KR100706810B1 - 박박 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성방법 - Google Patents

박박 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성방법 Download PDF

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안현수
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Abstract

박막 형성 장치를 세정하는 방법이 제공되는 데, 박막의 증착을 완료한 후, 공정 챔버 내의 온도를 크게 하강시키지 않고 세정가스를 짧은 시간 간격으로 반복적으로 공정 챔버 내부로 유입시켜 챔버 내에 잔류하는 막질을 제거하며, 세정 중에 퍼지가스가 공급될 수 있다. 본 발명에 따르면, 박막 형성 장치에 대한 손상과 공정시간의 지연을 최소화할 수 있으며, 박막 형성 장치의 유지 보수가 간단하고, 박막 형성 공정의 생산성을 향상할 수 있다.
박막 형성 장치.

Description

박박 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성 방법{Cleaning of a thin film deposition apparatus forming of a thin film using the cleaning}
도 1은 종래의 방법에 의한 박막 형성 장치를 세정하는 방법을 설명하기 위한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 장치를 개략적으로 도시하는 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 장치를 세정하는 방법을 설명하기 위한 도면; 그리고
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 형성 장치를 세정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 박막 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세정가스를 사용한 박막 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정은 박막 형성 공정을 포함한다. 일반적으로 반도체 제조 공 정에서 형성되는 박막으로는 크게 실리콘산화막, 실리콘질화막 등의 절연성 박막과 각종 금속 박막, 폴리실리콘, 실리사이드 등의 도전성 박막이 있다. 이 같은 박막을 형성하는 방법은 여러 가지가 있으나, 일반적으로 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-organic CVD) 등의 방식이 주로 사용된다. 예를 들어 CVD 방식은 두 가지 이상의 반응가스를 소정의 공정 온도로 유지된 공정 챔버안으로 유입시켜 반응가스의 열분해 및 화학 반응을 통하여 반응 생성물이 반응 챔버에 놓인 웨이퍼 표면상에 증착되어 박막이 형성한다. 그런데 이 반응 생성물은 웨이퍼 표면뿐만 아니라 공정 챔버 내부, 예를 들어 챔버의 내벽, 웨이퍼가 놓이는 서셉서등 챔버를 구성하고 있는 부품에도 증착이 되어 박막이 형성된다. 그런데 이 같이 챔버 내부에 형성된 오염성 반응생성물은 박막 형성 공정 중에 챔버 내부로부터 박리하여 웨이퍼 표면에 부착하여 반도체 제조 공정의 수율을 감소시키게 된다.
이에 통상적으로 박막을 형성한 후 공정 챔버 내부를 세정하기 위한 세정 공정이 진행되고 있다. 도 1을 참조하여 ClF3와 N2를 사용하는 종래 박막 형성 장치를 세정하는 방법에 대해서 설명을 한다. 종래 세정 방법은 고온에서 예를 들어 약 500℃ 이상의 고온에서 티타늄 질화막 같은 도전성 박막을 형성한 후, 공정 챔버의 온도가 저온으로, 대략 300℃ 정도로 하강할 때까지 기다린 후, 오염성 반응 생성물을 제거하기 위해 세정가스인 ClF3와 퍼지가스인 N2를 챔버 내부로 공급한다. 이 같은 세정가스와 반응가스의 공급은 동시에 이루어지며 또한 세정 공정이 끝날 때 까지 끊임없이 공급된다. 또 챔버 내부의 표면 형상 및 반응 생성물의 위치에 따라서 반응 생성물의 제거 정도가 다르기 때문에 긴 시간 동안 세정 공정이 이루어지고 있다.
따라서 종래 방법에서는 고온에서 박막을 형성한 후 불가피하게 챔버 내부가 저온이 될 때까지 기다렸다가 세정 공정을 진행하고 있다. 이로 인하여, 생산성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
한편, 종래 방법에서 박막을 형성한 후 반응 챔버의 온도가 하강하기를 기다리지 않고 세정 공정을 진행할 경우에는 또 다른 문제점이 발생을 하며 이점에 대해서 살펴보기로 한다. 세정가스인 ClF3는 예를 들어 300℃ 이상에서는 오염성 반응 생성물뿐만 아니라 챔버를 구성하는 부품과도 반응을 한다. 예를 들어 반응 챔버 내부의 온도 조절을 위한 히터는 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 재질로 구성되어 있는 히터는, ClF3 가스와 반응하여 불화알루미늄(AlF)을 형성한다. 따라서 히터가 손상을 받는다. 또, 불화알루미늄(AlF)이 후속 박막 형성 공정 중에 박리 되어 웨이퍼 표면에 부착하여 웨이퍼를 오염시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 세정 방법은 상기 박막 형성 장치의 공정 챔버내에 퍼지 가스를 공급하고; 상기 공정 챔버내에 세정가스를 주기적으로 공급하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 제1반응가스 및 제2반응가스를 상기 박막 형성 장치의 공정 챔버로 공급하여 박막을 형성하고; 상기 제2반응가스의 공급은 유지하면서 상기 제1반응가스의 공급을 중단하고; 그리고 상기 공정 챔버로 세정가스를 주기적으로 공급하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 상기 박막 형성 장치의 제1공급관을 통해 제1반응가스를 그리고 상기 박막 형성 장치의 제2공급관을 통해 제2반응가스를 상기 박막 형성 장치의 공정 챔버로 공급하여 박막을 형성하고; 상기 제1공급관으로의 상기 제1반응가스의 공급을 중단하고; 그리고 세정가스를 상기 공정 챔버로 주기적으로 공급하는 것을 포함한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 설명한다. 본 발명의 목적, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
이하의 실시 예에서는 반도체 제조 공정 중에 티타늄 질화막 같은 금속 박막을 형성하는 박막 형성 장치를 예로 들어 설명을 하나, 반도체 제조 공정 중에 필요한 절연성 박막, 도전성 박막을 형성하는 모든 박막 형성 장치들, 예를 들어 CVD 장치, PVD 장치, MOCVD 장치, 원자층 형성 장치(ALCVD), 확산 장치, 노(furnace) 등에 적용될 수 있으며, 또한, 반도체 제조 공정에 국한되지 않고 반응가스를 사용 하여 박막을 형성하는 모든 박막 형성 장치들에도 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 장치의 개략적인 단면을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 박막 증착 장치(200)는 공정 챔버(210), 서셉터(susceptor)(220), 분사부(shower head)(230), 제1 공급관(242), 제2공급관(244), 그리고 배출관(246)을 포함한다.
서셉터(220)는 웨이퍼(W)가 놓이는 부분으로 공정 챔버(210) 내의 저면에 배치된다. 공정 챔버(210) 내부를 반응가스의 분해온도 이상으로 유지하고, 웨이퍼(W) 상에 반응가스들의 증착이 원활하게 이루어지도록 웨이퍼(W)를 고온으로 가열하기 위해, 서셉터(220) 내에는 히터가 설치된다. 보통 웨이퍼(W)는 500℃ 이상으로 가열되므로, 서셉터(220)는 예를 들어 히터에 의해 600℃ 이상으로 상승한다.
공정 챔버(210) 내 상부에는 서셉터(220)와 대향 되도록 설치되는 샤워헤드와 같은 분사부(230)가 위치된다. 분사부(230)는 공정 챔버(210) 내로 유입된 반응가스들을 아래로 분사하는 부분으로 공정 챔버(210)의 상부면에 결합한다.
공정 챔버(210)의 일측면 또는 바닥면에는 공정 챔버(210) 내부를 일정한 공정압력으로 유지하고, 증착 후 남은 잔류물들을 외부로 배기하는 배기라인(246)이 형성된다. 배기라인(246)에는 펌프(247)가 연결된다.
분사부(230)는 상부에 위치되는 제1유입부(231)와 하부에 위치되는 제2유입부(232)를 가진다. 제1유입부(231)와 제2유입부(232) 사이에는 제1분사판(237)이 위치되어 제1유입부(231)와 제2유입부(232)를 분리하며, 제2유입부(232) 아래에는 제2분사판(238)이 형성된다. 제1분사판(237)에는 복수의 제1홀들(233)이 형성되고, 제2분사판(238)에는 제1홀들(233)과 각각 대응되는 위치에 제2홀들(234)이 형성되고, 제2홀들(234) 사이에 제3홀들(235)이 형성된다. 제1홀(233)과 제2홀(234)에는 분사관(236)들이 삽입된다.
제1유입부(231)는 제1공급관(242)에 연결되고 제2유입부(232)는 제2공급관(244)에 연결된다. 제1공급관(242) 및 제2공급관(244)으로는 반응가스가 각각 유입될 수 있는 데, 박막을 형성할 경우에는 소스가스들이 각각 유입되고, 세정 공정을 진행할 경우에는 세정가스가 유입된다.
예를 들어 박막을 형성할 경우에 제1유입부(231)로는 제1공급관(242)을 통해서 제1반응가스가 유입되며, 제2 유입부(232)로는 제2공급관(244)을 통해서 제2반응가스가 유입된다. 티타늄 질화막을 형성할 경우에 있어서, 제1반응가스는 티타늄 소스가스고 제2반응가스는 질소 소스가스일 수 있다. 또는 그 반대의 경우일 수 있다. 티타늄 소스 가스는 TiCl4를 포함하고 질소 소스 가스는 N2를 포함할 수 있다.
제1공급관(242) 및 제2공급관(244)으로 공급되는 반응가스는 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 필요한 반응가스의 수에 따라 공급관의 개수도 적절하게 조절될 수 있다.
퍼지가스, 운송가스 등이 필요할 경우 별도의 공급관들이 더 구비될 수 있다. 또 운송가스의 경우 반응가스와 함께 동일한 공급관을 통해서 공정 챔버(210) 내로 유입될 수 있다.
이상에서 설명을 한 박막 증착 장치(200)를 사용하여 티타늄 질화막을 형성 하는 방법을 간단히 설명한다. 반응 챔버(210) 내부로 웨이퍼(W)를 집어넣는다. 반응 챔버(210) 내의 압력 및 온도를 적절하게 조절을 한다. 예컨대 반응 챔버(210) 내의 온도는 히터를 사용하여 약 600℃ 정도로 유지한다. 제1공급관(242)으로 티타늄 소스 가스로서 TiCl4을 공급하고 제2공급관(244)으로 질소 소스 가스로서 N2를 공급한다. 티타늄 소스 가스는 아르곤 또는 수소와 같은 운송 가스와 함께 공급될 수 있다. 분사부(230)를 통해 반응 챔버(210) 내부로 유입된 TiCl4 및 N2가 열분해 되고 화학반응을 통해 웨이퍼(W) 상에 티타늄 질화막이 형성된다.
웨이퍼(W) 상에 원하는 두께의 티타늄 질화막이 형성되면, 소스 가스들의 공급을 중단하고 공정 챔버(210) 내부에 잔류하는 소스 가스들을 배기관(246)을 통해서 공정 챔버(210) 밖으로 배출한다. 다음으로, 박막 형성 장치(100)를 세정하는 방법에 대해서 설명을 하기로 한다. 티타늄 질화막 형성 공정이 종료된 후, 반응 챔버(210)의 온도를 크게 하강시키지 않거나 그대로 유지한 채로 또는 오랜 시간 지체하지 않고 즉시 세정 공정을 진행한다. 세정 공정에 대해서는 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명을 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세정 방법에서 세정가스 및 퍼지가스를 주입하는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따르면 공정 챔버를 세정하기 위해서 세정가스로서 ClF3가 사용한다. 세정가스로는 ClF3 뿐만 아니라, 예를 들어 F2, CF4, C2F6, NF3, SF6 등의 불소계 가스가 사용될 수 있으며 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다. 보다 효과적인 세정 공정이 이루어지도록 퍼지가스가 사용될 수 있다. 퍼지가 스로서 예를 들어 질소 가스(N2), 또는 아르곤 가스(Ar) 같은 불활성 가스가 사용될 수 있다. 특히 세정 공정에서 퍼지가스로 N2를 사용할 경우 이점이 있다. 퍼지가스인 N2는 이전의 티타늄 질화막 형성 공정에서 질소 소스와 동일하다. 따라서, 원하는 두께의 티타늄 질화막이 형성되면 질소 소스의 공급은 계속 유지한 채로 티타늄 소스의 공급만을 중단하고 세정가스인 ClF3를 공급하면 곧 바로 세정 공정이 진행된다. 즉, 증착과 세정 공정이 중단 없이 거의 연속적으로 이루어질 수 있다. 또한, 퍼지가스를 위해서 추가적인 공급관이 필요치 않기 때문에 설비를 줄일 수 있다. 이 같은 이점 내지 장점들은 세정 공정을 진행한 후 박막 형성 공정을 진행하는 경우에도 동일하게 적용된다.
세정가스인 ClF3는 별도의 공급관을 통해서 공정 챔버(210) 내로 유입되거나 제1공급관(242) 또는 제2공급관(244)을 통해서 유입될 수 있다. 퍼지가스도 제1공급관(242) 또는 제2공급관(244)을 통해서 유입될 수 있다. 위에서 언급한 것처럼, 질소 가스를 퍼지가스로 사용할 경우 제2공급관(242)으로 퍼지가스를 유입하는 것이 좋다.
다시 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 세정 방법에서 세정가스는 짧은 간격을 두고 반복적으로 공급되며 퍼지가스는 연속적으로 공급된다. 즉, N2 가스를 공정 챔버(210) 내로 공급하면서, ClF3 가스를 주기적으로 공급한다. 주기적으로 공급한다는 것은 일정시간 ClF3 가스를 공급하고, 일정시간 공급을 중단하는 것을 반 복적으로 실시하는 것을 의미한다, ClF3 가스의 공급을 중단한 시간 동안, 퍼지용 가스에 의해, 반응부산물과 잔류한 식각 가스를 배기관(246)으로 배출한다.
공정 챔버(210) 내부에 잔류하는 오염성 티타늄 질화막은 다음과 같은 반응에 의해 제거되는 것으로 이해된다.
ClF3 → Cl2 + F --- 반응식(1)
TiN + F → TiF4 + N2 --- 반응식(2)
반응식(1)을 통해서 불화염소(ClF3)가 분해되어 불소(F)가 발생하고 발생한 불소(F)가 반응식(2)를 통해서 티타늄 질화막과 반응하여 휘발성 부산물 불화티탄(TiF4)이 생성되면서 티타늄 질화막이 제거된다.
본 실시 예에서 세정가스의 공급 주기(T1)는 공정 챔버 내부의 손상을 최소화시키도록 설정되는 것이 바람직하며, 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 범위에서 적절히 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 형성 장치를 세정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시 예에 따르면, 앞서 도 3을 참조하여 설명을 한 실시 예와 달리 퍼지가스가 주기적으로 공급된다. 즉, 본 실시 예에서는 세정가스인 ClF3 가스를 공정 증착 챔버내로 주기적으로 공급하면서, 퍼지용 가스도 주기적으로 공급한다. 이때, ClF3 가스와 퍼지가스를 교대로 주입을 한다. 여기서, 퍼지가스의 공급 주기(T2)는 세정가스의 공급 주기(T1)과 동일하거나, 작거나 또는 크게 설정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 세정 방법은 세정가스에 의한 챔버의 내벽 손상을 억제할 수 있고, 박막을 증착한 후 시간 지연 없이 챔버의 내벽 및 내부의 부품에 잔류하는 박막을 을 제거할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 박막 형성 장치의 세정에 있어서,
    상기 박막 형성 장치의 공정 챔버내에 퍼지 가스를 공급하고 상기 공정 챔버내에 세정가스를 주기적으로 공급하는 것을 포함하는 세정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 퍼지가스는 상기 세정가스와 교대로 주입되도록 주기적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 공정 챔버의 온도는 300℃ 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 퍼지가스는 N2 또는 Ar 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 공정 챔버는 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 세정가스는 불소계 가스인 세정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 불소계 가스는 ClF3, F2, CF4, C2F6, NF3, SF6 를 포함하는 세정 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 퍼지가스는 적어도 상기 세정가스가 공급되지 않는 구간 중에 공급되는 세정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 세정가스는 ClF3, F2, CF4, C2F6, NF3, SF6 를 포함하는 세정 방법.
  10. 박막 형성 장치를 이용한 박막 형성 방법에 있어서,
    제1반응가스 및 제2반응가스를 상기 박막 형성 장치의 공정 챔버로 공급하여 박막을 형성하고;
    상기 제1반응가스의 공급을 중단하고; 그리고
    상기 공정 챔버로 세정가스를 주기적으로 공급하는 것을 포함하는 박막 형성 방법.
  11. 청구항 10항에 있어서, 상기 제2반응가스는 상기 제1반응가스의 공급이 중단된 이후부터는 주기적으로 공급되는 박막 형성 방법.
  12. 청구항 11항에 있어서, 상기 제2반응가스 및 상기 세정가스는 교대로 공급되는 박막 형성 방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 제1반응가스는 TiCl4 이고 제2반응가스는 N2인 박막 형성 방법.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 세정가스는 ClF3, F2, CF4, C2F6, NF3, SF6 를 포함하는 박막 형성 방법.
  15. 박막 형성 장치를 이용한 박막 형성 방법에 있어서,
    상기 박막 형성 장치의 제1공급관을 통해 제1반응가스를 그리고 상기 박막 형성 장치의 제2공급관을 통해 제2반응가스를 상기 박막 형성 장치의 공정 챔버로 공급하여 박막을 형성하고;
    상기 제1공급관으로의 상기 제1반응가스의 공급을 중단하고; 그리고
    세정가스를 상기 공정 챔버로 주기적으로 공급하는 것을 포함하는 박막 형성 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 세정가스는 상기 제1공급관으로 공급되는 박막 형성 방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 제2반응가스는 상기 제1반응가스가 중단된 이후부터는 주기적으로 공급되는 박막 형성 방법.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 제1반응가스를 중단할 때, 상기 제2반응가스도 중단하며,
    상기 제1반응가스 및 제2반응가스가 중단된 이후에 퍼지가스를 상기 공정 챔버로 공급하는 것을 더 포함하는 박막 형성 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 제1반응가스는 TiCl4 이고 제2반응가스는 N2인 박막 형성 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 세정가스는 ClF3, F2, CF4, C2F6, NF3, SF6 를 포함하는 박막 형성 방법.
KR1020060011850A 2006-02-07 2006-02-07 박박 형성 장치의 세정 방법 및 이를 이용한 박막 형성방법 KR100706810B1 (ko)

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