(400)을 통해 기판지지부(200)에 인가되는 전압은 기판을 척킹하기 위한 척킹력 형성을 위한 정전척 전압일 수 있다.
구체적으로, 본 단계에서는, 상기 기판지지부(200)에 음전압(-ESC V)과 양전압(+ESC V)을 교대로 인가하는 펄스형 전압을 공급하여, 상기 음전압(-ESC V)에 의해 플라즈마의 영역이 상기 샤워헤드(300)측으로 집중되도록 한 다음 상기 양전압(+ESC V), 즉, 역전압 공급에 의해 상기 음전압의 충전(charging)에 의한 전압 인가량 감소를 방지하도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 양전압(+ESC V)의 절대값은 상기 음전압(-ESC V)의 절대값 보다 클 수 있다. 특히, 상기 양전압(+ESC V)의 절대값은 상기 음전압(-ESC V)의 절대값 대비 200 내지 500%, 즉, 양전압(+ESC V)의 절대값이 음전압(-ESC V)의 절대값 대비 2 내지 5배의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 기판지지부(200)에 음전압(-ESC V)을 인가하는 시간 대비 상기 기판지지부(200)에 양전압(+ESC V)을 인가하는 시간이 10 내지 30%의 범위를 갖도록 조절할 수 있다.
이에 따라, 본 단계에서는, 플라즈마 영역(PA)이 샤워헤드(300)측으로 집중되도록 기판지지부(200)측의 플라즈마 쉬스(ESC PS)는 확장시키고, 샤워헤드(300)측의 플라즈마 쉬스(S/H PS)는 감소시켜 샤워헤드(300)측에 형성되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율을 향상시키도록 한다. 또한, 기판지지부(200)에 RF 전압보다 큰 음전압을 인가하도록 하여 기판지지부(200)가 항상 음극(cathode)로 작용하게 된다. 이와 같은 경우, 플라즈마 형성에 있어 음극의 쉬스가 양극의 쉬스보다 넓게 형성되는 현상에 의해 기판지지부(200) 측의 플라즈마 쉬스(ESC PS)가 넓어지게 되고, 플라즈마 영역(plasma area)은 샤워헤드(300, anode)측으로 편향되게 된다(도 5(a)의 화살표 참조). 상기와 같이 샤워헤드(300) 측으로 플라즈마 영역(PA)이 편향된 경우 예비 증착 단계에서 기판지지부(200) 측에 형성되는 시즈닝 박막(210)의 불필요한 증착을 줄이면서, 샤워헤드(300)측에 형성되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
특히, 상기 예비 증착 단계는, 상기 샤워헤드(300) 측에 시즈닝 박막의 증착 효율이 향상되어 상기 기판지지부(200) 측에 증착되는 시즈닝 박막(210)과 상기 샤워헤드(300) 측에 증착되는 시즈닝 박막(310)의 두께비가 1:1.01 내지 1:5일 수 있다. 그리고, 상기 예비 증착 단계는, 기판지지부(200) 측에 증착되는 시즈닝 박막(210)의 증착률 100% 대비 상기 샤워헤드(300) 측에 증착되는 시즈닝 박막(310)의 증착률이 101 내지 200%일 수 있다.
또한, 상기와 같이 직류 전압을 기판지지부(200)에 인가하는 경우, 기판지지부(200)의 표면에 유전체 물질(dielectric material)에 해당하는 시즈닝 박막(210)의 형성이 증가함에 따라 대전 현상이 발생한다. 이에 따라, 인가되는 전압과 관계없이 기판지지부(200) 표면의 전위가 서서히 0에 가까워지게 된다. 실시예에 따른 시즈닝 기판 처리 방법에서는, 일정 주기에 따라 양전압을 인가하도록 구성함으로써 대전 현상을 해소하여 플라즈마를 지속적으로 샤워헤드(300) 영역에 집중시킬 수 있게 된다.
본 단계에서 인가되는 양전압(+ESC V)의 절대값은 상기 샤워헤드(300) 플라즈마 집중 과정에서 인가되는 음전압(-ESC V)의 절대값보다 2 내지 10배 크도록 설정할 수 있다.
또한, 본 단계에서 양전압(+ESC V) 인가 시간을 음전압(-ESC V) 인가 시간 대비 5 내지 50% 가 되도록 조절하여 단 시간 내에 대전을 해소하면서 예비 증착 단계의 조건 변동을 최소화할 수 있다. 일례로, 음전압(-ESC V) 인가 시간이 1분인 경우 양전압(+ESC V) 인가시간은 3 내지 30초 일 수 있다.
특히, 상기와 같은 예비 증착 단계는, 양전압(+ESC V)의 절대값이 음전압(-ESC V)의 절대값보다 2.5 내지 4배 크도록 설정할 수 있고, 양전압 인가 시간을 음전압 인가 시간 대비 5 내지 15%가 되도록 조절하여 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 양전압 인가 시간은 2 내지 10초일 수 있다.
이에 따라, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 예비 증착 단계에서는, 상기 기판지지부(200)에 증착되는 시즈닝 박막(210) 대비 상기 샤워헤드(300) 측에 증착되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율이 향상된다.
다음, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(300) 측에 증착되는 시즈닝 박막(310)의 증착 효율이 향상됨에 따라 타겟 박막(TF)을 형성하기 위한 메인 증착 단계에서 샤워헤드(300)측의 시즈닝 박막(310)에 의해 필링 또는 박리가 쉽게 발생되지 않아 타겟 박막(TF)의 파티클(P)에 대한 오염 문제를 크게 개선할 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 상기 기판 상에 시즈닝 박막을 형성하기 전에 세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버(100)를 세정하는 단계를 더 포함하도록 구성할 수 있다. 상기 세정하는 단계는, 기판 처리 장치를 이용하여 메인 박막 증착 단계를 수행하는 동안에 공정 챔버(100) 내부 표면에 부착된 반응 생성물을 제거하기 위하여 수행된다. 기판 처리 장치를 이용하여 메인 박막 증착 단계를 진행하는 동안에 생성되는 반응 생성물은 타겟 박막(TF)의 표면뿐만 아니라, 챔버 내부 표면에도 퇴적(부착)되어 버린다. 양산용 기판 처리 장치는 많은 양의 기판을 처리하기 때문에 공정 챔버(100) 내부에 반응 생성물이 부착된 상태에서 타겟 박막(TF)을 증착하는 공정을 연속적으로 수행하면, 반응 생성물이 박리되어 파티클(P)이 발생된다. 이러한 파티클(P)은 메인 증착 공정의 불량을 야기하고 기판에 부착되어 반도체 소자의 수율을 저하시킬 수 있다. 이 때문에, 일정 시간 또는 일정 매수의 기판 증착 공정이 종료된 후에는 챔버 내부를 클리닝해야 한다.
상기 클리닝 단계는 불소(F)를 이용한 인시츄(in-situ) 세정 방법을 포함할 수 있다. 즉, 공정 챔버(100) 내에 불소를 포함하는 세정 가스를 주입하여 챔버 내벽, 서셉터 등을 세정할 수 있다. 상기 세정가스는 NF3, C3F8, CF4, C2F6, C3F8, SiF4, F2중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 도 6은 실시예에 따른 기판 처리 방법을 나타낸 공정도이다.
도 1(b) 및 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 방법은, 세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버(100)를 세정하는 세정 단계(S100); 상기에 기재된 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법으로 상기 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계(S200); 상기 공정 챔버(100)에 기판을 안착하는 안착 단계(S300); 및 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계(S400);를 포함할 수 있다.
상기 세정 단계(S100)는, 세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버(100)를 세정하도록 하는 단계로서, 전술한 바와 동일한 방법을 이용해 수행할 수 있다.
상기 예비 증착 단계(S200)는, 전술한 방법을 이용해 수행할 수 있다.
상기 안착 단계(S300)는, 상기와 같이 공정 챔버(100)를 예비 증착하여 시즈닝 박막이 형성된 공정 챔버(100)의 내부 기판지지부(200)에 기판을 안착하도록 하는 단계이다.
상기 메인 증착 단계(S400)는 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하도록 하는 단계이다.
또한, 상기 메인 증착 단계(S400)는 상기 기판 상에 타겟 박막(TF)을 증착한 다음 상기 타겟 박막(TF)을 증착한 기판을 추출하는 기판 추출 단계(S500)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 기판 처리 방법을 활용하면, 예비 증착 단계(S200)에서 증착 가스의 공급과 함께 샤워헤드(300)에 RF 전원을 인가하고, 이와 동시에, 기판지지부에 전압을 인가하도록 함으로써 플라즈마 영역을 샤워헤드(300) 측으로 집중시키도록 한다. 이때, 기판지지부(200)에 인가된 전압은 일정 주기에 따라 단시간 동안 양전압을 형성시켜 충전(charging)에 의해 전압 인가량이 감소하는 것을 방지하도록 한다.
이에 따라, 예비 증착 단계(S200)에서 형성되는 플라즈마가 RF 전원과 기판지지부(200)의 직류 전압에 의해 샤워헤드(300)의 영역에 집중된다. 이와 같이 플라즈마가 샤워헤드(300) 측에 집중된 상태에서 예비 증착이 진행되도록 함에 따라 샤워헤드(300) 영역의 예비 증착이 효율이 향상되며, 기판지지부(200) 영역에 예비 증착이 필요 이상 진행되는 것을 방지할 수 있어 효율이 증가함에 따라 메인 증착시 시즈닝 박막의 접합력이 크게 증가하여 박리성 파티클의 발생을 감소시킬 수 있다.
한편, 도 7은 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 개념도이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버(100), 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부(200), 상기 기판지지부(200)와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판(S)에 가스를 분사하는 샤워 헤드(300), 상기 기판지지부(200)와 연결되어 상기 기판(S)을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛(400) 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부(200)와 샤워헤드(300) 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원(500); 및 상기 전압 공급 유닛(400)과 플라즈마 전원(500)의 구동을 제어하는 제어부(600)를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 기판 처리 장치(10)는 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계, 상기 시즈닝 박막이 형성된 공정 챔버에 기판을 안착하는 안착 단계 및 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계를 포함하는 기판 처리 공정을 수행할 수 있다.
이를 위해, 상기 기판 처리 장치의 상기 제어부(600)는, 상기 예비 증착 단계에서 상기 공정 챔버(100)의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 과정 중 상기 전압 공급 유닛(400)이 음전압을 적어도 1회 이상 인가하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 시즈닝 박막이 형성된 공정 챔버(100)에 기판을 안착하는 안착 단계 및 상기 기판(S) 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계를 수행하기 위해서 기판지지부(200), 샤워헤드(300), 전원 공급 유닛(400) 및 플라즈마 전원(500)의 구동을 제어할 수 있다.
상기와 같은 기판 처리 장치는, 기판지지부에 인가되는 전압을 제어하는 방법을 활용하여 샤워헤드 영역에 예비 증착 효율을 향상시켜 메인 증착 공정 수행시 발생되는 파티클 문제를 개선할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다. 제시된 실시예는 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 용도인 것은 아니다.
<실시예 1>
실시예 1에 따른 시즈닝 박막 형성 방법의 증착 효과를 확인하기 위해서 다음과 같은 평가를 수행하였다.
먼저, 세정이 완료된 챔버 내부에 조각 시료(coupon)를 샤워헤드와 기판지지부의 표면에 각각 부착하였다. 다음, 예비 증착 과정을 수행하기 위해서, 예비 증착용 시즈닝 가스를 공급하고, 샤워헤드를 전극으로 RF 파워를 인가하였다. 이와 동시에, 기판지지부에 각각 -300 V와 -500 V의 기판지지부 전압을 인가하였다.
또한, 기판지지부의 직류 전압에 의한 대전(charging)을 방지하기 위하여 일정 주기마다 기판지지부에 +1300 V의 양전압을 수 초간 인가한 다음 -300 V 또는 -500 V의 음전압을 각각 인가하는 과정을 반복 수행하여 시료를 예비 증착 처리하였다.
<실시예 2>
벌크 플라즈마 영역을 샤워헤드 측으로 집중시키기 위하여 -500 V의 기판지지부에 전압 인가하고, 기판지지부의 직류 전압에 의한 대전(charging)을 방지하기 위하여 일정 주기마다 기판지지부의 전압을 +1300V로 수 초간 인가한 후 다시 -500V로 인가하는 과정을 반복하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 증착 가스의 종류, 증착 가스의 유량, 증착 시간 및 RF 파워를 적용하여 시료를 예비 증착 처리하였다.
다음, 예비 증착 처리한 조각 시편에 메인 증착 공정을 수행하여 조각 시편에 메인 박막을 형성하였다.
<비교예 1>
기판지지부에 전압을 0V로 인가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 증착 가스의 종류, 증착 가스의 유량, 증착 시간 및 RF 파워를 적용하여 시료를 예비 증착 처리하였다.
<비교예 2>
비교에 1의 방법으로 예비 증착 처리한 조각 시편에 메인 증착 공정을 수행하여 조각 시편에 메인 박막을 형성하였다.
<실험예>
(1) 박막 두께 평가
실시예 1 및 비교예 1에 따른 방법으로 예비 증착 처리한 조각 시료(coupon)에 형성된 박막의 두께를 박막 두께 측정 장치(Aleris 8350, KLA Tencor)를 이용하여 계측하였으며 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때, 두께 측정은 각각의 조각 시료에 형성된 박막의 두께 계측 결과를 분당 증착률로 환산하여 나타내었다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 방법으로 예비 증착 처리한 조각 시료에 형성된 시즈닝 박막의 두께를 측정한 결과이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 기판지지부의 인가 전압이 0V(비교예 1), -300 V(실시예 1-1), -500 V(실시예 1-2)로 그 절대치가 증가함에 따라 상기 샤워헤드 표면에 부착한 조각 시료의 경우 예비 증착막의 증착률이 점차 증가하는 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 이와 반대로, 기판지지부 표면에 부착한 조각 시료의 경우 두께가 점차 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 예비 증착 과정에서 인가된 기판지지부의 전압 절대치가 증가함에 따라 증착 효율이 향상되어 샤워헤드 표면의 조각 시료에 증착되는 박막의 예비 증착에 의한 증착률이 증가하는 경향을 나타낸다는 사실을 확인하였다.
(2) 파티클 발생 평가
실시예 2 및 비교예 2에 따른 방법으로 예비 증착 및 메인 증착 공정을 각각 수행하고, 메인 증착 공정 중 발생한 파티클의 개수를 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때, 파티클 개수 측정은 파티클 측정 장치(SP5, KLA tencor)를 이용해 수행하였고, 총 3회 반복 수행하였다.
도 9는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 방법으로 세정 및 예비 증착 처리를 수행한 다음 메인 박막을 증착한 기판에 형성된 파티클의 개수를 측정한 결과이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 비교예 2에 따른 방법을 활용한 경우 기판의 타겟 박막의 가장자리 영역 위주에 평균 74개의 파티클이 형성되는 것으로 계측되었다. 이와 반대로, 실시예 2의 경우에는, 평균 27개 파티클이 발생하는 것으로 계측되었고, 형성 위치의 특이성이 없는 다양한 형태로 파티클이 발생하였다. 특히, 실시예 2의 경우에는 파티클의 발생이 비교예 2의 경우에 비해 64% 이상 감소하는 것을 확인할 수 있어 실시예 1 및 2에 따른 방법으로 예비 증착 공정을 수행할 경우 샤워헤드 측 시즈닝 박막의 증착 효율이 향상되어 소정 두께 이상의 시즈닝 박막이 형성되며, 이와 같은 시즈닝 박막의 형성으로 인해 파티클 문제를 크게 개선할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원을 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 시즈닝 방법으로서,
    플라즈마 분위기에서 시즈닝 가스를 공급하여 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계;를 포함하되,
    상기 예비 증착 단계는,
    상기 전압 공급 유닛이 음전압을 적어도 1회 이상 인가하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예비 증착 단계는,
    상기 전압 공급 유닛이 상기 기판지지부에 음전압과 양전압을 교대로 인가하여, 상기 음전압에 의해 플라즈마의 영역이 상기 샤워헤드 측으로 집중 분포되도록 한 다음 상기 양전압에 의해 상기 음전압의 충전(charging)에 의한 전압 인가량 감소를 방지하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양전압의 절대값은 상기 음전압의 절대값 보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양전압의 절대값은 상기 음전압의 절대값 대비 200 내지 1,000%인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 예비 증착 단계는,
    상기 기판지지부에 음전압을 인가하는 시간 대비 상기 기판지지부에 양전압을 인가하는 시간이 5 내지 50%인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 예비 증착 단계는,
    상기 샤워헤드 측에 증착 효율이 향상되어 상기 기판지지부에 증착되는 시즈닝 박막 보다 상기 샤워헤드에 증착되는 시즈닝 박막의 두께가 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판지지부에 증착되는 시즈닝 박막과 상기 샤워헤드에 증착되는 시즈닝 박막은 두께비가 1:1.001 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 예비 증착 단계는,
    상기 기판 상에 시즈닝 박막을 형성하기 전에 세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법.
  9. 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원을 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서,
    세정 가스를 공급하여 상기 공정 챔버를 세정하는 세정 단계;
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 기판 처리 장치의 시즈닝 박막 형성 방법으로 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계;
    상기 공정 챔버에 기판을 안착하는 안착 단계; 및
    상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  10. 내부에 처리 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 처리 공간의 하부에 구비되어 기판을 지지하는 기판지지부, 상기 기판지지부와 대향되는 위치에 설치되고 상기 기판에 가스를 분사하는 샤워 헤드, 상기 기판지지부와 연결되어 상기 기판을 척킹하기 위한 전압을 인가하는 전압 공급 유닛 및 상기 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 기판지지부와 샤워헤드 중 적어도 어느 하나에 연결되어 RF 전원을 인가하는 플라즈마 전원; 및 상기 전압 공급 유닛과 플라즈마 전원의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 예비 증착 단계, 상기 시즈닝 박막이 형성된 공정 챔버에 기판을 안착하는 안착 단계 및 상기 기판 상에 타겟 박막을 증착하는 메인 증착 단계를 포함하는 기판 처리 공정을 수행하며,
    상기 제어부는,
    상기 예비 증착 단계에서 상기 공정 챔버의 내부에 시즈닝 박막을 형성하는 과정 중 상기 전압 공급 유닛이 음전압을 적어도 1회 이상 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
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