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KR20070034824A - 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 방법및 장치 - Google Patents

대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 방법및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 표면을 대기압 플라즈마 분위기에서 세정함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법은 대기압 플라즈마를 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면을 세정하는 방법에 있어서, 세정 소스를 세정 소스 챔버로 공급하는 단계; 상기 세정 소스의 이동을 돕기 위하여 캐리어 가스를 세정 소스 챔버로 주입하는 단계; 상기 세정 소스 챔버에서 캐리어 가스를 이온화 시키는 이온화 단계 및 이온화된 상기 캐리어 가스와 상기 세정 소스를 혼합하여 반응 챔버로 공급하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마, 리모트 플라즈마, 세정 소스, 히터

Description

대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 방법 및 장치{Silicon wafer surface cleaning methode using atmospheric pressure plasma and its apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 세정 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 세정 장치의 구성도.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
200: 반응 챔버 210: 리모트 플라즈마 발생기
220: 히터 230: 캐리어 가스 주입관
280: 세정 소스 챔버
본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 세정 소스와 대기압 플라즈마를 이용하여 실리콘 웨 이퍼를 세정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모든 실리콘 웨이퍼 공정에 있어서, 공정 자체는 실리콘 웨이퍼를 오염시키는 근원으로 작용하며, 이는 소자의 성능과 수율에 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 각 공정 후 실리콘 웨이퍼 표면의 오염물은 기하급수적으로 늘어나게 되고, 오염물에 의해 반도체 소자의 수율은 급격히 감소하게 된다. 실리콘 웨이퍼의 세정 공정을 통해 실리콘 웨이퍼 표면의 모든 오염물을 완벽히 제거하는 것이 이상적이지만 그것은 거의 불가능하다고 할 수 있다. 실제로 실리콘 웨이퍼 세정 공정은 각 공정의 전과 후에 실시하여 오염물의 기하급수적인 증가를 최소한의 비율로 감소시키는 것이 그 주된 목적이다. 따라서 실리콘 웨이퍼 세정 공정은 모든 공정 전 후에 반드시 행해져야 한다.
종래 반도체 공정에서 사용하는 습식 세정 공정은 종래의 RCA 세정 방법을 근간으로 화학액의 조성에 큰 변화없이 사용되고 있다. RCA세정은 암모니아와 같은 염기성을 주로 사용하는 SC1 세정공정과 염산과 같은 산성 용액을 사용하는 SC2 세정 공정으로 나눌 수 있다.
RCA세정 공정 중 SC1(Standard Clean-1, APM) 세정 공정은 암모니아, 과산화수소 그리고 물을 1:1:5의 비율로 혼합하여 75-90℃ 정도의 온도에서 실리콘 웨이퍼 표면의 파티클과 유기 오염물을 가장 효과적으로 제거하기 위하여 이용되고 있다. SC1 세정 공정에서 사용되는 용액은 과산화수소에 의한 산화반응과 암모니아에 의한 에칭 반응이 동시에 일어나기 때문에 두 용액의 농도비가 매우 중요하다. 암모니아는 실리콘 웨이퍼를 이방성으로 에칭시키고 에칭 속도가 매우 크다. 따라서 과산화수소에 의한 표면 산화가 실리콘 웨이퍼 표면의 거친 정도를 감소시키는 역할을 한다.
암모니아에 의한 실리콘 웨이퍼 표면의 에칭과 과산화수소에 의한 실리콘 웨이퍼 표면의 산화 반응이 동시에 일어나 표면의 파티클을 효과적으로 제거한다. 하지만, SC1 세정 용액은 낮은 리독스 포텐셜(Redox potential)에 의해 표면의 금속 오염을 피할 수 없다는 단점이 있다. SC1용액에서 발생한 금속 오염물을 제거하기 위해 SC2 세정 공정이 등장하게 되었다.
SC2(Standard Clean-2, HPM) 세정 공정은 염산, 과산화수소 그리고 물을 1:1:5의 비율로 혼합하여 75-90℃ 정도의 온도에서 천이성 금속 오염물을 제거하기 위해 사용되고 있다. 과산화수소와 염산에 의한 전기 화학적 반응에 의해 실리콘 웨이퍼 표면과 전기적으로 결합한 금속 오염물을 효과적으로 제거한다. SC1용액에서 오염된 금속 불순물은 Si보다 전기 음성도가 높아 Si으로부터 전자를 빼앗아 전기화학적으로 반응하여 표면에 오염된다. 이런 금속 불순물을 제거하기 위해 금속보다 전기 음성도가 큰 SC2용액이 사용되어야 한다. 대부분의 금속 오염물들은 희석시킨 염산만으로도 제거가 가능하다. 하지만 전기 음성도가 큰 노블메탈(noble metal:Cu,Au)은 희석시킨 염산만으로 제거하기 어렵기 때문에 염산과 과산화수소가 혼합된 세정 용액으로 제거해야 한다.
또한, 황산과 과산화수소를 혼합한 SPM(Piranha) 용액은 고온에서 감광제나 계면활성제 같은 유기 오염물을 제거하기 위해 사용하고 있다. 과산화수소에 의한 유기물 산화 및 용해 반응과 황산에 의한 유기물 소각(burning) 반응에 의해 효과 적으로 유기 오염물을 제거한다. 그러나 세정공정은 고온에서 이루어지기 때문에 과산화수소의 분해가 급격히 일어난다. 따라서 세정 용액이 매우 불안정하고 세정 용액의 수명이 약 8~12시간 정도로 매우 짧은 단점이 있다.
위의 세정 공정들은 모두 산화제를 포함하고 있어 세정 공정 후 실리콘 웨이퍼 표면에 화학적 산화막이 생성된다.
DHF 세정 용액을 이용한 세정 공정은 가장 마지막 단계에 수행되는 공정으로 여러 세정 공정 도중에 생성된 케미컬 옥사이드(chemical oxide)나 옥사이드(oxide)내에 포함된 금속 오염물을 효과적으로 제거할 수 있다. HF를 이용한 마지막 세정 후 실리콘 웨이퍼 표면의 접촉각은 약 72°를 나타내고 이 경우 표면이 H-터미네이션(termination)된다. HF세정 용액은 산화막 내에 포함되어 있는 금속 오염물을 효과적으로 제거할 수 있지만, Cu, Au와 같은 노블금속(noble metal)을 제거하기는 힘들다. 따라서, 종래기술에 따르면 SC2용액을 세정 공정에서 제거하기 위해 HF내 산화제인 과산화수소를 첨가한 세정 용액이 사용되고 있다. HF에 의해 표면 산화막과 산화막 내 금속이 제거되고 과산화수소에 의해 상기 노블금속(noble metal)이 제거된다. 하지만, 과산화수소에 의한 실리콘 웨이퍼 표면의 국부적 산화에 의해 표면이 거칠어지는 단점이 있다.
결국 습식 세정공정은 우수한 세정효과를 갖고 있지만 온도 및 습도에 의존하며, 상술한 바와 같은 다단계로 세정을 해야 한다는 단점이 있고, 이는 공정 단계의 증가로 이어져 제품의 단가 상승 및 수율에 영향을 끼치게 된다.
또한, 소자 또는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 세정할 경우 패턴이나 소자 가 다단계의 세정공정에 사용되는 식각액에 의하여 수축하는 현상이 발생하여 소자의 불량율이 증가함으로 인해 수율이 낮아진다는 단점이 있다. 그리고, 폐수 처리로 인하여 환경을 오염시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 표면을 대기압 플라즈마를 이용하여 세정함에 목적이 있다.
본 발명의 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 방법은 대기압 플라즈마를 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면을 세정하는 방법에 있어서, 세정 소스를 세정 소스 챔버로 공급하는 단계; 상기 세정 소스의 이동을 돕기 위하여 캐리어 가스를 세정 소스 챔버로 주입하는 단계; 상기 세정 소스 챔버에서 캐리어 가스를 이온화 시키는 이온화 단계 및 이온화된 상기 캐리어 가스와 상기 세정 소스를 혼합하여 반응 챔버로 공급하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 장치는 반응 챔버; 세정 소스를 상기 반응 챔버로 공급하기 위한 세정 소스 챔버; 상기 세정 가스의 이동을 돕기 위하여 캐리어 가스를 주입하기 위한 캐리어 가스 주입관; 및 상기 캐리어 가스를 플라즈마로 바꾸기 위한 리모트 플라즈마 발생기를 포함할 수 있 다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 세정방법 흐름도이다.
먼저 세정공정이 시작되면 세정 소스 가열(S100a)과 캐리어 가스주입(S100b)이 시작된다. 세정 소스는 액체 또는 기체를 사용할 수 있으며, 가스의 경우에는 히터에 의한 가열없이 공급된다.
본 발명에 따른 일실시예로서 세정 소스가 액체인 경우는 기체 상태로 바꾸기 위하여 히터를 사용할 수 있다. 세정 소스는 HCl과 같은 염소가스(xCl) 종류를 사용하고, 증류수와 일정비율로 혼합시킴으로써 갑작스런 온도 상승에 따른 세정 소스의 불안정화를 방지한다.
세정 소스 가열(S100a)과 동시에 이루어지는 캐리어 가스주입(S100b)은 플라 즈마를 발생시키기 위하여 Ar, O2 또는 N2가 사용된다. 캐리어 가스는 플라즈마 발생을 위한 소스로 사용될 뿐만 아니라, 기화된 세정 가스를 반응 챔버내로 이동시키는 역할도 한다.
가열된 세정 소스는 가스화(S200a)되고 동시에 주입된 캐리어 가스는 리모트 플라즈마 발생기(210)에서 이온화 되어 플라즈마(S200b)로 된다. 세정 가스는 리모트 플라즈마 발생기(210)를 거쳐 플라즈마와 혼합(S300)된 상태로 반응 챔버(200)내로 들어가 실리콘 웨이퍼를 세정(S400)한다. 플라즈마는 세정하고자 하는 실리콘 웨이퍼를 직접적으로 세정하지 않고, 세정 가스에 의하여 실리콘 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 불순물과 결합하여 표면으로 부터 이탈된다.
캐리어 가스가 O2 인 경우를 살펴보면, 리모트 플라즈마 발생기(210)에 의하여 이온화되어 산소 이온으로 되고, 산소 이온들은 실리콘 웨이퍼 표면에 있는 탄소와 결합하여 이산화탄소(CO2)의 형태로 표면으로부터 이탈된다.
액체 세정 소스인 HCl의 경우, 가열되면 H이온과 Cl이온으로 분리되고, Cl이온이 웨이퍼의 표면에 접촉하게 되는 경우, 웨이퍼 표면에서 SiCl의 형태로 바뀌면서 실리콘 웨이퍼 표면부터 이탈되는 세정 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 세정 장치이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼(240), 실리콘 웨이퍼를 받쳐주는 홀더(250) 및 균일한 세정을 위한 로테이터(260)를 포함하는 반응 챔버(200)와 반응 챔버 외부의에 위치한 리모트 플라즈마 발생기(210) 및 세정 소스 챔버(280)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소스 챔버(280)는 액체의 소스를 기체화하기 위하여 히터(220)를 포함할 수 있다. 리모트 플라즈마 발생기(210)와 세정 소스 챔버(280) 사이에는 캐리어 가스를 주입하는 주입관(230)이 위치하고 있다. 반응 후 발생하는 가스는 상기 반응 챔버(200) 하부에 위치한 배기관(270)을 통하여 외부로 배출된다. 상기 반응 챔버, 세정 소스 챔버 및 캐리어 가스 주입관에는 도시되어 있지는 않지만 유량 조절 밸브가 있어 조건에 따라 조절할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 대기압 플라즈마를 사용하여 웨이퍼를 세정함으로써, 습식 세정에 의한 공정보다 세정 단계를 줄일 수 있고, 이로 인하여 공정단계를 대폭 줄여 수율 향상을 기대할 수 있다. 그리고, 리모트 플라즈마를 사용하여 소량의 세정 소스만으로도 웨이퍼 상에 형성된 패턴 또는 소자를 손상없이 세정할 수 있다.
또한, 대기압상에서 세정공정을 함에 따라 고가의 진공 장비의 구성을 피할 수 있고, 이에 따라 제조 단가를 줄어듬으로써 경제적인 측면에서도 이득을 가져올 수 있다. 그리고, 유해한 식각액을 다량으로 사용하지 않음으로써, 환경 오염문제를 줄일 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 대기압 플라즈마를 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면을 세정하는 방법에 있어서,
    세정 소스를 세정 소스 챔버로 공급하는 단계(S1);
    상기 세정 소스의 이동을 돕기 위하여 캐리어 가스를 세정 소스 챔버로 주입하는 단계(S2);
    상기 세정 소스 챔버에서 캐리어 가스를 이온화 시키는 이온화 단계(S3) 및
    이온화된 상기 캐리어 가스와 상기 세정 소스를 혼합하여 반응 챔버로 공급하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 단계(S4)
    를 포함하는 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세정 소스는 액체 또는 기체중 어느 하나인 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 세정 소스가 액체인 경우 증류수와 혼합되어 사용되는 대기압 플라즈마 를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 Ar, O2 또는 N2 중 어느 하나인 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정방법.
  5. 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 세정 장치에 있어서,
    반응 챔버;
    세정 소스를 상기 반응 챔버로 공급하기 위한 세정 소스 챔버;
    상기 세정 가스의 이동을 돕기 위하여 캐리어 가스를 주입하기 위한 캐리어 가스 주입관; 및
    상기 캐리어 가스를 플라즈마로 바꾸기 위한 리모트 플라즈마 발생기
    를 포함하는 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세정 소스 챔버는 히터를 포함하는 대기압 플라즈마를 이용한 실리콘 웨이퍼 표면 세정 장치.
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