KR19980042100A - 반도체 기판의 처리 방법 - Google Patents

반도체 기판의 처리 방법 Download PDF

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시미즈아끼라
남바구니또시
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도미노후꾸미
닛본에이·에스·엠가부시끼가이샤
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Abstract

반도체 웨이퍼의 오염을 없애고, 건조 처리를 급속하게 행하는 것으로 생산성을 향상시킨다.
반도체 웨이퍼를 기상 에칭 처리하는 방법이 생각된다. 본원은 반응실 챔버 내에 반응 가스를 도입해 상기 반도체 웨이퍼를 에칭 처리하는 공정과, 그 반응실 챔버 내에 불활성 가스를 도입해 반응실 챔버 내의 압력을 대기압으로 되돌리는 공정, 반도체 웨이퍼를 세정하는 공정, 반도체 웨이퍼를 건조시키는 공정 및, 알콜 가스를 상기 반응실 챔버 내로 도입하는 공정으로 이루어진다. 반응 챔버 내벽은 50∼80℃의 소정의 온도로 일정하게 유지된다. 사용되는 알콜에는 당해 소정 온도보다 10℃ 이상 비등점이 낮은 것이 선택된다.
불활성 가스의 사용에 의해, 스핀 건조시의 워터 마크(water mark)의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 알콜 가스를 챔버내 벽면의 물방울에만 선택적으로 작용시킴으로써 유기물 오염을 방지하고, 건조 시간을 약 10분의 1로 단축할 수 있었다.

Description

반도체 기판의 처리 방법
본 발명은 반도체 웨이퍼 기판의 처리 방법에 관한 것으로, 특히 기상 에칭 방법에 관한 것이다.
종래, 반도체 웨이퍼 표면의 산화막 등의 에칭 방법으로서, 습식 에칭 및 건식 에칭이 사용되고 있었다. 최근의 디바이스의 고집적화에 수반하는 후자의 건식 에칭이 주목되어 오고 있다. 종래의 기상 에칭 방법은, 에칭 가스로서 HF 또는 HF와 H2O의 혼합 가스를 사용하여, 화학 반응에 의해 자연 산화막 등을 제거해 버리는 것이다.
그러나, 에칭 대상물에 따라서는, 에칭시 발생하는 부생성물이 웨이퍼 표면에 잔류하고, 그것이 다른 화학 반응을 일으켜 버린다는 문제가 있다. 그 때문에, 통상은 건식 에칭 후에 반도체 웨이퍼를 순수한 물로 세정하는 방법이 채용된다.
세정 후에 반도체 웨이퍼를 건조시키는 공정을 계속하고 있지만, 이 건조 방법으로서 당해 반도체 웨이퍼를 회전시키면서 건조시키는 스핀 건조 방식과, 웨이퍼보다 온도가 높은 알콜 가스를 당해 반도체 웨이퍼 표면에 응축시켜 웨이퍼 온도가 가스 온도와 같게 되기까지 당해 알콜 가스를 공급해 웨이퍼 표면 수분과의 치환을 행하는 알콜 가스 방식, 또는 양자를 조합시킨 방식 등이 있다. 알콜 가스 방식에 사용되는 알콜로서, 이소프로필 알콜(IPA)을 사용하는 것으로 특허 제94-29276호, 또는 플루오르 알콜을 사용하는 것에 특허 제91-106024호 및 특허 제94-346096호 등이 있다. 또한, 상기 스핀 건조 방식과 이소프로필 알콜의 증기 건조를 조합시킨 것으로서 특허 제95-66168호가 있다.
종래의 스핀 건조 방식에서는, 회전 기구를 사용하기 때문에, 그곳으로부터의 발진(發塵)에 의해 반도체 웨이퍼가 오염된다는 문제가 있었다. 또한, 고속 회전중에 대기를 끌어들임으로써 반도체 웨이퍼 표면에 워터 마크가 발생하고 있었다. 또한, 반도체 웨이퍼의 건조 종료 후, 반응실 챔버의 내벽면에 잔류한 물방울을 건조시키는 데 장시간을 요해 생산성 저하의 원인으로 되어 있었다.
한편, 알콜 가스 방식에서는, 건조 후의 반도체 웨이퍼 표면에 유기물이 잔류해 오염의 원인으로 된다는 문제가 있었다. 또한, 가연성의 IPA를 피해 불연성의 플루오르 알콜을 이용하고자 하면, 그 플루오르 알콜은 IPA에 비해 가격이 20배 이상으로 비용이 높아 실제의 생산 라인에 사용할 수 없다. 또한, 종래의 방식에서는 대량의 알콜 가스를 사용하기 때문에 대용량 탱크가 필요로 되어 장치 공간이 확대하게 되는 등의 문제가 있었다.
따라서, 본원 발명의 목적은, 오염의 걱정이 없고, 워터 마크가 발생하지 않는 에칭 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본원 발명의 다른 목적은, 경제적으로 비용이 적은 반도체 웨이퍼의 처리 방법을 제공하는 것이다.
또, 본원 발명의 또 다른 목적은, 생산성이 높은 반도체 웨이퍼의 처리 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본원 발명의 다른 목적은 장치 공간이 적은 반도체 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법은 이하의 공정으로 이루어진다.
본원 발명에 따라 진공 배기한 반응실 챔버 내에서 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법은, 상기 반응실 챔버 내에 반응 가스를 도입하고, 상기 반도체 웨이퍼를 에칭 처리하는 공정과, 상기 반응실 챔버 내에 불활성 가스를 도입하고, 반응실 챔버 내의 압력을 대기압으로 되돌리는 공정, 상기 반도체 웨이퍼를 세정하는 공정, 상기 반도체 웨이퍼를 건조시키는 공정 및, 상기 반응실 챔버의 벽면 온도보다 비등점이 10℃ 이상 낮은 알콜의 가스를 당해 반응실 챔버 내로 도입하는 공정으로 이루어진다.
상기 처리 방법의 상기 에칭 공정의 반응 가스는, 적당하게는 HF 또는 HF/H20의 혼합 가스이다.
또한, 상기 처리 방법의 상기 세정 공정 및 건조 공정은 상기 반도체 웨이퍼를 소정의 회전수로 회전시키면서 실행할 수 있다.
또한, 상기 건조 공정은 적당하게는 상기 불활성 가스를 흘리면서 실행한다.
상기 처리 방법에 있어서, 상기 알콜은 구체적으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알콜, 트리플루오르이소프로필 알콜, 펜타플루오르이소프로필 알콜 혹은 헥사플루오르이소프로필 알콜중 어느 하나거나 또는 이들의 혼합물이다.
상기 처리 방법은, 반도체 처리중의 상기 반응실 챔버의 벽면 온도를 50∼80℃의 소정의 온도로 일정하게 유지하는 공정을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본원 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 에칭 처리 장치
2 : 볼 스크류(ball screw)
3 : 도어 수단
4 : 보트(boat) 수단
5 : 인젝터 수단
6 : 홀
7 : 반응 챔버
8 : 포트(pot)
9 : 배기구
10 : 배수구
11 : 차폐 수단
12 : 전동 모터
13 : 배플판(baffle plate)
14 : 반도체 웨이퍼
15 : 회전축
16 : 지지 부재
17 : 플랜지(flange)
18 : 전동 모터
19 : 가이드(guide) 부재
20 : 고무 히터
도 1은 본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 에칭 처리하는 방법을 실행하기 위한 장치를 대략 도시한 것이다. 본 발명을 실시하는 기상 에칭 처리 장치(1)는 스탠드 얼론(stand-alone)형의 에칭 장치로, 일반적으로 테프론 코팅한 SUS 또는 니켈계 내식 합금으로 이루어지는 종형(從形)의 반응 챔버(7)와, 복수의 홀(6)을 갖는 타원형 미세관으로 이루어지는 인젝터 수단(5), 복수의 반도체 웨이퍼(14)를 일정 간격으로 세로로 쌓아 탑재하기 위한 지지 보트(4), 반응 챔버(7)의 외부에서 상기 지지 보트(4)를 그 중심축 둘레로 회전시키기 위한 회전 기구(12), 이 회전 기구(12)를 반응 챔버 내부로부터 격리하기 위한 차폐 수단(11) 및, 지지 보트(4)를 상하로 이동시킴과 동시에 상기 반응 챔버(7)를 폐지(閉止) 및 개방하기 위한 엘리베이터(elevator) 수단(2, 18, 19)으로 이루어진다.
또한, 본 발명을 실시하는 에칭 장치(1)는, 세정용의 순수한 물이 흐르기 위한 배수구(10)와, HF, H2O 및 N2등의 에칭 가스 및 건조용 가스를 배기하기 위한 배기구(9)를 별도로 갖는다. 또한, 반응 챔버(7)는 전체를 실리콘 고무 히터(20)에 의해 덮여 있다.
인젝터 수단(5)은 원통형 미세관으로, 그 측면에는 수직 방향으로 일정한 간격으로 복수의 홀(6)이 설치되어 있다. 당해 홀의 홀 지름은 0.5∼4mm이고, 그 간격은 4∼20mm이다. 또한 홀의 배열은 임의로 선택 가능하다. 홀 간격은, 인젝터 수단으로부터 분사된 에칭 가스가 웨이퍼의 표면에 수평하게 내뿜어지도록 상기 지지 보트(4)상의 웨이퍼(14) 간격과 일치하는 것이 적당하다. 인젝터 수단(5)은 포트(8)를 통해 외부의 순수한 물 탱크, 반응 가스 탱크, 알콜 가스 탱크 및 불활성 가스 탱크에 접속되어 있다. 예를 들어, 자연 산화 에치의 경우에는 에칭 가스로서 HF 가스 및 H2O의 혼합 가스가 사용된다. 본원에서는 세정액으로서 순수한 물이 사용되고, 건조용 가스로서 불활성 가스가 사용된다. 상기 반응 챔버의 내부에는 복수개의 인젝터 수단을 상기 지지 보트의 중심축과 평행하게 내설할 수 있다.
지지 보트(4)는 복수의 반도체 웨이퍼(14)를 4∼20mm의 일정 간격으로 평행하게 세로로 쌓아 탑재하는 지지 부재(16)를 갖는다. 지지 보트(16)의 지지 부재(16)의 형상 및 회전축(15)의 위치는, 웨이퍼(14)를 지지 보트(14)에 적재한 상태로 웨이퍼의 중심 및 지지 보트의 중심이 회전측상에 있도록 설계되어 있다. 지지 보트(14)의 상단면에는 회전축(15)의 일단이 결합되고, 외부의 전동 모터 수단(12)으로부터의 회전 동력이 지지 보트(4)로 전달된다.
상기 회전 기구는, 반응 챔버(7)의 외부에 완전히 격리된 회전 동력을 가져오기 위한 전동 모터(12) 및, 회전 동력을 보트(14)로 전달하기 위한 회전축(15)으로 이루어진다. 회전축의 일단은 상기 지지 보트의 상단에, 다른단은 전동 모터(12)에 동적으로 결합되어 있다. 상기 회전축(15)의 차폐 수단(11)에 의해 완전히 차폐되고, 반응 챔버의 기밀성은 보장된다. 또한, 전동 모터(12)는 오염의 위험성이 없도록 반응 챔버의 외부에 설치되어 있다. 지지 보트(4)의 회전수는 세정시는 1∼1000rpm, 건조시는 500∼2000rpm이 적당하지만, 웨이퍼의 반지름 또는 에칭 가스의 압력 등에 따라 전동 모터의 회전수를 조정하는 것으로 선택 가능하다.
상기 엘리베이터 수단은 볼 스크류(2)와, 가이드 부재(19) 및, 전동 모터(18)로 이루어진다. 엘리베이터 수단은 배플판(13)의 배후에 두어, 운전시의 발진을 억제시킨다. 도어 수단(3)은 그 거의 중앙에 있어서, 축(15)을 차폐 수단(11)을 매개로 지지한다. 플랜지(17)는, 반응 챔버 내를 기밀 상태로 해야 하고, 상기 도어 수단(3)의 하강과 동시에 그 도어 수단(3)의 아랫면과 걸어 맞춘다. 외부 전동 모터(18)의 회전 동력이 가이드 부재(19)에 의해 볼 스크류(2)를 따라 상하 이동으로 변환되고, 도어 수단(3)이 상승 또는 하강한다. 도어 수단(3)이 완전히 하강한 상태에서 반응 챔버(7)는 기밀 상태로 유지되고, 에칭 처리가 개시된다. 또한, 도어 수단(3)이 완전히 상승한 상태로 웨이퍼의 반입 또는 반출이 실행된다.
다음에, 상기 장치를 사용한 본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 처리 방법에 대해서 설명한다. 본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법은, 반도체 웨이퍼를 반응 챔버 안으로 반입하는 공정과, 반응 챔버를 1Pa 정도까지 배기하는 공정, 에칭 가스를 도입해 반도체 웨이퍼를 에칭하는 공정, 불활성 가스를 도입해 반응 가스를 퍼어즈(purge)하면서 대기압으로 되돌리는 공정, 반도체 웨이퍼를 회전시키면서 세정하는 공정, 불활성 가스를 흘려 반도체 웨이퍼를 회전시키면서 건조시키는 공정, 알콜 가스를 도입해 반응 챔버 내 벽면을 건조시키는 공정 및, 반도체 웨이퍼를 반응 챔버로부터 반출하는 공정으로 이루어진다.
먼저, 반입 공정은 엘리베이터 수단에 의해 도어 수단(3)을 상승시키고, 반도체 웨이퍼를 보트 수단(9)으로 반송하며, 도어 수단(3)을 하강시킴으로써 실행한다.
다음의 배기 공정에서, 사용되는 퍼어즈 가스는 적당하게는 N2가스이다. 도면의 인젝터 수단(5)으로부터 퍼어즈 가스를 분사하면서 배기구(9)로부터 배기하고, 챔버 내 압력을 1Pa 정도로 감압한다.
다음의 에칭 공정에서, 에칭 가스로서 HF(100%) 또는 HF/H2O(0.001∼99.999%/99.999∼0.001%)의 혼합 가스를 사용한다. 에칭시의 챔버 내 압력은 5∼80,000Pa에서 적당하게는 10∼13,300Pa이다. 인젝터 수단(5)의 복수의 홀(6)로부터 반도체 웨이퍼 표면에 대해 거의 수평으로 에칭 가스가 내뿜어지고, 웨이퍼는 마찬가지로 에칭 처리된다.
다음의 대기압으로 되돌아가는 공정에서, 본원 발명에서는 불활성 가스를 사용한다. 사용하는데는 He 가스 또는 Ar 가스 등의 불활성 가스가 적당하고, 그 외에 N2등을 사용해도 된다. 이들의 가스를 사용함으로써, 다음의 세정 및 건조 공정에서 웨이퍼를 회전시킬 때 대기의 끌어들임이 없게 되어 반도체 웨이퍼 표면의 워터 마크의 발생을 방지할 수 있다.
다음의 세정 공정에서 사용하는 세정액은 거의 순수한 물이다. 인젝터 수단(5)의 홀(6)에서 일제히 일정 압력의 순수한 물을 분사하고, 동시에 보트 수단(4)을 회전시킨다. 반도체 웨이퍼는 회전하면서 무리 없이 세정되고, 에칭 반응에 의한 부생성물은 순수한 물과 함께 배수구로부터 반응 챔버 외부로 배출된다. 세정 공정에서의 웨이퍼의 회전수는 1∼1000rpm에서 적당하게는 10∼500rpm이다.
세정이 끝나면 다음에 건조 공정이 시작한다. 반도체 웨이퍼의 건조는 인젝터 수단으로부터 상기 불활성 가스 또는 N2가스를 흘리면서 보트 수단을 회전시켜 수분을 원심력으로 날림으로써 실행된다. 건조 공정에서의 회전수는 적당하게는 500∼2000rpm이다.
반도체 웨이퍼의 건조가 종료함으로써, 다음에 반응 챔버 내 벽면의 건조 공정이 개시된다. 당해 공정은 또한, 챔버 내벽의 온도를 50∼80℃ 적당하게는 70℃로 일정하게 유지하는 공정과, 일정한 유량(0℃, 1기압 환산으로 10리터/분에서 1분간)의 알콜 가스를 도입하는 공정으로 이루어진다. 챔버 내벽의 온도는 고무 히터(20)에 의해 그 내벽에 부착하는 물방울의 양이 그만큼 많게 되고, 또 세정 후 웨이퍼 표면 온도가 내벽면 온도까지 상승하는 데 걸리는 시간도 그만큼 상관없는 소정의 온도(50∼80℃)로 유지되어 있다. 본원 발명에 따른 방법에 따라서, 사용되는 알콜로서 그 비등점이 반응 챔버 벽면 온도보다 10℃ 이상 낮은 것이 선택된다. 반도체 웨이퍼의 표면 온도는 반응 챔버 내 벽면 온도와 거의 같은 온도까지 상승하고 있기 때문에, 그 벽면 온도보다 10℃ 이상 온도가 낮은 알콜 가스가 당해 웨이퍼 표면에 작용하는 일은 없어 유기물 오염의 염려도 없다. 그와 같은 알콜 가스는 벽면 온도보다 10℃ 정도 온도가 낮은 내벽면의 물방울에만 부착하여 그 물방울의 표면 장력을 낮추는 작용을 한다. 알콜을 함유한 물방울은 챔버 벽면을 따라 배수구(10)로부터 배출된다. 상기 알콜은 구체적으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알콜, 트리플루오르이소프로필 알콜, 펜타플루오르 이소프로필 알콜 혹은 헥사플루오르이소프로필 알콜중 어느 하나 또는 이들의 적어도 2종류의 혼합물로 이루어진다. 그 혼합물은 공비등점 조정용으로서 사용할 수도 있다.
또한, 고가인 플루오르 알콜에 50vol% 이하의 범위로 가연성 알킬알콜을 혼합해 불연성 알콜로서 사용해도 된다. 혼합물을 이용할 때, 공비 조성의 경우는 공비등점이 반응실 내 벽면 온도보다도 10℃ 이상 낮은 것을 이용하고, 공비 조성이 아닐 경우는 각각의 알콜류의 비등점이 반응실 내 벽면 온도보다도 10℃ 이상 낮은 것을 이용할 필요가 있다. 알콜을 기화하는 방법으로서는, 알콜의 액류(液溜)마다 온열(溫熱)하는 방법이나 불활성 가스를 알콜 용액 내로 통해 버블링(bublling)시키는 방법 등이 있다. 기화된 알콜 가스는 매스프로(mass production)·콘트롤러(도시하지 않음)에 의해 제어되어 인젝터 수단으로부터 방출된다.
최후의 반출 공정에 있어서, 다시 엘리베이터 수단을 운전시키고, 도어 수단(3)을 상승시켜 보트 수단(4)으로부터 반도체 웨이퍼를 별도의 장치로 반송하여 종료한다.
본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 처리 방법에 의해, 웨이퍼 표면으로의 워터 마크의 발생 및 유기물 오염을 방지할 수 있었다.
또한, 본원 발명에 의한 반도체 웨이퍼의 처리 방법에 의해, 반응실 챔버 내벽의 건조 시간을 30분에서 2분으로 감소시킬 수 있어, 생산성을 비약적으로 향상시킬 수 있었다.
또, 본원 발명에 의한 반도체 웨이퍼의 처리 방법에 의해, 고가인 불연성 플루오르 알콜을 혼합물에 사용했을 경우, 비용은 종래의 20분의 1 이하로 낮출 수 있었다.
또한, 본원 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 처리 방법에 의해, 알콜 가스의 사용량이 종래보다 적게 해결되어 대용량 탱크가 불필요하게 되어 장치 공간도 축소할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 진공 배기된 반응실 챔버 내에서 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 반응실 챔버 내로 반응 가스를 도입하여, 상기 반도체 웨이퍼를 에칭 처리하는 공정과,
    상기 반응실 챔버 내로 불활성 가스를 도입하여, 반응실 챔버 내의 압력을 대기압으로 되돌리는 공정,
    상기 반도체 웨이퍼를 세정하는 공정,
    상기 반도체 웨이퍼를 건조시키는 공정, 및
    상기 반응실 챔버의 벽면 온도보다 비등점이 10℃ 이상 낮은 알콜 가스를 당해 반응실 챔버 내로 도입하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에칭 공정의 반응 가스는 HF 또는 HF/H2O의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세정 공정 및 건조 공정은 상기 반도체 웨이퍼를 소정의 회전수로 회전시키면서 실행하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 건조 공정은 상기 불활성 가스를 흘리면서 실행하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 알콜은 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알콜, 트리플루오르이소프로필 알콜, 펜타플루오르이소프로필 알콜, 혹은 헥사플루오르이소프로필 알콜중 어느 하나이거나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반도체 처리중의 상기 반응실 챔버의 벽면 온도를 50∼80℃의 소정의 온도로 일정하게 유지하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 처리 방법.
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