KR100794661B1 - 기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치 및 그 기판 처리 장치의 세정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 기판 처리 장치는 반응챔버와, 상기 반응챔버의 내부에 배치되고 플라즈마를 발생시키는 제1 전극을 구성하며 기판을 장착하여 가열시키는 스테이지 히터와, 상기 반응챔버의 내부에 배치되고 상기 플라즈마를 발생시키는 제2 전극을 구성하며 상기 반응챔버의 내부로 반응가스를 제공하는 샤워헤드와, 상기 반응챔버의 외부에 배치되고 세정가스를 활성화시켜 상기 반응챔버로 제공하는 원격 플라즈마 발생기와, 상기 반응챔버와 상기 원격 플라즈마 발생기와의 사이에 배치되고 상기 반응가스와 상기 세정가스를 상기 샤워헤드로 제공하는 가스 전달기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명 장치를 이용하여 원격 플라즈마와 인시튜 플라즈마로써 세정가스를 활성화시키면 짧은 시간 동안에 효율적으로 반응챔버 내부를 세정할 수 있게 된다.
반도체, 원격 플라즈마 세정, 인시튜 플라즈마

Description

기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법{SUBSTRATE TREATMENT APPARATUS AND METHOD}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NF3를 세정가스로 채택한 세정방법과 종래 ClF3를 세정가스로 채택한 세정방법에 있어서 온도 설정 및 소요 시간을 비교하여 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치의 세정 방법을 도시한 흐름도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100; 기판 처리 장치 110; 반응챔버
111; 챔버리드 113; 챔버몸체
115,117,119; 히터 116,118,120,171; 온도제어기
130; 샤워헤드 133,135; 분사구
136,146; 고주파 전원 140; 원격 플라즈마 발생기
142,144,152,154,156,160; 라인 150; 가스전달기
142A,152A,154A,162; 밸브 164; 진공펌프
170; 스테이지 히터
본 발명은 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 기판의 처리 장치 및 그 기판 처리 장치의 세정 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조는 다수의 챔버에서 이루어지며, 이들 챔버에서 화학기상증착과 같은 반도체 공정 처리가 수행된다. 이들 처리들은 챔버의 내벽에 원하는 않는 물질을 축적시킨다. 예를 들어, 기판 위에 반도체 집적회로를 형성함에 있어서 확산방지막으로서 기능을 하는 배리어는 주로 타이타늄(Ti) 또는 타이타늄 나이트라이드(TiN)를 화학기상 증착법을 이용하여 형성하는데, 이러한 Ti 또는 TiN을 기판 위에 형성하는 경우 챔버 내벽에도 이들이 증착되어 축적된다. 챔버 내벽에 축적된 이들 물질들은 파티클로 작용하므로 세정 가스로써 제거시킬 필요가 있다.
이들을 제거하는 하나의 방법으로는 염소 가스(Cl2)를 세정 가스로 채택하고 대략 650℃ 정도의 온도하에 열적 식각(Thermal Etch)하는 것이다. Cl2 가스를 이용한 세정은 아래 반응식 1 또는 2에서와 같이 진행된다.
Ti(s) + Cl2(g) → TiCl4(g)
TiN(s) + Cl2(g) → TiCl4(g) + N2(g)
그러나, 위와 같은 세정법에 있어서 Cl2 가스는 반응성이 비교적 낮기 때문에 매 기판마다 챔버 세정을 실시하고 있는 실정이어서 생산량 향상에 걸림돌이 되고 있다.
다른 세정 방법으로는 세정 가스로서 ClF3 가스를 채택하고 대략 230℃ 내지 250℃ 정도의 온도 조건으로 열적 식각(Thermal Etch)하는 것이 있다. ClF3 가스를 이용한 세정은 아래 반응식 3 또는 4에서와 같이 진행된다.
Ti(s) + ClF3(g) → TiF4(g) + Cl2(g)
TiN(s) + ClF3(g) → TiF4(g) + Cl2(g) + N2(g)
이러한 불소 세정법은 앞서 언급한 염소 세정법에 비해 뛰어난 세정효과를 가지고 있다. 그런데, 불소 세정법은 불소의 반응성이 비교적 뛰어나므로 챔버 내부에 있는 부품에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 우수한 세정효과를 얻을 수 있으면서도 챔버 내부의 부품을 손상시키지 않는 장치 및 세정 방법의 필요성이 있는 것이다.
본 발명은 종래 기술에서의 요구 내지는 필요에 부응하기 위하여 안출된 것 으로, 본 발명의 목적은 챔버 내부의 부품을 손상시키지 않고 우수한 세정효과를 얻을 수 있는 기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법은 불소계 가스를 세정 가스로 채택하고 원격 플라즈마 세정 처리를 도입한 것을 특징으로 한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 반응챔버와; 상기 반응챔버의 내부에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 제1 전극을 구성하며 기판을 장착하여 가열시키는 스테이지 히터와; 상기 반응챔버의 내부에 배치되고, 상기 플라즈마를 발생시키는 제2 전극을 구성하며 상기 반응챔버의 내부로 반응가스를 제공하는 샤워헤드와; 상기 반응챔버의 외부에 배치되고, 세정가스를 활성화시켜 상기 반응챔버로 제공하는 원격 플라즈마 발생기와; 상기 반응챔버와 상기 원격 플라즈마 발생기와의 사이에 배치되고, 상기 반응가스와 상기 세정가스를 상기 샤워헤드로 제공하는 가스 전달기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 가스 전달기는 상기 반응가스가 도입되는 제1 라인과, 상기 원격 플라즈마 발생기로부터 상기 세정가스를 도입받는 제2 라인과, 상기 반응가스와 상기 세정가스를 상기 샤워헤드로 제공하는 제3 라인과 조합된다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 반응가스는 제1 가스와 제2 가스를 포함하고, 상기 제1 라인은 상기 제1 및 제2 가스가 별개로 도입되는 라인들을 포함하고, 상기 제3 라인은 상기 제1 및 제2 가스를 상기 샤워헤드로 별개로 제공하는 라인들을 포함한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 샤워헤드는 상기 제1 가스가 제공되는 제1 공간과 상기 제2 가스가 제공되는 제2 공간이 상하로 구분된다. 상기 샤워헤드는 상기 제1 공간으로 제공된 제1 가스를 상기 반응챔버의 내부로 제공하는 복수개의 제1 분사구와 상기 제2 공간으로 제공된 제2 가스를 상기 반응챔버의 내부로 제공하는 복수개의 제2 분사구를 포함한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 세정가스는 상기 제1 및 제2 공간으로 제공되고, 상기 제1 및 제2 분사구를 통해 상기 반응챔버의 내부로 제공된다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 원격 플라즈마 발생기에 고주파 파워를 인가하는 제1 고주파 전원과, 상기 샤워헤드에 고주파 파워를 인가하며 상기 제1 고주파 전원과는 독립적으로 동작하는 제2 고주파 전원을 더 포함한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 반응챔버의 상부 외측면에 배치되고, 상기 샤워헤드를 지정된 온도로 설정하는 히터를 더 포함한다. 상기 반응챔버의 측부 외측면 및 하부 외측면 중 어느 하나 또는 양자에 상기 반응챔버를 지정된 온도로 유지시키는 히터를 더 포함한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 반응챔버와는 배기라인을 통해 조합되고, 상기 반응챔버를 지정된 압력으로 설정하는 진공펌프를 더 포함한다.
본 실시예의 장치에 있어서, 상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질 소(NF3)를 포함한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치의 세정 방법은, 원격 플라즈마 발생기에서 원격 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계와; 상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마 반응으로 상기 반응챔버의 내부를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계와 동시에, 또는 그 이전에, 또는 그 이후에 진행된다.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 원격 플라즈마 발생기에서 원격 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 원격 플라즈마 발생기로 제1 가스를 제공하는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기를 방전시키는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기로 제2 가스를 제공하는 단계와; 상기 제2 가스를 활성화시켜 제1 라디칼을 생성시키는 단계를 포함한다.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계는, 상기 제1 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 반응챔버로 상기 제1 가스를 제공하는 단계와; 상기 반응챔버를 방전시키는 단계를 포함한다.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 가스는 플라즈마 점화가스를 포함하고, 상기 제2 가스는 세정가스를 포함한다. 상기 세정가스는 염소가 배제된 할로겐 가스, 가령 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함한다. 상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 기판 처리 장치의 세정 방법은, 원격 플라즈마 발생기와 반응챔버를 구비한 기판 처리 장치를 제공하는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기에 플라즈마 점화가스를 제공하는 단계와; 상기 플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버로 제공하는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기를 플라즈마 방전시키는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기에 세정가스를 제공하는 단계와; 상기 세정가스를 활성화시켜 라디칼을 생성시키는 단계와; 상기 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계와; 상기 반응챔버를 플라즈마 방전시키는 단계와; 상기 라디칼의 반응으로 상기 반응챔버의 내부에 축적된 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계와 상기 반응챔버를 플라즈마 방전시키는 단계는, 동시에 진행되거나 또는 어느 하나의 단계가 다른 단계 이후에 진행된다.
본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함한다. 상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함한다. 상기 라디칼은 불소 라디칼을 포함한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 변형 실시예에 따른 기판 처리 장치의 세정 방법은, 반응챔버를 증착 공정 온도로보터 세정 처리 온도로 설정하는 단계와; 상기 세정 처리 온도에서 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마에 의해 활성화된 세정가스로써 상기 반응챔버의 내부에 증착 축적된 물질을 제거하는 단계와; 상기 반응챔버를 상기 처리 온도로부터 상기 증착 공정 온도로 설정하는 단계와; 상기 증착 공정 온도에서 상기 증착 공정의 예비적 테스트를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 다른 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 세정 처리 온도에서 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마에 의해 활성화된 세정가스로써 상기 반응챔버의 내부에 증착 축적된 물질을 제거하는 단계는, 상기 원격 플라즈마를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 병행하여 상기 반응챔버에서 상기 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 다른 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 원격 플라즈마를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 병행하여 상기 반응챔버에서 인시튜로 플라즈마를 발생시키는 단계는, 플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버의 외부에 배치된 원격 플라즈마 발생기로 제공하는 단계와; 상기 플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버로 제공하는 단계와; 상기 원격 플라즈마 발생기를 방전시켜 상기 원격 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 세정가스를 상기 원격 플라즈마 발생기로 제공하여 상기 세정가스를 활성화시키는 단계와; 상기 활성화된 세정가스를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 동시에 상기 반응챔버를 방전시켜 상기 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 다른 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함하고, 상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함한다.
본 다른 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 증착 공정 온도에서 상기 증착 공정의 예비적 테스트를 진행하는 단계는, 상기 반응챔버로 더미 기판을 투입하고, 상기 더미 기판을 대상으로 상기 증착 공정을 진행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, NF3 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마 방식을 병행함으로써 비교적 짧은 시간 동안에 효율적인 세정 처리를 할 수 있게 된다. 또한, 비교적 고온에서 세정을 실시함으로써 온도 하강 및 상승에 따른 세정시간의 지연을 줄일 수 있고 챔버 내부의 식각 손상을 줄일 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 기판 처리 장치 및 그 장치의 세정 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
(실시예)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다. 도 1 을 참조하면, 본 발명 실시예의 기판 처리 장치(100)는 반응챔버(110)를 갖는다. 반응챔버(110)는 하부의 챔버몸체(113)가 상부의 챔버리드(111)로 덮혀 있어 그 내부공간(114)이 밀폐된다. 반응챔버(110)에는 배기라인(160)이 마련된다. 배기라인(160)에는 밸브(162)가 배치되고 진공펌프(164)와 조합된다. 진공펌프(164) 및 밸브(162)의 구동에 의해 내부공간(114)은 일정한 압력으로 지정된다.
반응챔버(110)의 내부공간(114) 중 바닥면(114C)에는 기판(W)을 장착하며 기판(W)을 지정된 온도로 가열하는 히터 역할을 하는 스테이지 히터(170)가 배치된다. 스테이지 히터(170)는 온도조절기(171)와 전기적으로 연결되어 있고, 온도조절기(171)는 스테이지 히터(170)의 온도를 적절하게 조절한다. 스테이지 히터(170)는 접지되어 있고 플라즈마를 발생시키는 하부전극으로 이용된다. 반응챔버(110)의 내부공간(114)의 온도는 주로 스테이지 히터(170)의 온도에 의존한다.
반응챔버(10)의 내부공간(114) 중 천정면(114A)에는 스테이지 히터(170)와 마주보도록 배치되어 반응가스를 기판(W)에 도입시키는 샤워헤드(130)가 배치된다. 샤워헤드(130)는 고주파 전원(136)과 전기적으로 연결되어 있어 고주파 전원(136)으로부터 고주파를 인가받는다. 이에 따라, 샤워헤드(130)는 플라즈마를 발생시키는 상부전극으로 이용된다. 반응챔버(110)의 상부 외측면(111A)에는 샤워헤드(130)를 지정된 온도로 가열하는 히터(115)가 배치된다. 히터(115)는 온도조절기(116)에 전기적으로 연결되어 있고, 온도조절기(116)는 샤워헤드(130)의 온도를 적절히 조절한다.
반응챔버(110)의 측부 외측면(113B)에 히터(117)가 배치되고, 하부 외측 면(113A)에 히터(119)가 배치된다. 히터(117)는 온도조절기(118)에 전기적으로 연결되고 히터(119)는 온도조절기(120)에 전기적으로 연결되어 있어 내부공간(114)이 지정된 온도로 일정하게 유지된다.
샤워헤드(130)는 반응가스 일부가 도입되는 공간(132A)을 형성하는 상부 샤워헤드(132)와 반응가스 일부가 도입되는 공간(134A)을 형성하는 하부 샤워헤드(134)로 구성된 다층 구조이다. 일례로서, 공간(132A)으로는 TiCl4 가스가 도입되고 공간(134A)으로는 NH3 가스가 도입됨으로써 TiCl4 가스와 NH3 가스가 내부공간(114)으로 제공되기 이전에 미리 혼합됨으로써 야기되는 파티클 발생을 억제한다. 공간(132A)으로 도입된 TiCl4 가스는 분사구(133)를 통해 내부공간(114)으로 제공되고, 공간(134A)으로 도입된 NH3 가스는 분사구(135)를 통해 내부공간(114)으로 제공되고, 화학반응으로 인해 기판(W) 상에 TiN 박막이 증착된다. 내부공간(114)에서의 화학기상증착 반응은 열 또는 플라즈마에 의한 에너지 공급으로 구현된다.
반응챔버(110)의 외부에는 반응가스를 샤워헤드(130)로 전달하는 가스 전달기(150)가 마련된다. 가스 전달기(150)에는 반응가스가 도입되는 라인(152,154)과, 샤워헤드(130)의 각 공간(132A,134A)으로 반응가스를 제공하는 라인(156,158)이 조합된다. 예를 들어, 라인(154)을 통해서는 기판(W)에 증착할 박막 소스를 포함하는 가스가 도입되고, 라인(152)을 통해서는 환원성 가스또는 반응성 가스가 도입된다. 반대로, 라인(152)을 통해서 기판(W)에 증착할 박막 소스를 포함하는 가스가 도입되고, 라인(154)을 통해서 환원성 가스 또는 반응성 가스가 도입되도록 설계할 수 있다. 각 라인(152,154)에는 가스의 흐름을 단속하는 밸브(152A,154A)가 각각 구비된다.
앞서 언급한 일례와 같이, 박막 소스 가스로는 TiCl4를 채택하고 환원성 가스로는 H2를 채택하고 반응성 가스로는 N2 또는 NH3를 채택하는 경우, 라인(154)을 통해 가스전달기(150)로 도입된 TiCl4는 라인(156)을 통해 공간(132A)으로 제공되고, 분사구(133)를 통해 내부공간(114)으로 공급된다. 라인(152)을 통해 가스전달기(150)로 도입된 H2, N2 또는 NH3는 라인(158)을 통해 공간(134A)으로 제공되고, 분사구(135)를 통해 내부공간(114)으로 제공된다. 반대로, 라인(152)을 통해 TiCl4가 제공되고, 라인(154)을 통해 H2, N2 또는 NH3가 제공되도록 설계될 수 있다. 라인(152,154)은 TiCl4로부터 유래되는 염소(Cl2)에 의한 부식을 가급적 억제하기 위해 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)을 함유한 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.
반응챔버(110)의 내부공간(114)으로 제공된 반응가스들은 고주파 전원(136)으로부터 인가된 고주파 파워에 의해 플라즈마 상태로 여기되어 화학반응을 일으킨다. 혹은, 반응챔버(110)의 내부공간(114)으로 제공된 반응가스들은 스테이지 히터(170) 및 샤워헤드(130)의 가열로 인한 열에 의해 화학반응을 일으킨다. 플라즈마 또는 열에 의한 에너지 공급으로 환원 또는 화학반응에 의해 기판(W) 상에는 Ti 또는 TiN 박막이 증착된다. Ti 또는 TiN는 기판(W) 이외에 샤워헤드(130) 및 스테이지 히터(170)를 비롯한 반응챔버(130)의 내벽(114A,114B,114C)에도 증착된다.
반응챔버(110)의 외부에는 원격 플라즈마 발생기(140;Remote Plasma Generator)가 마련된다. 라인(144)을 통해 세정 가스가 원격 플라즈마 발생기(140)로 도입되고 고주파 전원(146)으로부터 고주파가 원격 플라즈마 발생기(140)로 인가되어 플라즈마가 발생한다. 고주파 전원(146)은 고주파 전원(136)과는 독립적으로 동작한다. 원격 플라즈마 발생기(140)에서 발생한 플라즈마는 라인(142)을 통해 가스전달기(150)로 제공되고, 라인(156,158)을 통해 샤워헤드(130)의 각 공간(132A,134A)으로 제공된다. 각 공간(132A,134A)으로 제공된 플라즈마는 분사구(133,135)를 통해 반응챔버(110)의 내부공간(114)으로 공급된다. 라인(142)에는 밸브(142A)가 구비되어 있어 플라즈마의 흐름이 단속된다.
주지된 바와 같이 F2, ClF3, Cl2, NF3와 같은 할로겐 가스(Halide gas)를 세정가스로 채택하는 것이 통상적이다. 이들 할로겐 가스의 금속과의 반응성은 F2 > ClF3 > Cl2 > NF3 순으로 나타난다고 알려져 있다. 그런데, Cl2는 다른 할로겐 가스에 비해 반응성이 비교적 낮으므로 기판(W) 매장마다 세정하여야 하는 번거로움이 있다. 따라서, Cl2를 세정가스로 채택하는 것은 부적합하다고 할 수 있다.
Cl2 가스의 대안으로 ClF3를 세정가스로 채택하는 경우 ClF3는 다른 할로겐 가스에 비해 비교적 반응성이 좋으므로 대략 500매 내지 1000매의 기판(W)에 대한 증착 처리후 세정처리를 진행하여도 비교적 우수한 세정효과를 얻을 수 있다. 그러나, 반응성이 비교적 크기 때문에 반응챔버(110)의 내부공간(114)에 있는 샤워헤 드(130) 또는 스테이지 히터(170)를 비롯한 각종의 부품에 식각 손상을 초래할 수 있다. 특히, 공정 온도를 조절하는 스테이지 히터(170)는 TiCl4 CVD 공정 특성상 650℃ 내지 700℃에서 사용된다. 그런데, 이 온도에서는 ClF3로부터 유래하는 염소(Cl2)가 스테이지 히터(170)의 재질인 알루미늄나이트라이드(AlN)와 반응함으로써 AlxFy 또는 AlxCly가 생성된다. 즉, ClF3 가스에 의해 스테이지 히터(170)까지도 식각되는 것이다. 이러한 현상은 샤워헤드(130)의 재질이 알루미늄이나 알루미늄나이트라이드인 경우에도 마찬가지이다.
이러한 이유로 ClF3를 이용한 세정에 있어서는 스테이지 히터(170) 및 샤워헤드(130)를 비롯한 반응챔버(110) 내부의 각종 부품의 손상이 일어나지 않도록 대략 250 내지 300℃까지 온도를 떨어뜨린 후 세정처리를 진행하여야 하는 제약이 있다. 그러므로, ClF3를 이용한 세정은 반응챔버(110) 내의 온도를 650℃ 내지 700℃로부터 250℃ 내지 300℃까지 떨어뜨리기 위해 대략 2시간 이상의 시간이 필요하다. ClF3는 상술한 부식 문제와 온도 하강 문제에 의해 세정가스로 채택하기엔 적합하지 않다는 것을 알 수 있다.
그러므로, 후술한 바와 같이 염소(Cl2)가 배제된 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 세정가스로 채택하는 것이 적합하다. 특히, NF3는 다른 할로겐 가스에 비해 반응성이 낮아서 반응챔버(110) 내부에 손상을 유발하지 않는다. F2는 염소 성분 이 결여되어 있기 때문에 스테이지 히터(170), 샤워헤드(130) 및 기타 반응챔버(110) 내의 부품이 알루미늄이나 알루미늄나이트라이드 등으로 구성되어 있다하더라도 염소에 의한 식각 현상이 나타나지 않는다.
본 실시예에 있어서 NF3를 이용한 세정은 원격 플라즈마와 인시튜 플라즈마를 동시에 이용한다. 구체적으로, 원격 플라즈마 발생기(140)에서 발생되는 불소 라디칼을 포함한 플라즈마를 반응챔버(110)로 제공하고, 또한 고주파 전원(136)으로부터 유래하는 고주파 전원을 샤워헤드(130)로 인가하여 접지된 스테이지 히터(170)와의 사이에서 인시튜(in-situ)로 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라, 반응챔버(110)의 내부공간(114)은 충분히 활성화된 불소 라디칼로 채워진다. 이에 따라, 내부공간(114)에 축적된 Ti 또는 TiN와 불소 라디칼과의 반응으로 기상의 TiF4가 생성됨으로써 우수한 식각효율을 나타내는 것이다. 더욱이, 스테이지 히터(170)의 온도를 350℃ 내지 450℃ 정도로 유지하여도 스테이지 히터(170)의 식각 손상을 유발하지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NF3를 세정가스로 채택한 세정방법과 종래 ClF3를 세정가스로 채택한 세정방법에 있어서 온도 설정 및 소요 시간을 비교하여 도시한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 종래 ClF3를 이용한 세정은 반응챔버(110) 내의 온도를 하강시키는 단계(A1 단계)와 세정 단계(B1 단계)와 반응챔버(110) 내의 온도를 상승시키는 단계(C1 단계)와 반응챔버(110) 내의 분위기 조성 단계(D1 단계) 로 구분지어 볼 수 있다.
A1 단계에서는 반응챔버(110) 내의 온도를 TiCl4 CVD 공정온도인 대략 600 내지 700℃, 가령 650℃로부터 스테이지 히터(170)의 식각손상을 유발하지 않는 온도인 약 200 내지 300℃, 가령 250℃ 정도로 낮추는데 필요한 시간이 약 2시간 20분 정도 걸린다. B1 단계에서는 250℃ 정도의 온도 조건에서 대략 2시간 정도의 시간이 소요된다. C1 단계에서는 세정온도인 250℃로부터 TiCl4 CVD 공정온도인 650℃ 정도로 올리는데 약 1시간 10분 정도의 시간이 소요된다. D1 단계에서는 반응챔버(110) 내의 온도를 650℃ 정도로 설정한 상태에서 반응챔버(110) 내의 분위기 조성을 위해 약 1시간 20분 정도의 시간이 소요된다. 이상과 같이, 종래의 ClF3를 이용한 세정에 있어서는 세정시간 2시간을 포함하여 총 7시간 이상의 시간이 필요하다. 세정가스로서 Cl2를 채택한 경우의 그래프 궤적은 이와 유사하게 그려진다.
유사하게, 본 실시예서와 같이 NF3를 이용한 세정방법에 있어서도 반응챔버(110) 내의 온도를 하강시키는 단계(A2 단계)와 세정 단계(B2 단계)와 반응챔버(110) 내의 온도를 상승시키는 단계(C2 단계)와 반응챔버(110) 내의 분위기 조성 단계(D2 단계)로 구분지어 볼 수 있다.
A2 단계에서 스테이지 히터(170)의 온도를 증착 공정 온도인 600 내지 700 ℃, 가령 650℃로부터 대략 350 내지 450℃ 정도로만 낮추어도 NF3에 의한 스테이지 히터(170)의 식각 현상이 나타나지 않는다. 따라서, 반응챔버(110) 내의 온도를 하강시키는데 소요되는 시간은 A1 단계에서의 소요시간에 비해 축소되어진다. B2 단계에서는 원격 플라즈마 발생기(140)에서 발생한 플라즈마에 의해 활성화된 불소 라디칼을 포함한 NF3가 반응챔버(110)로 제공되고, 이와 동시에 반응챔버(110)에서 인시튜로 플라즈마를 발생시키면 불소 라디칼의 생성이 극대화되어 세정효율이 높아진다. 따라서, 세정에 소요되는 시간 역시 B1 단계에서의 소요시간에 비해 매우 짧아진다. C2 단계에서 세정온도가 대략 350 내지 450℃ 정도로 높기 때문에 온도 상승에 필요한 시간 역시 C1 단계에서의 소요시간에 비해 매우 축소된다. D2 단계는 반응챔버(110) 내의 분위기 조성에 필요한 시간이므로 D1 단계에서의 소요시간과 거의 비슷하다. 본 실시예의 NF3를 이요한 세정을 종래의 ClF3를 이용한 세정과 비교하여 보면, 세정효율이 높으면서도 세정에 소요되는 시간은 대략 3시간 정도만이 소요된다. 세정가스로서 F2를 채택한 경우에 있어서도 NF3 세정 그래프와 유사하게 그려진다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 세정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3을 도 1과 같이 참조하면, 반응챔버(110)로부터 Ti 또는 TiN 층착 처리된 기판(W)을 언로딩시켜 세정 공정을 준비한다. 세정 공정은 500 매 내지 1000매의 기판(W)에 대한 증착 공정 처리후 진행할 수 있다. 세정 공정을 준비하는 단계에서 반응챔버(110)의 온도를 TiCl4 CVD 공정 온도인 약 600 내지 700℃, 가령 650℃로부터 세정 처리온도인 약 350 내지 450℃ 정도로 하강시킨다. 온도의 하강은 스테이지 히터(170)의 온도를 350 내지 450℃ 정도로 지정함으로써 이루어질 수 있다.
라인(144)을 통해 아르곤(Ar)을 원격 플라즈마 발생기(140)로 유입시킨다(S100). 또한, 반응챔버(110)로도 아르곤(Ar)을 유입시킨다(S200). 반응챔버(110)로의 아른곤 유입은 원격 플라즈마 발생기(140)로 유입된 아르곤을 라인(142,156,158)을 통해 내부공간(114)으로 제공됨으로써 구현된다. 아른곤 유입은 반응챔버(110)의 온도가 하강하는 동안에 이루어질 수 있거나 온도 하강 이후에 이루어질 수 있다. 아르곤은 플라즈마 점화를 위해 도입되는 것이므로, 아르곤 이외에 플라즈마 점화에 적합한 가스(예; 불활성 가스)이면 아른곤을 대체하여 사용될 수 있다.
고주파 전원(146)에서 발생된 고주파 파워를 원격 플라즈마 발생기(140)로 인가시켜 플라즈마를 발생시킨다(S300). 세정가스로서 NF3를 라인(144)을 통해 플라즈마가 발생된 원격 플라즈마 발생기(140)로 유입시켜 NF3를 활성화시킨다(S400). 이에 따라, 원격 플라즈마 발생기(140)에서 불소 라디칼이 생성된다(S500).
원격 플라즈마 발생기(140)에서 생성된 불소 라디칼을 포함한 활성화된 NF3(이하, 원격 플라즈마)를 반응챔버(110)로 유입시킨다(S600). 원격 플라즈마는 반응챔버(110)로 유입되기 이전에 라인(156,158)을 통해 샤워헤드(130)의 공간(132A,134A)으로 제공된다. 공간(132A,134A)으로 제공된 원격 플라즈마는 분사구(133,135)를 통해 내부공간(114)으로 제공됨으로써 샤워헤드(130)는 불소 라디칼의 반응에 의해 세정된다.
원격 플라즈마의 반응챔버(110)로의 유입과 동시에 고주파 전원(116)을 구동시켜 샤워헤드(130)에 고주파 파워를 인가하여 반응챔버(110)에서 인시튜(in-situ)로 플라즈마가 발생되도록 한다(S700). 반응챔버(110)에서의 인시튜 플라즈마 발생은 원격 플라즈마의 반응챔버(110)로의 유입 이후에 또는 유입 이전에 진행되어도 좋다. 반응챔버(110)로의 원격 플라즈마의 유입(S500)과 반응챔버(110)에서의 인시튜 플라즈마 발생(S600)에 의해 불소 라디칼의 생성이 더욱 활발해진다.
반응챔버(110)에서의 불소 라디칼의 반응은 이하의 반응식 5 또는 6과 같이 이루어진다(S800).
Ti(s) + NF* 3(g) → TiF4(g) + N2(g)
TiN(s) + NF* 3(g) → TiF4(g) + N2(g)
위 반응식에서와 같이, Ti 또는 TiN은 불소 라디칼과의 반응에 의해 기화되어 반응챔버(110)로부터 배출된다. 이때의 반응챔버(110)는 진공펌프(164)의 구동 에 의해 비교적 낮은 압력 상태로 지정된다.
NF3의 활성화 및 유입량을 비롯한 세정 조건은 세정에 지대한 영향을 미치는 것으로 여겨지고 있다. 본 실시예에서의 세정 조건은 다음의 표 1과 같이 설정된다.
항목 NF3 유입량 Ar 유입량 플라즈마 파워 반응챔버 압력 스테이지 히터 온도 세정 시간
스펙 100 ~ 1000 sccm 100 ~ 1000 sccm 10kW, 400kHz 0.5 ~ 5 Torr 350 ~ 450℃ 20분
여기서, sccm은 standard cubic cm per minute의 약자로서 분당 1cm3 부피를 나타낸다.
위에서 설명한 바와 같이, NF3를 이용한 세정은 반응챔버(110) 내부공간(114)에 배치된 스테이지 히터(170)와 샤워헤드(130) 및 기타 부품을 비롯하여 반응챔버(110)의 내벽(114A,114B,114C)에 축적된 Ti 또는 TiN을 효과적으로 제거하는 것은 물론 반응부산물로 알려진 NH4Cl, TiNXClY, TiCl4nNH3 등도 효과적으로 제거한다(S900).
이후에 반응챔버(110) 내의 온도를 TiCl4 CVD 공정 온도인 600 내지 700℃, 가령 650℃ 정도로 상승시키고, 반응챔버(110)의 분위기를 조성한다. 반응챔버(110)의 분위기 조성은 Ti 또는 TiN 증착 공정을 실제로 진행하기 이전에 예비적으로 증착 공정을 진행하여 증착 공정의 안정성 여부를 테스트하는 것이다. 예를 들어, 더미 기판을 반응챔버(110)에 투입하여 Ti 또는 TiN을 증착 공정을 실시하고, 증착막의 두께라든가 저항 등의 정상 여부를 확인한다.
이와 같이 반응챔버(110)의 온도 하강과, 불소 라디칼 반응과, 반응챔버(100)의 온도 상승과, 분위기 조성에 소요되는 시간은 도 2에 나타내듯이 대략 3시간 정도로서 종래에 비해 크게 단축된다. 또한, 불소 라디칼 반응에 의한 실제 세정 시간 또한 종래에 비해 크게 단축될 뿐만 아니라 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마를 병행함으로써 세정효율이 크게 향상된다.
지금까지는 반응챔버(110) 내부에 Ti 또는 TiN이 축적된 경우를 예를 들어 설명하였으나 본 실시예의 NF3를 이용한 세정은 이에 한정되지 않음에 유의하여야 할 것이다. 예를 들어, 본 실시예의 세정방법은 Ti 또는 TiN 이외의 WSi과 같은 도전막 내지 금속막을 증착하는 장치, SiO2, SiON, SiC 또는 SiOC와 같은 절연막을 증착하는 장치에 두루 사용될 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, NF3 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마 방식을 병행하여 비교적 고온 상태에서 반응챔버 내부를 세정 한다. 이에 따라, 챔버 내부를 손상시키지 아니하고 세정효율을 높이는 것과 동시에 세정시간을 단축시켜 세정효과와 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (30)

  1. 반응챔버와;
    상기 반응챔버의 내부에 배치되고, 플라즈마를 발생시키는 제1 전극을 구성하며 기판을 장착하여 가열시키는 스테이지 히터와;
    상기 반응챔버의 내부에 배치되고, 상기 플라즈마를 발생시키는 제2 전극을 구성하며 상기 반응챔버의 내부로 제1 및 제2 반응가스를 제공하는 샤워헤드와;
    상기 반응챔버의 외부에 배치되고, 세정가스를 활성화시켜 상기 반응챔버로 제공하는 원격 플라즈마 발생기와;
    상기 반응챔버와 상기 원격 플라즈마 발생기와의 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 반응가스가 별개로 도입되는 라인들을 포함하는 제1 라인과, 상기 원격 플라즈마 발생기로부터 상기 세정가스를 도입받는 제2 라인과, 상기 제1 및 제2 반응가스를 상기 샤워헤드로 별개로 제공하는 라인들을 포함하는 제3 라인이 조합되어, 상기 제1 및 제2 반응가스와 상기 세정가스를 상기 샤워헤드로 제공하는 가스 전달기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 제1 가스가 제공되는 제1 공간과 상기 제2 가스가 제공되는 제2 공간이 상하로 구분되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 제1 공간으로 제공된 제1 가스를 상기 반응챔버의 내부로 제공하는 복수개의 제1 분사구와 상기 제2 공간으로 제공된 제2 가스를 상기 반응챔버의 내부로 제공하는 복수개의 제2 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세정가스는 상기 제1 및 제2 공간으로 제공되고, 상기 제1 및 제2 분사구를 통해 상기 반응챔버의 내부로 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원격 플라즈마 발생기에 고주파 파워를 인가하는 제1 고주파 전원과, 상기 샤워헤드에 고주파 파워를 인가하며 상기 제1 고주파 전원과는 독립적으로 동작하는 제2 고주파 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버의 상부 외측면에 배치되고, 상기 샤워헤드를 지정된 온도로 설정하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응챔버의 측부 외측면 및 하부 외측면 중 어느 하나 또는 양자에 상기 반응챔버를 지정된 온도로 유지시키는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버와는 배기라인을 통해 조합되고, 상기 반응챔버를 지정된 압력으로 설정하는 진공펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  12. 원격 플라즈마 발생기로 제1 가스를 제공하여 상기 원격 플라즈마 발생기를 방전시키고, 상기 원격 플라즈마 발생기로 제2 가스를 제공하여 상기 제2 가스의 활성화로 생성된 제1 라디칼을 포함하는 원격 플라즈마를 발생시키는 단계와;
    상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계와;
    상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계와;
    상기 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마 반응으로 상기 반응챔버의 내부를 세정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계는,
    상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계와 동시에, 또는 그 이전에, 또는 그 이후에 진행되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 원격 플라즈마를 반응챔버로 제공하는 단계는, 상기 제1 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반응챔버에서 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계는,
    상기 반응챔버로 상기 제1 가스를 제공하는 단계와;
    상기 반응챔버를 방전시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1 가스는 플라즈마 점화가스를 포함하고, 상기 제2 가스는 세정가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 세정가스는 염소가 배제된 할로겐 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  21. 원격 플라즈마 발생기와 반응챔버를 구비한 기판 처리 장치를 제공하는 단계와;
    상기 원격 플라즈마 발생기에 플라즈마 점화가스를 제공하는 단계와;
    상기 플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버로 제공하는 단계와;
    상기 원격 플라즈마 발생기를 플라즈마 방전시키는 단계와;
    상기 원격 플라즈마 발생기에 세정가스를 제공하는 단계와;
    상기 세정가스를 활성화시켜 라디칼을 생성시키는 단계와;
    상기 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계와;
    상기 반응챔버를 플라즈마 방전시키는 단계와;
    상기 라디칼의 반응으로 상기 반응챔버의 내부에 축적된 물질을 제거하는 단 계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 라디칼을 상기 반응챔버로 제공하는 단계와 상기 반응챔버를 플라즈마 방전시키는 단계는, 동시에 진행되거나 또는 어느 하나의 단계가 다른 단계 이후에 진행되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 라디칼은 불소 라디칼을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  26. 반응챔버를 증착 공정 온도로부터 세정 처리 온도로 설정하는 단계와;
    상기 세정 처리 온도에서 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마에 의해 활성화된 세정가스로써 상기 반응챔버의 내부에 증착 축적된 물질을 제거하는 단계와;
    상기 반응챔버를 상기 처리 온도로부터 상기 증착 공정 온도로 설정하는 단계와;
    상기 증착 공정 온도에서 상기 증착 공정의 예비적 테스트를 진행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 세정 처리 온도에서 원격 플라즈마 및 인시튜 플라즈마에 의해 활성화된 세정가스로써 상기 반응챔버의 내부에 증착 축적된 물질을 제거하는 단계는,
    상기 원격 플라즈마를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 병행하여 상기 반응챔버에서 상기 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 원격 플라즈마를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 병행하여 상기 반응챔버에서 인시튜로 플라즈마를 발생시키는 단계는,
    플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버의 외부에 배치된 원격 플라즈마 발생기 로 제공하는 단계와;
    상기 플라즈마 점화가스를 상기 반응챔버로 제공하는 단계와;
    상기 원격 플라즈마 발생기를 방전시켜 상기 원격 플라즈마를 발생시키는 단계와;
    상기 세정가스를 상기 원격 플라즈마 발생기로 제공하여 상기 세정가스를 활성화시키는 단계와;
    상기 활성화된 세정가스를 상기 반응챔버로 제공하고 이와 동시에 상기 반응챔버를 방전시켜 상기 인시튜 플라즈마를 발생시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화가스는 아르곤(Ar)을 포함하고, 상기 세정가스는 불소(F2) 또는 삼불화질소(NF3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 증착 공정 온도에서 상기 증착 공정의 예비적 테스트를 진행하는 단계는,
    상기 반응챔버로 더미 기판을 투입하고, 상기 더미 기판을 대상으로 상기 증 착 공정을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치의 세정 방법.
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