KR20200141931A - 석영 에피택셜 챔버를 세정하는 방법 - Google Patents

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조 마르게티스
존 톨레
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

에피택셜 반응 챔버를 인시츄로 세정하는 방법이 개시된다. 본 방법은 사전 코팅 단계, 고온 베이킹 단계, 및 가스 에칭 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은, 석영으로 만들 수 있는 반응 챔버 내에서 잔류물의 축적을 제거할 수 있다.

Description

석영 에피택셜 챔버를 세정하는 방법{METHOD FOR CLEANING QUARTZ EPITAXIAL CHAMBERS}
본 발명은 반도체 기판을 처리하기 위한 반응 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은, 화학물질 잔류물이 반응 시스템의 내벽 상에서 발생한 후 반응 시스템을 세정하는 것에 관한 것이다.
에피택셜 공정은, 예를 들어 NMOS 소자와 같은 특정 반도체 응용에서 사용되는 것으로 알려져 있다. 이들 공정은, 일반적으로 반응 시스템의 챔버 벽 상에 두꺼운 잔류물 코팅을 형성하는 경향이 있는 화학물질 전구체를 이용한다. 챔버 벽은, 낮은 불순물, 가열된 화학물질을 갖는 견고성, 및 투명 특성을 갖는 석영 때문에 석영으로 통상 만들어진다.
석영 벽 상에 형성된 잔류물은 때때로 제거되는 것이 필수적이다. 잔류물은 에피택셜 막의 형성에 악영향을 미칠 수 있는데, 그 이유는 열 부유, 입자 오염 및/또는 높은 도펀트 백그라운드 농도가 도입되기 때문이다. 일부 예에서, 잔류물은 가열원에서 웨이퍼로 열 에너지가 통과하는 것을 방해할 수 있으며, 궁극적으로는 공정 부유 및/또는 막 균일성 손실을 초래한다. 잔류물에서 발생된 입자는 떨어질 가능성이 있으며, 막 결함을 초래할 수 있다. 또한 공정 중에 잔류물로부터 가스 방출이 발생할 가능성도 있다. 웨이퍼의 상류에 코팅층이 있는 경우, 생성된 가스는 웨이퍼의 도펀트 프로파일을 간섭할 수 있다. 또한, 잔류물로부터의 가스 방출은, 가스 독성으로 인해 주기적인 유지보수 활동을 어렵게 한다.
석영 벽을 세정하는 이전의 접근법은, 반응 챔버의 제거 및 교체를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 툴을 가동 중지하도록 요구하여, 수율 및 공정 교대 가능성을 감소시킨다. 그 결과, 인시츄로 세정을 수행하는 공정이 바람직하다. 이전의 접근법은 인시츄로 발생된 플라즈마를 이용해서 세정 가스를 형성하였고, "유도-결합 플라즈마 챔버의 인시츄 세정을 위한 장치"라는 명칭의 미국 특허 제6,749,717호에 설명되고, 참조로 본원에 포함된다. 그러나, 플라즈마 발생기는, 또한 챔버 벽을 심각하게 에칭할 수 있는 세정 가스를 발생시킬 수 있다. 대안적으로, 보편적인 세정 방법은, HCl 가스 흐름의 존재 하에 반응 챔버를 가열할 수 있다. 이러한 접근법으로부터의 주 단점은, 일반적으로 반응 챔버의 주변 부위가 충분한 에칭을 갖기에 충분히 뜨거울 수 없다는 것이다.
실리콘 함유 재료의 제거는, 발명의 명칭이 "기판 표면 및 챔버 표면용 에천트 처리 공정"인 미국 특허 제8,445,389호에 개시되어 있고, 본원에 참고로 포함된다. 그러나, 에피택셜 공정은, 실리콘 함유 재료보다 제거하는 것이 더 어려운 잔류물을 생성할 수 있다.
그 결과, 벽에 악영향을 끼치지 않으면서 반응 챔버 내의 벽으로부터 에피택시 응용에서 발생된 잔류물을 효과적으로 제거시킬 수 있는 공정에 대한 필요성이 존재한다.
반응 챔버를 인시츄로 세정하는 방법이 개시된다. 상기 방법은, 디클로로실란(DCS), 실란 또는 디실란 중 적어도 하나를 포함한 보호 코팅 가스를 이용해 반응 챔버 내의 복수의 벽을 사전 코팅하는 단계; 700oC 초과의 온도로 상기 반응 챔버를 가열하는 단계; 에천트 가스를 상기 반응 챔버 내로 유동시키는 단계를 포함하되, 상기 에천트 가스는, 비소, 인, 또는 게르마늄 계열 재료 중 적어도 하나를 포함한 잔류물을 상기 복수의 벽으로부터 제거한다.
선행 기술에 비해 달성되는 장점 및 본 발명을 요약하기 위해, 본 발명의 특정 목적 및 장점이 앞서 본원에 기술되었다. 물론, 모든 목적 및 장점들이 본 발명의 임의의 특별한 구현예에 따라 반드시 달성되는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 예들 들어 당업자는, 본 발명이, 본원에 교시 또는 제안될 수 있는 다른 목적들 또는 장점들을 반드시 달성하지 않고서, 본원에 교시되거나 제시된 바와 같은 하나의 장점 또는 여러 장점들을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
이들 구현예 모두는 본원에 개시된 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 본 발명은 개시된 임의의 특정 구현예(들)에 한정되지 않으며, 이들 및 다른 구현예들은 첨부된 도면들을 참조하는 특정 구현예들의 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 분명할 것이다.
본원에 개시된 본 발명의 이러한 그리고 기타 특징, 양태 및 장점은 특정 구현예의 도면을 참조하여 아래에 설명될 것이고, 이는 본 발명을 예시하기 위함이고, 본 발명을 한정하기 위함은 아니다.
도 1은 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따른 세정 공정의 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따른 공정을 운영할 수 있는 챔버를 나타낸다.
도면의 구성 요소들은 간략하고 명료하게 도시되어 있으며, 반드시 축적대로 도시되지 않았음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 개시에서 예시된 구현예의 이해를 돕기 위해 도면 중 일부 구성 요소의 치수는 다른 구성 요소에 비해 과장될 수 있다.
특정 구현예 및 실시예가 아래에 개시되었지만, 당업자는 본 발명이 구체적으로 개시된 구현예 및/또는 본 발명의 용도 및 이들의 명백한 변형물 및 균등물을 넘어 확장된다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 발명의 범주는 후술되고 구체적으로 개시된 구현예에 의해 제한되지 않도록 의도된다.
NMOS 소자를 형성하기 위한 공정은, 5층 그룹 또는 이들의 조합과 같은 막을 형성할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 공정은 비소계 또는 인계, 또는 임의의 할로겐화 또는 알킬 치환된 변형물과 같은 화학물질 전구체를 사용할 수 있다. 잔류물은 비소, 인, 비소 화합물(AsXn), 인 화합물(PXn), 예를 들어, 삼염화비소, 비소이염화수화물 또는 삼염화인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비소와 같은 화학물질을 포함하는 잔류물의 경우, 잔류물은 툴 유지보수 중에 장비 엔지니어에게 심각한 건강 문제를 야기할 수 있다. 본 발명의 구현예는, 직업상 노출 한계에 대해 미국 정부 위생 전문가 회의에서 설정된 표준을 충족시키기 위해, 비소, 인, 및 게르마늄 화학물질 및 화합물의 존재가 거의 영(zero)인 농도로 최소화하는 것에 관한 것이다. 이들 농도는 기존의 아웃가싱 대기 시간의 약 10 내지 60%로 더 적은 시간으로 충족될 수 있어서, 더 큰 생산성을 허용한다. 완벽한 코팅 제거 때문에, 먼지와 잔류물에 대한 장비 엔지니어의 노출은 또한 상당히 감소된다. 장비 엔지니어에 대한 깨끗한 비소 및 염소는, 각각 0.005와 0.5 ppm의 작업 노출 한계 이하이다.
또한, 본 발명의 구현예는, 석영 챔버가 교체되거나 수선될 필요가 있기 전에, 이의 수명을 증가시키는 것에 관한 것이다. 본 발명의 구현예는, 교체하기 전에 잠재적으로 10,000 내지 30,000매의 웨이퍼를 잠재적으로 처리시킬 수 있다. 챔버 수명의 이러한 연장은, 석영 챔버를 사용하고자 하는 산업계의 부족을 감안하면 중요하다.
도 1은, 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따른 공정(100)을 나타낸다. 공정(100)은, (1) 보호 사전 코팅 단계(110); (2) 고온 베이킹 단계(120); 및 (3) 가스 에칭 단계(130)를 포함한다. 보호 사전 코팅 단계(110)는, 가스 에칭 단계(130)에 사용된 가스에 따라 필요할 수 있다. 보호 사전 코팅 단계(110)는, 반응 챔버 내의 부분을 보호하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버 내의 특정 부분은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 그래파이트로 제조될 수 있다. 특정 가스 할라이드에 장시간 노출되면, SiC 또는 그래파이트 부분이 손상될 수 있다. 보호 사전 코팅 단계(110)는, 이러한 손상이 장시간 노출되는 것을 방지한다.
보호 사전 코팅 단계(110)는, 디클로로실란(DCS), 트리클로로실란(TCS), 실란(SiH4), 또는 디실란(Si2H6) 중 적어도 하나와 같은 화학물질 전구체의 흐름을 포함할 수 있다. 화학물질 전구체는, 챔버의 SiC 또는 그래파이트 부분뿐만 아니라 석영 벽 상에 층을 형성한다. 보호 사전 코팅 단계(110) 동안 반응 챔버의 온도는, 750 내지 950ºC의 범위일 수 있다. 보호 사전 코팅 단계(110)는, 전구체의 층이 35 nm, 40 nm, 또는 45 nm를 초과하는 두께를 형성할 때까지 계속될 수 있다. 보호 사전 코팅 단계(110)의 지속 시간은 180초, 210초, 또는 240초를 초과할 수 있다.
고온 베이킹 단계(120)는, 반응 챔버를 700oC, 800oC, 900oC를 초과하는 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 고온 베이킹 단계(120)의 이유는, 반응 챔버, 특히 주변 부위에서 효과적인 에칭 화학 반응이 가능하도록 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 고온 베이킹 단계는, 또한 챔버의 온도에서 서셉터 온도를 디커플링하는 것을 보조할 수 있다. 고온 베이킹 단계(120)의 지속 시간은 160초, 170초, 또는 180초를 초과할 수 있다. 고온 베이킹 단계(120)는 고온 석영 챔버를 초래하며, 이는 가스 에칭 단계(130) 동안 잔류물을 더 쉽게 제거할 수 있다.
가스 에칭 단계(130)는, 염소(Cl2) 또는 질소 (N2) 중 적어도 하나를 포함한 가스를 흐르게 하는 단계를 포함할 수 있다 염소를 사용하는 이들 상황에서, 이는 챔버 내에서 염산(HCl)의 필요성을 제거시키며, 툴의 작동자에게 더 안전한 조건을 초래한다. 가스 에칭 단계(130)의 압력은, 40 내지 100 토르, 45 내지 90 토르, 또는 50 내지 85 토르의 범위일 수 있다. 가스 에칭 단계(130)의 지속 시간은, 1 내지 10분, 1.5 내지 7분, 또는 2 내지 5분 범위일 수 있다. 가스 에칭 단계(130) 동안 흐르는 가스는 잔류물과 반응하여 염소 치환된 비소, 게르마늄, 실리콘, 또는 인, 또는 이들의 임의의 염소화된 유도체를 형성할 수 있다. 이는, 예를 들어 질소, 아르곤, 또는 크립톤 등의 불활성 가스를 흐르게 함으로써 반응 챔버로부터 쉽게 퍼지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 적어도 일 구현예에 따른 예시적인 반응 시스템(200)을 나타낸다. 반응 시스템(200)은, 반응 챔버 하우징(210); 기판(230)을 유지하도록 구성되는 웨이퍼 홀더(220); 제1 가스 공급원(240); 제2 가스 공급원(250); 제3 가스 공급원(260); 유입구 가스 라인(270); 유출구 가스 라인(280); 배기(290); 고온계(300); 및 압력 제어 밸브(310)를 포함한다. 제1 가스 공급원(240)은, 기판(230) 상에 막을 형성하기 위해 사용된 반응 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 제2 가스 공급원(250)은, 기판(230) 상에 막을 형성하기 위해 사용된 다른 반응 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있거나 퍼지 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 제3 가스 공급원(260)은, 에천트 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있다.
제1 가스 공급원(240), 제2 가스 공급원(250) 및 제3 가스 공급원(260)으로부터의 가스는, 유입구 가스 라인(270)을 통해 반응 챔버 하우징(210) 내로 흐를 수 있다. 임의의 잔류 가스는 유출구 가스 라인(280)을 통해 배기(290) 내로 퍼지될 수 있다. 추가 가스 공급원은 추가 유입구 가스 라인과 함께 사용될 수 있다. 마찬가지로, 추가 유출구 가스 라인과 함께 추가적인 배기가 사용될 수도 있다.
고온계(300)는 반응 챔버 하우징(210)에 내장될 수 있다. 고온계(300)는 반응 챔버 하우징(210) 내의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 압력 제어 밸브(310)는, 반응 챔버 하우징(210) 내의 압력을 제어하도록 구성될 수 있다.
전술한 공정의 실행은, 고온계(300) 및 압력 제어 밸브(310)의 기능을 개선할 수 있다. 고온계(300) 및 압력 제어 밸브(310) 둘 모두는, 막 증착 공정 동안 막의 축적에 의해 그 기능이 부정적인 영향을 받을 수 있다. 도 1에 나타낸 것과 같은 세정 공정은 코팅을 제거할 수 있고, 세정 공정이 없다면 고온계(300)와 압력 제어 밸브(310)로부터 정확한 판독을 방해한다. 세정 공정은 배기 포어라인(280)의 코팅을 또한 제거할 수 있고, 이는 포어라인 구성 요소(280)의 툴 작동 수명을 연장시키거나 포어라인 구성 요소(280)의 안전한 해체를 가능하게 할 수 있다.
나타내고 설명된 구체적인 적용예는, 본 발명의 예시이자 최적 실시 모드이며, 어떤 방식으로도 양태와 적용예의 범주를 달리 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 간결성을 위해서, 시스템의 종래의 제조, 연결, 준비 및 다른 기능적 양태는 상세히 기술되지 않을 수 있다. 또한, 다양한 도면들에서 도시된 연결선들은 다양한 요소들 사이의 예시적인 기능 관계 및/또는 물리적 결합을 표시하려는 의도이다. 많은 대안 또는 추가적인 기능적 관계 또는 물리적 연결은 실질적인 시스템에 존재할 수 있고/있거나 일부 구현예에서는 없을 수 있다.
본원에 기술된 구성 및/또는 접근법은 본질적으로 예시적인 것이며, 다양한 변형이 가능하기 때문에, 이들 특정 구현예 또는 실시예가 제한적인 의미로 고려되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 본원에 설명된 특정 루틴 또는 방법은 임의의 처리 전략 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 따라서, 도시된 다양한 동작은 도시된 시퀀스에서, 상이한 시퀀스에서 수행되거나, 경우에 따라 생략될 수 있다.
본 개시의 요지는, 본원에 개시된 다양한 공정, 시스템, 및 구성, 다른 특징, 기능, 행위 및/또는 성질의 모든 신규하고 비자명한 조합 및 하위 조합뿐만 아니라 임의의 그리고 모든 균등물을 포함한다.

Claims (17)

  1. 반응 챔버를 인시츄로 세정하는 방법으로서,
    디클로로실란(DCS), 실란, 또는 디실란 중 적어도 하나를 포함한 보호 코팅 가스를 이용해 반응 챔버 내에서 복수의 벽을 사전 코팅하는 단계;
    700oC를 초과하는 온도로 상기 반응 챔버를 가열하는 단계; 및
    에천트 가스를 상기 반응 챔버 내로 흐르게 하는 단계를 포함하되,
    상기 에천트 가스는, 비소 계열 재료, 게르마늄 계열 재료, 실리콘 계열 재료, 또는 인 계열 재료 중 적어도 하나를 포함한 잔류물을 상기 복수의 벽으로부터 제거하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에천트 가스는 염소(Cl2) 또는 질소 (N2) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버 내에 적어도 하나의 부분을 추가로 포함하되, 상기 부분은 실리콘 카바이드 또는 그래파이트 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흐름 단계 동안 상기 반응 챔버의 압력은 40 내지 100 토르, 45 내지 90 토르, 또는 50 내지 85 토르의 범위인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흐름 단계는 1 내지 10분, 1.5 내지 7분, 또는 2 내지 5분 범위의 지속 시간을 갖는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계 동안 상기 반응 챔버의 온도는 800oC를 초과하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계 동안 상기 반응 챔버의 온도는 900oC를 초과하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는 160초를 초과하는 지속 시간을 갖는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는 170초를 초과하는 지속 시간을 갖는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는 180초를 초과하는 지속 시간을 갖는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 잔류물은 비소 계열 재료를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 잔류물을 제거하는 단계는, 비소 계열 재료의 농도를 0.005 ppm 수준으로 감소시키는, 방법.
  13. 제2항에 있어서, 상기 에천트 가스는 염소를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 잔류물을 제거하는 단계는, 염소 농도를 0.5 ppm 수준으로 감소시키는, 방법.
  15. 반도체 막 증착 시스템으로서,
    반응 챔버;
    제1 가스 공급원;
    제2 가스 공급원;
    배기;
    상기 반응 챔버 내 온도를 측정하도록 구성된 고온계;
    상기 반응 챔버 내 압력을 조절하도록 구성된 압력 제어 밸브; 및
    에천트 가스 공급원을 포함하되,
    상기 반도체 막 증착 시스템은 제1항의 방법을 수행하도록 구성되는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반응 챔버는 석영을 포함하는, 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 실리콘 카바이드 또는 그래파이트 중 적어도 하나를 포함하며 상기 반응 챔버 내에 배치된 부분을 추가로 포함하는, 방법.
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