KR101440282B1 - 플라즈마 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양질의 에피텍셜 성장막을 형성하기 위하여 기판의 표면에 오염물질을 제거하는 세정공정을 실시하는 플라즈마 세정공정에 관한 것으로, (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판을 습식세정하는 단계; (c) Cl2 및 Ar을 공급하여 상기 기판을 플라즈마 세정하는 단계; (d) 상기 기판 상에 에피텍셜 성장막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실리콘 기판, 에피텍셜 성장막, 세정, 플라즈마
Description
본 발명은 플라즈마 세정공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양질의 에피텍셜 성장막을 형성하기 위하여 기판의 표면에 오염물질을 제거하는 세정공정을 실시하는 플라즈마 세정공정에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 기판을 사용하는 반도체에서, 여러가지 목적을 위하여, 기판의 결정축을 따라 동일한 결정구조의 박막을 성장시키는 에피텍셜 성장방법(epitaxial growing method)을 이용한다. 에피텍셜 성장이 시작되는 온도는 500∼650℃이다. 대부분 실리콘 기판을 사용하지만 절연성 단결정 기판을 사용할 수도 있다. 실리콘 기판 상에 성장되는 에피텍셜 막으로 사용되는 물질은 실리콘 격자상수와 동일하거나 극히 유사한 Si, SiGe, 및 SiC 등을 사용한다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술의 에피텍셜 성장막이 형성된 반도체 소자의 단면도이고, 도 2는 종래기술의 엑피텍셜 성장막을 형성하는 공정챔버의 개략도이다.
도 1a와 같이, 실리콘 기판(11) 상에 게이트 절연막(13), 전도성 물질의 게이트 전극(15), 및 게이트 전극(15)의 양측면에 절연성 물질의 측벽(17)을 형성한다. 측벽(17)을 형성하는 방법은 게이트 전극(15)을 포함한 실리콘 기판(11) 상에 절연물질을 적층하고, 이방성 식각에 의해 형성하며, 측벽(17)을 형성할 때 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이에 있는 게이트 절연막(13)이 제거되어 실리콘 기판(11)의 표면을 노출시킨다.
그리고, 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이에 에피텍셜 성장방법으로, Si, SiGe, 및 SiC 중 하나를 선택하여 단결정층의 엑피텍셜 성장막(51)을 형성한다. 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이의 실리콘 기판(11)의 표면은 공기 중에 노출되면 자연 산화막의 형성 및 오염물질이 부착된다.
도 1b와 같이, 실리콘 기판(11) 상에 게이트 절연막(13), 전도성 물질의 게이트 전극(15), 및 게이트 전극(15)의 양측면에 절연성 물질의 측벽(17)을 형성한다. 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이의 노출된 실리콘 기판(11)을 식각하여 함몰부(recess region)(31)를 형성한다.
그리고, 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이의 함몰부(31)에 에피텍셜 성장방법으로, Si, SiGe, 및 SiC 중 하나를 선택하여 단결정층의 엑피텍셜 성장 막(51)을 형성한다. 게이트 전극(15)과 게이트 전극(15) 사이의 함몰부(31)에서 실리콘 기판(11)의 표면은 공기 중에 노출되면 자연 산화막의 형성 및 오염물질이 부착된다.
도 1a 및 도 1b에서, 에피텍셜 공정을 진행하기 전에, 실리콘 기판(11)의 노출된 표면에 있는 자연 산화막과 오염물질을 제거하기 위하여, 증류수에 불산(HF)이 희석된 용액을 사용하여 습식 세정한다. 습식 세정에서, 실리콘 기판(11) 상에 존재하는 미세 먼지, 유기물, 자연 산화막을 제거한 후에 에피텍셜 성장을 위하여, 도 2와 같은 공정챔버(21)로 이동한다.
도 2와 같이, 공정챔버(21)는 외부와 차단시키며 반응영역을 정의하는 챔버(23)와, 챔버(23)의 내부에 위치하며 상면에 기판(11)을 안치하는 서셉터(25)와, 서셉터(25)의 상부에서 에피텍셜 소오스 물질을 공급하는 공급장치(도시하지 않음)를 포함한다. 공정챔버(21)의 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위해, 챔버(11)의 상부와 연결된 상부 RF(27)과 서셉터와 연결되는 하부 RF(29)가 설치된다. 그리고, 에피텍셜 성장막(51)을 형성하기 전에, 기판(11)을 세정하기 위해 공정챔버(21)의 내부에 세정가스를 공급하기 위한, 제 1 유량제어기(31)를 포함한 SF6 공급장치(33)과 제 2 유량제어기(35)를 포함한 H2 공급장치(37)가 설치된다.
습식 세정에서 증류수와 불산의 혼합용액을 사용하므로, 증류수에 의하여 실리콘 기판(11) 상에 재차 자연 산화막이 생성되고, 습식세정 중에 불소(F) 및 유기물이 잔존할 수 있다. 이러한 자연 산화막, 불소 및 유기물을 실리콘 기판(11) 상에서 완전히 제거하지 않으면, 원하는 양질의 에피텍셜 성장막(51)을 얻을 수 없다. 따라서, 실리콘 기판(11)을 1 차로 습식세정한 후에, 2 차로 공정챔버(21)에 SF6와 H2를 1 : 20으로 혼합한 세정가스를 공급하여 플라즈마 세정을 실시하고 에피텍셜 성장막(51)을 형성한다.
그러나, 2 차 플라즈마 세정에 의해, 실리콘 기판(11) 상에 생성된 자연 산화막은 제거할 수 있으나, 황(S) 및 불소(F)를 포함한 세정가스에 의해, 실리콘 기판(11)의 표면이 오염될 수 있다. 실리콘 기판(11) 상에 잔류한 황(S) 및 불소(F)에 의해 에피텍셜 성장막에서 도 1a와 같은 패시트(facet)결함(21), 도 1b와 같은 스택킹 폴트(stacking fault)(19) 및 스택킹 폴트(19)에 의한 선 또는 면결함(31)을 발생시키고, 이러한 결함은 에피텍셜 성장막(51)의 특성을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 보다 구체적으로는 양질의 에피텍셜 성장막을 형성하기 위하여 기판의 표면에 오염물질을 제거하는 세정공정을 실시하는 플라즈마 세정공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 세정방법은, (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판을 습식세정하는 단계; (c) Cl2 및 Ar을 공급하여 상기 기판을 플라즈마 세정하는 단계; (d) 상기 기판 상에 에피텍셜 성장막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 상기 기판을 SF6와 Ar 또는 H2를 공급하여 플라즈마 세정하는 (e) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (e) 단계는 세정전용의 제 1 챔버에서 수행하고, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계는 세정 및 엑피텍셜 형성 겸용의 제 2 챔버에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (e) 단계는 150 내지 300℃의 온도에서 진행하고, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계는 400 내지 700℃의 온도 에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (c) 단계 및 상기 (e) 단계는 세정전용의 제 1 챔버에서 수행되고, 상기 (d) 단계는 공정전용의 제 2 챔버에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 세정전용의 제 1 챔버에서 수행되고, 상기 (d) 단계는 에피텍셜 공정전용의 제 2 챔버에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 150 내지 300℃의 온도에서 진행하고, 상기 (d) 단계는 400 내지 700℃의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 상기 Cl2 및 상기 Ar은 1:1 내지 20:1의 공급비율과, 20 내지 500 W의 플라즈마와, 150 내지 300℃의 온도 또는 400 내지 700℃의 온도에서 진행하는 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 플라즈마 세정방법에 있어서, 상기 (e) 단계는, 20 내지 500W의 플라즈마와 150 내지 300℃의 온도 또는 450 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 세정방법은 다음과 같은 효과가 있다.
습식세정 후에 실리콘 기판의 표면에 잔류하는 자연 산화막 및 유기물을 포함한 오염물질을 챔버의 내부에서 Cl2 및 Ar에 의해 건식세정하는 것에 의해, 양질의 에피텍셜 성장막을 얻을 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 엑피텍셜 성장막이 형성된 반도체 소자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑피텍셜 성장막을 형성하는 공정챔버의 개략도이다.
도 3a와 같이, 실리콘 기판(111) 상에 게이트 절연막(113), 전도성 물질의 게이트 전극(115), 및 게이트 전극(115)의 양측면에 절연성 물질의 측벽(117)을 형성한다. 측벽(117)을 형성하는 방법은 게이트 전극(115)을 포함한 실리콘 기판(111) 상에 절연물질을 적층하고, 이방성 식각에 의해 형성하며, 측벽(117)을 형성할 때 게이트 전극(115)과 게이트 전극(115) 사이에 있는 게이트 절연막(113)이 제거되어 실리콘 기판(111)의 표면이 노출된다.
도 3b와 같이, 실리콘 기판(111) 상에 게이트 절연막(113), 전도성 물질의 게이트 전극(115), 및 게이트 전극(115)의 양측면에 절연성 물질의 측벽(117)을 형성한다. 게이트 전극(115)과 게이트 전극(115) 사이의 노출된 실리콘 기판(111)을 식각하여 함몰부(recess region)(131)를 형성한다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 게이트 전극(115)와 게이트 전극(115) 사이의 노출된 실리콘 기판(111) 상의 자연 산화막 및 오염물질을 제거하기 위하여 증류수에 불산(HF)이 희석된 용액을 사용하여 습식 세정한다. 습식 세정에서, 실리콘 기판(111) 상에 존재하는 미세 먼지, 유기물, 자연 산화막을 제거한 후에 에피텍셜 성장을 위하여, 도 4와 같은 공정챔버(121)로 이동한다. 습식세정 후에는 기판(111) 상에 자연 산화막의 성장을 최대한 억제하기 위하여, 가능하면 빠른 시간 내에 공정챔버(121)로 이동하여 엑피텍셜 성장막(151)을 형성한다.
에피텍셜 성장막(151)에 의해 도 3a와 같이 상승 소오스/드레인(elevated source/drain)을 형성하고, 도 3b와 같이, 함몰 소오스/드레인(recessed source/drain)을 형성하는 것은, 트랜지스터의 특성을 개선시키기 위함이다.
공정챔버(121)는, 외부와 차단시키며 반응영역을 정의하는 챔버(123)와, 챔버(123)의 내부에 위치하며 상면에 기판(111)을 안치하는 서셉터(125)와, 서셉터(125)의 상부에서 에피텍셜 소오스 물질을 공급하는 공급장치(도시하지 않음)를 포함한다. 공정챔버(121)의 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위해, 챔버(111)의 상 부와 연결된 상부 RF(127)과 서셉터(125)와 연결되는 하부 RF(129)가 설치된다.
그리고, 에피텍셜 성장막(151)을 형성하기 전에, 기판(111)을 세정하기 위해 공정챔버(121)의 내부에 세정가스를 공급하기 위한, 제 1 유량제어기(131)를 포함한 Cl2 공급장치(133), 제 2 유량제어기(135)를 포함한 SF6 공급장치(137), 제 3 유량제어기(139)를 포함한 Ar 공급장치(141), 및 제 4 유량제어기(141)를 포함한 H2 공급장치(143)이 설치된다. 상부 RF(127) 및 하부 RF(129)에 전원을 인가하여 플라즈마를 여기시켜, 기판(111)의 표면에 생성된 자연 산화막 및 오염물질을 제거한다.
게이트 전극(115)과 게이트 전극(115) 사이에 에피텍셜 성장방법으로, Si, SiGe, 및 SiC 중 하나를 선택하여 단결정층의 에피텍셜 성장막(151)을 형성하기 전에 다음과 실시예와 같은 방법으로 건식세정 공정을 실시한다.
제 1
실시예
습식세정 후에, 건식세정과 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정을 동일한 공정챔버에서 진행한다. 공정챔버(121)의 내부에, Cl2 공급장치(133) 및 Ar 공급장치(139)를 이용하여, Cl2 및 Ar을 1:1 내지 20:1의 비율로 공급하고 20 내지 500 W의 플라즈마를 발생시키고, 엑피텍셜 성장막(151)을 진행하는 공정온도와 유사한 400 내지 700℃의 온도에서, 기판(111) 상의 자연 산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거한다.
Cl2 및 Ar에 의한 세정온도를 엑피텍셜 성장막(151)의 공정온도보다 낮은 온도에서 진행하게 되면, 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정에서, 공정챔버(121) 내부를 승온시키는 단계가 필요하게 된다. 따라서 장비의 효율적인 사용을 위하여, 세정온도를 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정과 유사한 온도에서 진행한다.
Cl2 및 Ar의 플라즈마에 의해, 습식세정에 의해 기판(111) 상에 잔류하는 불소(F) 및 불소(F)와 결합한 오염물질을 제거한다. 플라즈마에 의해 활성화된 Cl이 SixCly형태로 결합하는 것에 의해, 실리콘 기판(111)의 표면을 식각하고, 실리콘 기판(111) 표면의 식각에 의해 오염물질이 제거된다
그리고 공정챔버(121)의 내부에 에피텍셜 소오스 물질을 공급하여, 기판(111) 상에 엑피텍셜 성장막(151)을 형성한다.
제 2
실시예
습식세정 후에, 제 1 단계 및 제 2 단계의 건식세정은 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정을 동일한 공정챔버에서 진행한다.
제 1 세정단계로, 공정챔버(121)의 내부에 SF6 공급장치(137) 및 Ar 공급장치(139)를 이용하여, SF6와 Ar을 공급하여 20 내지 500W의 플라즈마를 발생시키고, 400 내지 700℃의 온도에서, 기판(111) 상의 자연 산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거한다. 이때, Ar 대신 H2 공급장치(143)를 이용하여 H2를 공급할 수 있다. SF6 및 Ar 또는 H2의 플라즈마에 의해, 습식세정에 의해 기판(111) 상에 잔류하는 불소(F) 및 불소(F)와 결합한 오염물질을 제거된다.
제 2 세정단계로, 공정챔버(121)의 내부에, Cl2 공급장치(133) 및 Ar 공급장치(139)를 이용하여, Cl2 및 Ar을 1:1 내지 20:1의 비율로 공급하여, 400 내지 700℃의 온도에서, 20 내지 500W의 플라즈마를 발생시켜, 기판(111) 상에 잔류한 자연 산화막 및 오염물질을 제거한다. Cl2 및 Ar의 플라즈마에 의해, 습식세정에서 기판(111) 상에 잔류하는 황(S) 및 불소(F), 또는 이들과 결합한 오염물질이 제거된다. 플라즈마에 의해 활성화된 Cl이 SixCly형태로 결합하는 것에 의해, 실리콘 기판(111)의 표면을 식각하고, 실리콘 기판(111) 표면의 식각에 의해 오염물질이 제거된다. 제 2 세정단계 후에, 그리고 공정챔버(121)의 내부에 에피텍셜 소오스 물질을 공급하여, 기판(111) 상에 엑피텍셜 성장막(151)을 형성한다.
제 3
실시예
습식세정 후에, 건식세정과 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정을 별도의 챔버에 진행한다.
공정챔버(121)를 세정을 위한 세정용 전용챔버로 사용한다. 세정용 전용챔버의 내부에, Cl2 공급장치(133) 및 Ar 공급장치(139)를 이용하여, Cl2 및 Ar을 공급하고 플라즈마를 발생시켜, 기판(111) 상의 자연 산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거한다. Cl2 및 Ar은 1:1 내지 20:1의 비율로 공급하고, 150 내지 300℃의 온도와 20 내지 500W의 플라즈마의 조건에서, 습식세정에 의해 기판(111) 상에 잔류하는 불소(F) 및 불소(F)와 결합한 오염물질을 제거한다. 플라즈마에 의해 활성화된 Cl이 SixCly형태로 결합하는 것에 의해, 실리콘 기판(111)의 표면을 식각하고, 실리콘 기판(111) 표면의 식각에 의해 오염물질이 제거된다.
그리고, 세정이 완료된 기판(111)을 에피텍셜 성장공정을 위한 전용 챔버(도시하지 않음)로 이동하여, 에피텍셜 소오스 물질을 공급하여, 기판(111) 상에 엑피텍셜 성장막(151)을 형성한다.
제 4
실시예
습식세정 후에, 제 1 단계의 건식세정은 세정 전용챔버에서 실행하고, 제 2 단계의 건식세정 및 엑피텍셜 성장막(151)의 형성공정의 겸용챔버에 진행한다.
공정챔버(121)를 세정을 위한 전용 세정챔버로 사용한다. 제 1 세정단계로 전용 세정챔버의 내부에 SF6 공급장치(137) 및 Ar 공급장치(139)를 이용하여, SF6와 Ar을 공급하고, 150 내지 300℃의 온도범위와 20 내지 500W의 플라즈마를 발생시켜, 기판(111) 상의 자연 산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거한다. 이때, Ar 대신 H2 공급장치(143)를 이용하여 H2를 공급할 수 있다. SF6 및 Ar 또는 H2의 플라즈마에 의해, 습식세정에 의해 기판(111) 상에 잔류하는 불소(F) 및 불소(F)와 결합한 오염물질을 제거한다.
제 2 세정단계로, 제 1 세정단계를 완료한 기판(111)을 세정 및 에피텍셜 성장공정 겸용 챔버로 이동시키고, Cl2 및 Ar을 1:1 내지 20:1의 비율로 공급하고 400 내지 700℃의 온도와, 20 내지 500W의 플라즈마를 발생시켜, 기판(111) 상의 자연 산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거한다. Cl2 및 Ar의 플라즈마에 의해, 습식세정에 의해 기판(111) 상에 잔류하는 불소(F) 및 불소(F)와 결합한 오염물질이 제거된다. 그리고 공정챔버(121)의 내부에 에피텍셜 소오스 물질을 공급하여, 기판(111) 상에 엑피텍셜 성장막(151)을 형성한다.
그리고, 제 4 실시예에서는 제 1 단계 및 제 2 단계의 건식세정을 세정 전용챔버에서 실행하고, 엑피텍셜 성장막(151)은 증착전용 공정챔버에 진행할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술의 엑피텍셜 성장막이 형성된 반도체 소자의 단면도
도 2는 종래기술의 엑피텍셜 성장막을 형성하는 공정챔버의 개략도
도 3s 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 엑피텍셜 성장막이 형성된 반도체 소자의 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑피텍셜 성장막을 형성하는 공정챔버의 개략도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
111 : 기판 113 : 게이트 절연막
115 : 게이트 전극 117 : 측벽
151 : 에피텍셜 성장막
Claims (10)
- (a) 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 기판을 습식세정하는 단계;(c) 상기 기판 상부로 Ar 또는 H2 중 하나와 SF6를 공급하여 상기 기판 상에 형성된 자연산화막, 불소를 포함한 잔존물 및 오염물질을 제거하는 제 1 플라즈마 세정 단계;(d) Cl2 및 Ar을 공급하여 상기 제 1 플라즈마 세정 단계에 의해 상기 기판 상에 잔류하게 되는 황(S) 및 불소(F)와 이들과 결합한 오염물질을 제거하는 제 2 플라즈마 세정 단계;(e) 상기 기판 상에 에피텍셜 성장막을 형성하는 단계를 포함하고,상기 (a) 내지 (e) 단계는 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정방법.
- 삭제
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- 제 1 항에 있어서,상기 (d) 단계는 150 내지 300℃의 온도에서 진행하고, 상기 (e) 단계는 400 내지 700℃의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (d) 단계에서, 상기 Cl2 및 상기 Ar은 1:1 내지 20:1의 공급비율과, 20 내지 500 W의 플라즈마와, 150 내지 300℃의 온도 또는 400 내지 700℃의 온도에서 진행하는 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 세정방법.
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