KR100442167B1 - 자연산화막 제거방법 - Google Patents

Abstract

반응가스의 플라즈마를 사용하지 않기 때문에 기판의 손상을 줄일 수 있는 자연산화막 제거방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 자연산화막 제거방법은, 반응가스의 활성화에 인라인 히터를 사용하며, 특히 반응가스로서 암모니아를, 식각가스로서 NF₃를 사용한다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 이온 충돌에 의한 기판 손상 가능성을 원천적으로 배제할 수 있어서 반도체 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

자연산화막 제거방법 {Method of removing native oxide film}

본 발명은 반도체 기판 상의 자연산화막 제거방법에 관한 것으로서, 특히 반응가스의 플라즈마를 사용하지 않기 때문에 기판의 손상을 줄일 수 있는 자연산화막 제거방법에 관한 것이다.

반도체 기판이 대구경화되고 소자들이 고밀도, 고집적화됨에 따라, 반도체 기판 상에 존재하는 미립자나 금속 불순물 등으로 대표되는 미세 오염(micro-contamination)이 제품의 수율과 신뢰성에 큰 영향을 미치게 되었다. 이 때문에 초 LSI공정에서는 청정화의 중요성이 한층 높아지고 있다. 따라서, 전공정에 걸쳐서 반도체 기판의 표면을 청정하게 보존하는 것이 수율 향상의 과제가 되고 있다.

통상적으로 반도체 소자 제조 공정에서는, 반도체 기판 상에 잔류하는 미립자를 비롯한 금속 불순물, 유기 오염물 및 자연산화막과 같은 표면 피막 등을 제거하기 위하여 습식 세정 공정을 수행한 후, 반도체 기판을 건조시키게 된다. 그러나, 최종세정 후의 반도체 기판 상에는 통상 얇은 두께의 자연산화막이 남아 있게 마련이다.

반도체 제조 공정에 있어서 반도체 기판의 초기 세정 후, 산화 공정 전의 세정 단계와 산화 공정 후, 폴리실리콘막의 증착 후,또는 고온 산화막의 형성 후 반도체 기판을 대기 중에 방치하면 시간이 경과함에 따라 자연산화막이 성장하게 된다. 이 자연산화막은 기 형성되어 있는 산화막의 두께를 변화시키거나 막들 사이의 접촉 면에서 저항을 증가시켜 전류의 흐름을 방해하는 등 완성될 소자의 성능에 바람직하지 못한 결과들을 유발한다. 또한, 자연산화막이 형성되어 있는 상태에서 산화막을 성장시키게 되면 막의 균일성이 저하되고 두께 제어가 어려워지는 문제가 있다.

따라서, 양산 공정에서는 자연산화막이 형성될 수 있는 단계에서 반도체 기판의 정체 시간을 수 시간으로 제한하여 자연산화막의 성장을 억제하는 방법을 사용한다. 즉, 자연산화막의 성장을 제어해야 하는 공정에서 전 공정의 진행 후 수 시간 이내에 다음 단계가 진행될 수 있도록 작업을 표준화하여 자연산화막의 성장을 제어하고 있다. 그러나, 이와 같이 정체시간의 관리를 통하여 자연산화막의 성장을 제어할 경우에는 양산 라인의 제공 관리가 어려워지는 단점이 있다. 즉, 다음 공정의 설비 상황을 확인한 후 현 공정의 진행 여부를 결정해야 하는 문제가 있다.

따라서, 후 공정을 진행하기 전에 자연산화막을 제거하는 단계를 반드시 거치도록 하여 자연산화막의 영향을 배제하도록 하고 있다.

이와 같은 자연산화막의 제거방법으로서, 종래에는 일반적으로 증류수에 의해 희석된 불산(HF) 용액을 사용한 습식식각을 적용하였으나, 이 경우에는 증류수를 사용함에 따라 반도체 기판을 건조한 후에도 다시 자연산화막이 발생하는 문제가 있었다.

따라서, 플라즈마를 사용하는 반응기에서 공정을 진행하는 경우에는, 플라즈마 공정을 진행하기에 앞서서 할로겐 원소의 화합물 기체, 예컨대 SiCl₄, Cl₂, BCl₃, CCl₄, SF₆, NF₃등을 반응기 내에 흘리고 플라즈마 전력을 인가하여 반도체 기판의 표면에 형성되어 있는 자연산화막을 제거하였다. 그러나, 플라즈마에 포함된이온들의 충격에 의해 자연산화막이 제거되지만, 이에 의한 반도체 기판 표면의 손상을 피할 수 없었다. 이와 같은 이유 때문에 최근에 리모트 플라즈마 방식이 많이 사용되고 있다.

도 1은 리모트 플라즈마를 이용한 자연산화막 제거방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 반응기(100) 내의 서셉터(110) 위에 자연산화막 제거 대상인 실리콘 기판(120)이 놓여 있다. 수소 및 질소 가스들은 리모트 플라즈마 발생장치(130)를 통과하면서 원자형태의 수소와 질소로 변한 상태로 반응기(100) 내로 주입되고, 식각용 가스인 NF₃는 리모트 플라즈마 발생장치(130)를 거치지 않고 직접 반응기 내로 주입된다. 반응기 내로 주입된 원자형태의 수소와 질소, 그리고 NF₃는 실리콘 기판 상에 형성되어 있는 자연산화막인 SiO₂와 반응하여 (NH₃)_x(SiF₃)_y등의 휘발성 부산물을 생성한다. 이어서, 서셉터(110)에 내장된 히터(미도시)로 실리콘 기판(120)을 가열하거나, 기판(120)에 대해 후속 열처리를 거치게 하면 휘발성 부산물이 기판(120)의 표면으로부터 탈착되어 자연산화막이 제거된다. 이와 같이 리모트 플라즈마를 이용한 자연산화막 제거방법은 반응기 내에 플라즈마를 직접 발생시켜서 자연산화막을 제거하는 방법에 비해 실리콘 기판을 덜 손상시키지만, 다음과 같은 점에서 여전히 문제점을 가지고 있다.

첫째, 리모트 플라즈마 발생장치(130) 내에서만 생성되어야 할 수소 및 질소의 플라즈마가 반응기(100) 내에까지 유출되어 실리콘 기판(120)의 표면에 충돌함으로써 기판 손상을 유발할 우려가 있다.

둘째, 리모트 플라즈마 발생장치(130)가 고가이며 통상적으로 그 내부에 석영재질의 부품을 채용하고 있는데, NF₃가스가 리모트 플라즈마 발생장치(130)로 확산되어 들어갈 경우, 불소이온이 형성되어 석영재질의 부품을 부식시킬 가능성이 있다.

셋째, 리모트 플라즈마 발생장치에 의해 원자화된 수소 및 질소, 그리고 NF₃가스를 자연산화막 제거용 가스로 사용할 경우, 그 반응 메커니즘 상, 상온이나 그 이하의 온도에서 식각률이 높고, 온도가 올라갈수록 식각률이 낮아지는 문제가 있다. 따라서, 에피택셜층의 성장온도, 예컨대 550℃∼750℃에서도 균일한 식각률로 자연산화막을 제거할 수 있는 반응 메커니즘을 제공하는 식각 가스의 선택이 요구된다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 실리콘 기판의 손상을 줄일 수 있는 자연산화막 제거방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, 에피택셜층의 성장온도에서도 균일한 식각률을 나타냄으로써 공정 마진(margin)을 확보할 수 있는 자연산화막 제거방법을 제공하는 것이다.

도 1은 리모트 플라즈마를 이용한 자연산화막 제거방법을 설명하기 위한 도면; 및

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자연산화막 제거방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 반응기

110 : 서셉터

120 : 실리콘 기판

130 : 리모트 플라즈마 발생장치

220 : 인라인 히터가 설치된 가스 공급라인

222 : 인라인 히터가 설치되지 않은 가스 공급라인

230 : 인라인 히터

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자연산화막 제거방법은:

적어도 2개의 가스 공급라인들을 갖되, 상기 가스 공급라인들 중의 어느 하나에 통과 가스를 가열하는 인라인 히터가 설치된 반응기에서 이루어지는 것으로서,

상기 반응기 내에 자연산화막이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 위치시키는 단계와;

상기 인라인 히터가 설치된 가스 공급라인을 통해 암모니아 가스를 통과시키면서 상기 인라인 히터의 온도를 700∼1300℃로 가열하여 상기 암모니아 가스를 해리시키는 단계와;

상기 인라인 히터가 설치되지 않은 가스 공급라인을 통해 NF₃가스를 공급하는 단계;

상기 암모니아 가스로부터 해리된 수소 및 질소, NF₃가스와 상기 기판 상의 자연산화막이 서로 반응하여 휘발성 부산물을 형성하도록 하는 단계와;

상기 기판을 가열하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 인라인 히터의 온도는 800℃∼1000℃ 범위 내로 조절되는 것이 바람직하며, 상기 암모니아 가스의 공급단계에서, 상기 인라인 히터가 설치된 가스 공급라인에 암모니아와 더불어 수소 및 질소 가스를 더 공급할 수도 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도면에서 동일 참조부호는 동일 구성요소를 나타내며, 중복을 피하기 위해 별도의 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자연산화막 제거방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 반응기(100) 내에 제1 및 제2 가스 인젝터들(220a, 222a)이 삽입되어 있고, 제1 및 제2 가스 인젝터들(220a, 222a)은 각각 가스 공급라인들(220, 222)에 연결되어 반응기(100) 내에 가스를 분사시킨다. 한편, 제1 가스 공급라인(220)의 중간에는 인라인 히터(230)가 설치되어 있으며, 제2 가스 공급라인(222)에는 인라인 히터가 설치되어 있지 않다. 이와 같은 구성을 가진 장비에서, 우선 제거하고자 하는 자연산화막이 자신의 표면에 형성된 실리콘 기판(120)을 반응기(100) 내의 서셉터(110) 위에 위치시킨다. 이어서, 인라인 히터(230)의 온도를 900℃로 올린 후, 제1 가스 공급라인(220)을 통해 암모니아, 질소 및 수소의 혼합가스를 공급하여, 암모니아 가스를 해리시키는 동시에 활성화된 질소 및 수소가스를 얻는다. 암모니아 가스는 질소 가스나 수소 가스에 비해 낮은 해리온도(cracking temperature)를 가지므로 쉽게 활성화된 질소, 수소 및 암모니아 가스를 얻을 수 있다. 이렇게 하면서, 제2 가스 공급라인(222)을 통해서는 NF₃가스를 공급하며, 서셉터(110) 내에 내장된 히터(미도시)를 이용하여 기판(120)을 가열한다. 이와 같이 하면, NF₃와 해리된 질소, 산소 종들이 기판(120) 상의 자연산화막과 반응하여 고온 휘발성이 강한 SiO_wN_xH_yF_z등의 부산물을 형성한 후에 탈착되어 자연 산화막이 제거된다.

상기한 바와 같이, 가스 플라즈마 대신 열에너지에 의해 활성화된 가스를 자연산화막에 이용하면 이온 충돌에 의한 기판 손상 가능성을 원천적으로 배제할 수 있어서 반도체 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 반응가스로서 질소나 수소 외에 해리온도가 낮은 암모니아를 사용하기 때문에 종래기술과는 화학반응 메커니즘을 적용할 수 있어서 고온에서도 균일한 식각률을 나타내고 공정 마진을 확보할 수 있다. 또한, 플라즈마에 의한 불소이온 형성가능성이 없으므로 석영제 부품의 손상도 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 적어도 2개의 가스 공급라인들을 갖되, 상기 가스 공급라인들 중의 어느 하나에 통과 가스를 가열하는 인라인 히터가 설치된 반응기를 준비하는 단계와;

   상기 반응기 내에 자연산화막이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 위치시키는 단계와;

   상기 인라인 히터가 설치된 가스 공급라인을 통해 암모니아 가스를 통과시키면서 상기 인라인 히터의 온도를 700∼1300℃로 가열하여 상기 암모니아 가스를 해리시키는 단계와;

   상기 인라인 히터가 설치되지 않은 가스 공급라인을 통해 NF₃가스를 공급하는 단계;

   상기 암모니아 가스로부터 해리된 수소 및 질소, NF₃가스와 상기 기판 상의 자연산화막이 서로 반응하여 휘발성 부산물을 형성하도록 하는 단계와;

   상기 기판을 가열하는 단계;

   를 구비하는 자연산화막 제거방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 인라인 히터가 800℃∼1000℃ 범위 내의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 자연산화막 제거방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 암모니아 가스의 공급단계에서, 상기 인라인 히터가 설치된 가스 공급라인에 암모니아와 더불어 수소 및 질소 가스를 더 공급하는 것을 특징으로 하는 자연산화막 제거방법.