KR20190063940A - 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법 - Google Patents

고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법으로서, 반응 과정에서, RF 전원, 불소함유가스, 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키고, 반응 과정 이후에 수행되는 열처리 과정에서, 열처리를 통해 헥사플루오로규산암모늄을 제거함으로써 실리콘 산화물이 선택적으로 제거한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판을 세정하는 과정에서 실리콘 질화물의 불필요한 식각을 억제하면서 실리콘 산화물만 고 선택적으로 식각할 수 있다.

Description

고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법{DRY CLEAN APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING SILICON OXIDE WITH HIGH SELETIVITY}
본 발명은 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 실리콘 질화물의 식각을 억제하면서 실리콘 산화물만 고 선택적으로 식각할 수 있는 건식 세정 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스 회로가 점차 고 집적화 및 고 미세화됨에 따라, 폴리 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등과 같은 이종 패턴 간의 높은 선택비 특성을 보이는 식각 및 세정 기술이 요구되고 있다.
습식 식각 기술은 파티클(Particle) 제거 능력은 우수하나, 고 종횡비 패턴에서의 표면 장력에 의한 세정 능력 저하 및 원자 레벨(Atomic level)의 미세 식각을 위한 선택비 제어가 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 건식 식각 기술은 웨이퍼에 입사되는 이온 충격(Ion Bombardment)으로 인하여, 식각 후에 손상층(Damage layer)가 생성되는데, 이를 제거하기 위한 후속 공정들이 추가적으로 필요한 문제점이 있다.
최근 들어, 이러한 문제점을 해결하는 대체 기술로서, 가스 반응 또는 라디칼(Radical) 반응에 의해 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6) 고체층을 생성시키고, 이렇게 생성된 고체층을 가열하여 제거하는 건식 세정(Dry Clean) 기술이 확산되고 있는데, 이 기술은 반응 조건에 따라 이종 패턴을 기판 손상 없이 선택적으로 제거할 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나 실리콘 산화물(SiO2)은 불소와 수소의 가스 또는 라디칼 반응으로 (NH4)2SiF6를 생성하여 이를 가열하여 제거하는데, 이러한 반응은 실리콘 질화물(SiN)에서도 유사하게 발생하기 때문에 실리콘 산화물과 실리콘 질화물 사이의 선택비를 높이는데 한계를 보일 수 있다는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 건식 세정 공정의 RF 전원 및 가스의 공급 타이밍을 나타낸 도면이고, 도 2는 일반적인 건식 세정의 반응 메카니즘을 나타낸 도면이다.
도 1에 개시된 바와 같이, 특정 두께의 실리콘 산화물을 제거하기 위해서는 반응(Reaction)과 열처리(Annealing)를 반복적으로 수행하는데, 일반적으로 반응(Reaction)을 위한 공정은 도 2에 개시된 바와 같이 (NH4)2SiF6 고체층이 불소와 수소 라디칼의 반응에 의해 최대 두께로 생성되는 시간(Saturation Time) 동안 수행된다. 하지만, 반응(Reaction)이 일정 시간 이상으로 길어지게 되면 불소와 수소 라디칼이 실리콘 질화물(SiN)과도 반응하여 (NH4)2SiF6 고체층이 생성되고 이로 인해 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 선택비가 감소할 수 있다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0120400호(공개일자: 2012년 11월 01일, 명칭: 플라즈마 에칭 방법, 반도체 디바이스의 제조 방법 및 플라즈마 에칭 장치)
본 발명은 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판을 세정하는 과정에서 실리콘 질화물의 불필요한 식각을 억제하면서 실리콘 산화물만 고 선택적으로 식각할 수 있도록 하는 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치는 챔버 내부에 구비되며 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척, 상기 척을 가열하는 척 가열부, 플라즈마 발생을 위한 RF 전원이 인가되며 불소함유가스가 공급되는 경로를 제공하는 제1 공급로가 구비된 RF 전극 및 상기 RF 전원의 접지단에 연결된 상태로 플라즈마 생성영역을 사이에 두고 상기 RF 전극과 이격되어 있으며, 상기 플라즈마 생성영역에서 플라즈마 처리된 불소함유가스가 상기 기판으로 공급되는 경로를 제공하는 제2 공급로 및 수소함유가스가 상기 기판으로 공급되는 경로를 제공하며 상기 제2 공급로와 물리적으로 구분된 제3 공급로가 구비된 샤워 헤드를 포함하고, 반응 과정에서, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 상기 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 상기 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키고, 상기 반응 과정 이후에 수행되는 열처리 과정에서, 열처리를 통해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 제거함으로써 상기 실리콘 산화물이 선택적으로 제거한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정에서, 상기 RF 전원은 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정에서, 상기 불소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원과 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정에서, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 RF 전원은 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 공급 시간은 1 - 5초이고, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 비 공급 시간은 3 - 60초인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정과 상기 열처리 과정은 반복적으로 여러 번 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정과 상기 열처리 과정은 동일 챔버에서 인시츄(In-situ) 세정 방식으로 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 반응 과정에서, 상기 척의 온도가 80 - 120도로 유지된 상태에서 불소 라디칼 및 수소 반응에 의해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 생성하고, 상기 열처리 과정에서, 플라즈마가 차단된 상태에서 비활성가스만을 공급하여 상기 헥사플루오로규산암모늄을 증발시켜 제거함으로써, 인시츄 세정이 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 척의 온도는 80 - 120도로 제어되고, 상기 샤워 헤드의 가열온도는 100 - 200도이고, 상기 챔버의 내부 벽면의 가열온도는 80 - 100도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 있어서, 상기 수소함유가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법은 챔버 내부에 배치되어 있으며 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판에 상기 실리콘 산화물과 반응하는 불소함유가스와 수소함유가스를 공급하여 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키는 반응 단계 및 열처리를 통해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 제거하는 열처리 단계를 포함하고, 상기 반응 단계에서는, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 상기 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 상기 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계에서, 상기 RF 전원은 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계에서, 상기 불소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원과 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계에서, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원은 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 공급 시간은 1 - 5초이고, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 비 공급 시간은 3 - 60초인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계와 상기 열처리 단계는 반복적으로 여러 번 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계와 상기 열처리 단계는 동일 챔버에서 인시츄(In-situ) 세정 방식으로 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 반응 단계에서, 상기 척의 온도가 80 - 120도로 유지된 상태에서 불소 라디칼 및 수소 반응에 의해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 생성하고, 상기 열처리 단계에서, 플라즈마가 차단된 상태에서 비활성가스만을 공급하여 상기 헥사플루오로규산암모늄을 증발시켜 제거함으로써, 인시츄 세정이 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 척의 온도는 80 - 120도로 제어되고, 상기 샤워 헤드의 가열온도는 100 - 200도이고, 상기 챔버의 내부 벽면의 가열온도는 80 - 100도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법에 있어서, 상기 수소함유가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판을 세정하는 과정에서 실리콘 질화물의 불필요한 식각을 억제하면서 실리콘 산화물만 고 선택적으로 식각할 수 있도록 하는 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 건식 세정 공정의 RF 전원 및 가스의 공급 타이밍을 나타낸 도면이고,
도 2는 일반적인 건식 세정의 반응 메카니즘을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 하나의 예를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 다른 예를 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 또 다른 예를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 건식 세정의 반응 메카니즘을 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법을 나타낸 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치를 나타낸 도면이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 예들을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 건식 세정의 반응 메카니즘을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치는 챔버(10), 척(20), 척 가열부(30), RF 전극(60) 및 샤워 헤드(70)를 포함한다. 도 3에 개시된 구성요소 이외에도 다른 구성요소들이 건식 세정 장치에 포함될 수 있으나, 본 발명의 특징과 관련성이 낮은 구성요소들은 도 3에서 생략하였음을 밝혀둔다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치의 구체적인 구성을 설명하기에 앞서 불소함유가스, 수소함유가스, 비활성가스를 정의한다. 예를 들어, 불소함유가스는 NF3일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 수소함유가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 비활성가스는 N2, Ar, He을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 기판(40)은 실리콘 재질을 가질 수 있으며, 이 기판(40)에는 실리콘 산화물과 실리콘 질화물을 포함하는 이종 패턴들이 필수적으로 형성되어 있다.
챔버(10)는 기판(40)에 형성된 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중에서 실리콘 산화물만을 고 선택적으로 제거하는 전체 공정이 수행되는 공간을 제공한다.
척(20)은 챔버(10) 내부에 구비되며 처리 대상인 기판(40)이 배치되는 구성요소이다.
척 가열부(30)는 척(20)을 가열하는 구성요소이다.
RF 전극(60)은 챔버(10) 내부의 상부 영역에 배치되어 있으며 플라즈마 발생을 위한 RF 전원(50)이 인가되며 불소함유가스 또는 비활성가스의 통로인 제1 공급로(62)가 구비되어 있다.
샤워 헤드(70)는 RF 전원(50)의 접지단에 전기적으로 연결된 상태로 플라즈마 생성영역을 사이에 두고 RF 전극(60)과 이격되어 있으며, 제2 공급로(72) 및 제2 공급로(72)와 물리적으로 구분된 제3 공급로(74)가 구비되어 있다. 샤워 헤드(70)는 RF 전원(50)의 접지단에 연결되어 접지되어 있기 때문에, 기판(40)으로 주입되는 이온(Ion) 성분은 최대한 억제하면서 반응성 라디칼 성분만 통과시킬 수 있다. 제2 공급로(72)는 플라즈마 생성영역에서 플라즈마 처리되어 라디칼화된 불소함유가스가 기판(40)으로 공급되는 경로를 제공하고, 제2 공급로(72)와 물리적으로 구분된 제3 공급로(74)는 플라즈마 처리되지 않은 수소함유가스가 기판(40)으로 공급되는 경로를 제공한다. 제2 공급로(72)는 비활성가스의 공급 경로로 이용될 수도 있다.
이러한 구성 하에서, 기판(40)은 척 가열부(30)에 의해 가열되는 척(20)의 가열온도에 대응하여 가열된다.
또한, 제1 공급로(62)를 통과한 적어도 NF3를 포함하는 불소함유가스가 RF 전원(50)에 의해 플라즈마 처리되어 제2 공급로(72)를 거쳐 기판(40)으로 공급되고, 적어도 NH3를 포함하는 수소함유가스가 제3 공급로(74)를 통해 플라즈마 처리되지 않은 상태로 기판(40)으로 공급되어 실리콘 산화물의 적어도 일부가 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)로 변화된다. 이 과정에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치는 RF 전원(50), 불소함유가스, 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시킨다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치는 기판(40)에 형성된 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키는 반응 과정에서, RF 전원(50), 불소함유가스, 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 기판(40)에 형성된 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키고, 반응 과정 이후에 수행되는 열처리 과정에서, 열처리를 통해 헥사플루오로규산암모늄을 제거함으로써 실리콘 산화물을 선택적으로 제거한다.
실리콘 산화물이 헥사플루오로규산암모늄으로 변화되는 과정을 반응식으로 설명하면 다음과 같다.
2NH4F(g) + 4HF(g) + SiO2 = (NH4)2SiF6(g) + 2H2O
예를 들어, RF 전원(50), 불소함유가스, 수소함유가스의 공급 시간은 1 - 5초일 수 있다.
예를 들어, RF 전원(50), 불소함유가스, 수소함유가스의 비 공급 시간은 3 - 60초일 수 있다.
예를 들어, 반응 과정과 열처리 과정은 반복적으로 여러 번 수행될 수 있다.
예를 들어, 반응 과정과 열처리 과정은 동일 챔버에서 인시츄(In-situ) 세정 방식으로 연속적으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 반응 과정에서, 척(20)의 온도가 80 - 120도로 유지된 상태에서 불소 라디칼 및 수소 반응에 의해 헥사플루오로규산암모늄을 생성하고, 열처리 과정에서, 플라즈마가 차단된 상태에서 비활성가스만을 공급하여 헥사플루오로규산암모늄을 증발시켜 제거함으로써, 인시츄 세정이 구현될 수 있다.
예를 들어, 척(20)의 온도는 80 - 120도로 제어되고, 샤워 헤드(70)의 가열온도는 100 - 200도이고, 챔버(10)의 내부 벽면의 가열온도는 80 - 100도일 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 7을 추가로 참조하여 다양한 예에 따른 건식 세정의 반응 메카니즘을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 하나의 예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 건식 세정의 반응 메카니즘을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 7을 추가로 참조하면, 반응(Reaction) 과정에서, RF 전원(50)은 주기(T1)에 따라 단속적으로 공급, 즉, ON/OFF 시키고, 불소함유가스와 수소함유가스는 연속적으로 공급되도록 구성될 수 있다.
실리콘 질화물(SiN)은 실리콘 산화물(SiO2)에 비해서 불소와 수소의 혼합 라디칼에 대한 반응 속도가 늦어 (NH4)2SiF6가 생성되기 시작하는 시간이 실리콘 산화물(SiO2)보다 늦다. 다시 말해, 불소 라디칼과 수소가 기판(40)으로 주입되고 약 5초 이내의 반응 시간에서는 실리콘 질화물(SiN) 표면 위에 (NH4)2SiF6 고체층이 형성되기 어렵다고 할 수 있다. 따라서, 도 4에 개시된 바와 같이 반응(Reaction) 구간에서의 RF 전원(50)의 온 타임(T1)을 5초 이내로 제어하여 실리콘 질화물(SiN)이 불소와 수소 혼합 라디칼에 노출되는 시간을 제한함으로써 식각을 최소화시켜 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 선택비를 향상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 7을 추가로 참조하면, 반응(Reaction) 과정에서, 불소함유가스는 주기(T1)에 따라 연속적으로 공급되고, RF 전원(50)과 수소함유가스는 연속적으로 공급되도록 구성될 수 있다.
즉, 플라즈마 생성영역으로 주입되는 NF3와 같은 불소함유가스의 공급 단 밸브의 온/오프 시간을 조절하여 불소 라디칼과 수소가 혼합되는 시간(T1)을 5초 이내로 제어하여 실리콘 질화물(SiN)의 식각을 억제할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, RF 전원 및 가스의 공급 타이밍의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 추가로 참조하면, 반응(Reaction) 과정에서, 불소함유가스와 수소함유가스는 주기(T1)에 따라 단속적으로 공급되고, RF 전원(50)은 연속적으로 공급되도록 구성될 수도 있다.
즉, 플라즈마 온(Plasma On) 상태에서 불소함유가스와 수소함유가스의 공급/차단 시간을 동시에 제어하는 방법으로서, 공급 시간(T1)을 5초 이내로 조절하여 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 식각 선택비를 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치에 대한 설명이 방법에도 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
도 3 내지 도 7, 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법은 반응 단계 및 열처리 단계를 포함한다.
반응 단계(S100)에서는, 챔버(10) 내부에 배치되어 있으며 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판(40)에 실리콘 산화물과 반응하는 불소함유가스와 수소함유가스를 공급하여 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키는 과정이 수행된다.
이러한 반응 단계(S100)에서는, RF 전원(50), 불소함유가스, 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시킨다.
예를 들어, 반응 단계(S100)는, 단계 S110, 단계 S120, 단계 S130, 단계 S140, 단계 S150을 포함하여 구성될 수 있다.
단계 S110에서는, 기판(40)을 챔버(10) 내부의 척(20)에 배치하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 기판(40)은 도시하지 않은 이송장치에 의해 챔버(10) 내부의 척(20)으로 이송되어 배치될 수 있다. 또한, 기판(40)은 가열된 상태일 수 있으며, 이를 위한 구성으로서는, 척 가열부(30)를 이용하여 기판(40)이 배치되는 척(20)이 80 - 120도의 온도를 갖도록 제어할 수 있다. 기판(40)은 척(20)에 접촉된 상태로 배치되기 때문에, 척(20)의 가열온도에 대응하는 온도로 가열된다.
단계 S120에서는, 불소함유가스를 플라즈마 생성영역으로 주입하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 이러한 불소함유가스는 챔버(10)의 상단으로부터 플라즈마 생성영역으로 주입될 수 있으며, 이를 위해, 챔버(10)의 상부 영역에 배치된 RF 전극(60)에는 불소함유가스의 주입 경로를 제공하는 제1 공급로(62)가 구비될 수 있다.
단계 S130에서는, RF 전원(50)을 인가하여 플라즈마 생성영역에 플라즈마를 생성하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 챔버(10)의 내부에는 플라즈마 생성영역을 사이에 두고 상측에 RF 전극(60)이 배치되고 하측에 후술하는 샤워 헤드(70)가 배치될 수 있으며, RF 전원(50)의 양극은 RF 전극(60)에 전기적으로 연결되고 음극은 샤워 헤드(70)에 전기적으로 연결될 수 있다. RF 전원(50)이 인가되는 경우, RF 전극(60)과 샤워 헤드(70)로 주입된 불소함유가스가 플라즈마 반응에 의해 라디칼화되어 샤워 헤드(70)에 구비된 제2 공급로(72)를 통해 기판(40)으로 공급된다.
단계 S140에서는, 수소함유가스를 플라즈마 처리를 하지 않고 샤워 헤드(70)로 직접 주입하여 기판(40)으로 공급하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 플라즈마 생성영역의 하측에 배치되는 샤워 헤드(70)에는 라디칼화된 불소함유가스가 통과하는 경로를 제공하는 제2 공급로(72) 이외에 추가로, 수소함유가스가 주입되는 통로를 제공하는 제3 공급로(74)가 구비될 수 있으며, 제2 공급로(72)와 제3 공급로(74)는 물리적으로 구분되는 경로를 갖도록 구성될 수 있다.
단계 S150에서는, 플라즈마 처리된 불소함유가스와 플라즈마 처리되지 않은 수소함유가스가 기판(40)에 형성된 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중에서 실리콘 산화물과만 반응하여, 반응 생성물로서 헥사플루오로규산암모늄이 생성되는 과정이 수행된다. 예를 들어, 헥사플루오로규산암모늄은 고체층으로 생성될 수 있으며, 기판(40)의 표면에 존재하던 실리콘 산화물의 전부 또는 일부가 헥사플루오로규산암모늄 고체층으로 치환될 수 있다.
실리콘 산화물이 헥사플루오로규산암모늄으로 변화되는 과정을 반응식으로 설명하면 다음과 같다.
2NH4F(g) + 4HF(g) + SiO2 = (NH4)2SiF6(g) + 2H2O
열처리 단계(S200)에서는, 열처리를 통해 헥사플루오로규산암모늄을 기화시켜 제거하는 과정이 수행된다. 이 과정에서 비활성가스가 공급될 수 있다.
열처리에 의해 헥사플루오로규산암모늄이 기화하여 제거되는 과정을 반응식으로 설명하면 다음과 같다.
(NH4)2SiF6(g) = SiF4(g) + 2NH3(g) + 2HF(g)
앞서 장치를 설명하는 과정에서 설명한 내용이 방법에도 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판을 세정하는 과정에서 실리콘 질화물의 불필요한 식각을 억제하면서 실리콘 산화물만 고 선택적으로 식각할 수 있다.
10: 챔버
20: 척(chuck)
30: 척 가열부
40: 기판
50: RF 전원
60: RF 전극
62: 제1 공급로
70: 샤워 헤드
72: 제2 공급로
74: 제3 공급로
S100: 반응 단계
S200: 열처리 단계

Claims (20)

  1. 챔버 내부에 구비되며 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척(chuck);
    상기 척을 가열하는 척 가열부;
    플라즈마 발생을 위한 RF 전원이 인가되며 불소함유가스가 공급되는 경로를 제공하는 제1 공급로가 구비된 RF 전극; 및
    상기 RF 전원의 접지단에 연결된 상태로 플라즈마 생성영역을 사이에 두고 상기 RF 전극과 이격되어 있으며, 상기 플라즈마 생성영역에서 플라즈마 처리된 불소함유가스가 상기 기판으로 공급되는 경로를 제공하는 제2 공급로 및 수소함유가스가 상기 기판으로 공급되는 경로를 제공하며 상기 제2 공급로와 물리적으로 구분된 제3 공급로가 구비된 샤워 헤드를 포함하고,
    반응 과정에서, 상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 상기 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 상기 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키고, 상기 반응 과정 이후에 수행되는 열처리 과정에서, 열처리를 통해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 제거함으로써 상기 실리콘 산화물이 선택적으로 제거하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 과정에서,
    상기 RF 전원은 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 과정에서,
    상기 불소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원과 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응 과정에서,
    상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 RF 전원은 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 공급 시간은 1 - 5초이고,
    상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 비 공급 시간은 3 - 60초인 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응 과정과 상기 열처리 과정은 반복적으로 여러 번 수행되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응 과정과 상기 열처리 과정은 동일 챔버에서 인시츄(In-situ) 세정 방식으로 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응 과정에서, 상기 척의 온도가 80 - 120도로 유지된 상태에서 불소 라디칼 및 수소 반응에 의해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 생성하고, 상기 열처리 과정에서, 플라즈마가 차단된 상태에서 비활성가스만을 공급하여 상기 헥사플루오로규산암모늄을 증발시켜 제거함으로써, 인시츄 세정이 구현되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 척의 온도는 80 - 120도로 제어되고, 상기 샤워 헤드의 가열온도는 100 - 200도이고, 상기 챔버의 내부 벽면의 가열온도는 80 - 100도인 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소함유가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 장치.
  11. 챔버 내부에 배치되어 있으며 실리콘 산화물과 실리콘 질화물이 형성되어 있는 기판에 상기 실리콘 산화물과 반응하는 불소함유가스와 수소함유가스를 공급하여 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키는 반응 단계; 및
    열처리를 통해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 제거하는 열처리 단계를 포함하고,
    상기 반응 단계에서는,
    상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스 중에서 적어도 하나를 설정된 주기에 따라 단속적으로(on-and off) 공급함으로써, 상기 실리콘 질화물이 헥사플루오로규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화하는 것을 억제하면서 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 상기 헥사플루오로규산암모늄으로 변화시키는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반응 단계에서,
    상기 RF 전원은 상기 주기에 따라 단속적으로 공급되고, 상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 반응 단계에서,
    상기 불소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원과 상기 수소함유가스는 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 반응 단계에서,
    상기 불소함유가스와 상기 수소함유가스는 상기 주기에 따라 연속적으로 공급되고, 상기 RF 전원은 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 공급 시간은 1 - 5초이고,
    상기 RF 전원, 상기 불소함유가스, 상기 수소함유가스의 비 공급 시간은 3 - 60초인 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 반응 단계와 상기 열처리 단계는 반복적으로 여러 번 수행되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 반응 단계와 상기 열처리 단계는 동일 챔버에서 인시츄(In-situ) 세정 방식으로 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반응 단계에서, 상기 척의 온도가 80 - 120도로 유지된 상태에서 불소 라디칼 및 수소 반응에 의해 상기 헥사플루오로규산암모늄을 생성하고, 상기 열처리 단계에서, 플라즈마가 차단된 상태에서 비활성가스만을 공급하여 상기 헥사플루오로규산암모늄을 증발시켜 제거함으로써, 인시츄 세정이 구현되는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 척의 온도는 80 - 120도로 제어되고, 상기 샤워 헤드의 가열온도는 100 - 200도이고, 상기 챔버의 내부 벽면의 가열온도는 80 - 100도인 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 수소함유가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고 선택적 실리콘 산화물 제거를 위한 건식 세정 방법.
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