KR100322168B1 - 아아크가발생하지않는플라즈마-기지반도체에칭장치 - Google Patents

아아크가발생하지않는플라즈마-기지반도체에칭장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응성 이온 식각 또는 자기적으로 향상된 반응성 이온 식각장치를 제공하려는 것이다. 본 발명에 따른 이온 식각장치는 음극 지지구조물, 음극 주위로 배치된 차폐 구조물, 음극과 차폐 구조물 사이에 배치된 절연체, 그리고 절연체의 상부 테두리와 부합될수 있는 고정 링으로 구성된다. 절연체는 차폐 구조물과 고정 링사이에서 외부로 연장된 플랜지를 구비한 원통형상을 갖는다. 절연체의 상부 테두리와 고정링 사이의 간격은 차폐 구조물과 음극사이에서 RF 연결 경로를 제한하도록 580m(20,000inch)이하로 조절된다. 또한, 플랜지는 차폐 구조물과 음극 사이의 플라즈마 전도경로를 중단시키도록 작용한다. 차폐 구조물과 음극 사이의 플라즈마 전도를 금지시킴으로써, 본 발명에 따른 반응성 이온 식각장치는 아아크의 발생이나 2차 플라즈마의 여기없이, 고압 및 고전력하에서 작동하게 된다.

Description

아아크가 발생하지 않는 플라즈마-기지 반도체 에칭 장치
본 발명은 플라즈마-기지 처리 장치(plasma-based processing systems)에 관한 것이며, 특히 아아크의 발생을 억제할 수 있는 플라즈마-기지 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치를 제조하는데 에칭 공정이 빈번하게 이용된다. 통상적으로, 반도체 장치 구조물내의 층들은 박막 상에 포토레지스트 마스크를 형성하면서 반도체 기판상에 소정 재료의 박막 층을 증착시키고, 에칭 단계에서 포토레지스트 마스크에 의해서 노출된 잔류물을 제거함으로써 형성된다. 반응 이온 에칭(RIE:Reactive Ion Etching)기술의 다수의 특징들은 반응 이온 에칭기술을 다수의 다른 에칭 기술들 보다 현재의 반도체 장치에서 요구되는 극한 조건들에 부합되게 한다. 반응 이온 에칭 기술에 의해서 달성되는 고 수치의 방향성 선택도(directional selectivity) 때문에 보다 큰 밀도의 반도체 구조물들이 형성될수 있다. 또한, 비교적 낮은 온도에서 수행되는 반응 이온 에칭(RIE)은 그와 같은 공정이 반도체 장치의 추후 처리단계와 양립할 수 있게 한다.
포토레지스트 마스크를 형성하고 그 다음에 재료를 제거하도록 에칭을 수행하는 공정은 반도체 장치의 제조에 있어서 수회 반복된다. 그러므로, 에칭 공정은 반도체 장치의 제조에 요구되는 공정 뿐만아니라 그러한 공정에 대한 생성물에 상당한 충격을 가한다. 최근의 반도체 장치를 형성하기위해 다수의 공정 단계들이 채용됨에 따라, 공정의 생산고를 증가시키기 위하여 에칭 단계들에 요구되는 시간을 줄일 필요가 있다. 또한, 에칭 공정의 신뢰성 및 예측성을 개선시킬 필요가 있다.
반응 이온 에칭, 및 자기 강화 반응 이온 에칭(MERIE:Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching)의 관련기술은 물리적인 충격, 화학적 에칭 및 화학 증착의 과정을 통해서 포토레지스트 마스크에 의해 보호되지 못한 박막 층의 일부를 제거한다. 이러한 반응 이온 에칭 공정들에 있어서 에칭기판 위에서 생성된 플라즈마로부터의 화학적인 에칭제(etchant)는 에칭될 재료의 표면위로 전달되어 흡수된다. 이온 충격으로 흡수된 에칭제 종들이 고에너지 상태를 초래하고 재료의 표면반응을 가속화 시키도록 추가의 에너지를 제공한다. 통상적으로, 화학적인 에칭제는 에칭이 포토레지스트 마스크의 표면들보다는 박막 층의 노출된 부분에서 주로 발생하도록 선택된다. 통상적으로 휘발성을 갖는 반응된 재료는 진공 배기라인을 통해서 반도체 장치의 표면으로부터 제거된다. 통상적으로, RIE 또는 MERIE 장치는 용량성으로 연결된 플라즈마를 발생시키기 위하여 단일의 RF 전력공급된 음극을 사용한다. 따라서, 상부 덮개를 포함하는 에칭 장치의 벽은 RF 필드의 범위와 플라즈마가 발생되는 영역을 한정하기 위한 장치내에서 접지된다.
통상적으로, 반응 이온 에칭 환경의 최적화는 에칭챔버내에서 작동압력을 최적화시킨다. 염소(즉, cl2기지 화합물), 탄화플루오르, 또는 다른 유사한 화학적 성질의 물질이 에칭 장치 내에서 사용될 때, 물리적인 충격과 화학적 에칭의 영향 사이에서의 양호한 균형을 얻기 위하여 비교적 높은 압력(약 100 mTorr 내지 250 mTorr)하에서 작동하는 것이 바람직하다. SF6또는 NF3와 같은 화학적으로 강한 에칭제가 사용되는 경우에는 비교적 낮은 작동압력이 바람직하다. 높은 작동압력들은 플라즈마내의 에칭제의 밀도 및 에칭 기판의 표면으로의 에칭제들의 이동속도를 증가시킬수 있다. 많은 환경하에서, 작동 압력들은 에칭될 재료와 포토레지스트 마스크 사이의 선택도를 개선시킬 수 있다. 높은 작동압력하에서 양호한 에칭형상을 얻도록 적당한 직류 바이어스를 유지하기 위해서는 고 수치의 RF 전력 입력을 필요로한다. RIE 및 MERIE장치는 높은 작동압력 하에서 보다 큰 안정성 및 감소된 에칭 잔류물을 나타낸다.
RF 전력을 반응 이온 에칭 장치로 전달하는데는 통상적으로 두가지 형식의 음극 구조물들이 사용된다. "단절된 음극(isolated cathode)" 구조물은 절연체에 의해서 챔버벽과 단절된 음극을 사용한다. 비록 이러한 음극구조물은 단순하고 비교적 신뢰성이 있지만, 음극에 대한 RF 전력입력은 진공을 통해서 챔버에 연결된다. 이에 의해 바람직하지 않은 2차 플라즈마가 발생하게된다. 두번째 형식의 음극 구조물은 에칭장치의 음극과 벽들 사이에 차단 구조물을 위치시킨다. "차폐된 음극(shielded cathode)" 설계에 있어서, 통상적으로 접지된 실린더 형태인 차폐 구조물이 음극 주위로 위치된다. 통상적으로 원통형인 절연 실린더는 음극을 차폐 구조물로부터 물리적 및 화학적으로 분리시킨다. 접지된 차폐 구조물은 에칭챔버의 음극과 벽들사이에서 2차 플라즈마가 발생하는 것을 방지한다. 그러나, 그와 같은 상황하에서 RF 전력공급된 음극과 접지된 차폐 구조물 사이에 아아크가 발생한다.
특히, 고 작동압력 및 고 RF 입력전력은 전력공급된 음극과 접지된 차폐 구조물 사이의 단거리에 걸쳐서 제공된 높은 전위강하 때문에 아아크가 자주 발생하게 된다. 고압 및 고 입력전력 작동과 연관된 얇은 플라즈마 시스(sheath)는 RF 전력공급된 음극과 접지된 차폐 구조물 사이의 좁은 공간에서 2차 플라즈마가 쉽게 발생하게 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예는 플라즈마를 여기시킬수 있는 음극을 포함하는 에칭장치이다. 음극과는 다른 전위로 유지될 차폐 구조물은 음극의 적어도 일부및 그 주위에 인접하게 배치된다, 음극과 차폐 구조물 사이에는 절연 구조물이 배치된다. 절연 구조물 내, 또는 절연구조물과 음극 또는 차폐 구조물 사이의 간극은 음극과 차폐 구조물 사이에서 가스 전도경로를 한정하며, 2차 플하즈마의 발생을 가능하게 하는 임계 두께 이하의 그와같은 가스 전도 경로중 적어도 일부에 걸쳐서 한정된다.
본 발명에 따른 반응 이온 에칭 장치의 또 다른 바람직한 실시예는 플라즈마를 여기시킬수 있는 고주파수의 전력 공급원에 연결된 음극을 포함한다. 차폐 구조물은 음극의 적어도 일부분에 인접하게 배치되고, 차폐 구조물은 음극과는 다른 전위에서 유지될수 있다. 절연 구조물은 음극과 차폐구조물 사이에 배치되는데, 절연구조물의 테두리는 음극의 표면 또는 차폐구조물의 테두리를 지나서 연장된다. 절연구조물의 테두리는 그위에 배치된 캡을 갖추고 있다. 그리하여, 캡은 차폐 구조물과 음극사이에서 가스 전도경로의 적어도 일부분을 한정한다. 가스 전도경로를 중단시키기 위하여 절연 구조물로 부터 플랜지가 연장되어 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 있어서, 음극은 플라즈마를 여기시킬 수 있는 고주파수의 전력원에 연결된다. 차폐 구조물은 음극의 적어도 일부분에 인접하여 배치되고 차폐 구조물은 음극과는 다른 전위에서 유지된다. 음극과 차폐 구조물 사이에는 절연구조물이 배치된다. 그리하여, 절연구조물의 테두리는 음극의 표면 또는 차폐 구조물의 테두리를 지나서 연장된다. 캡 구조물이 음극의 테두리에 인접하게 배치되어서 절연구조물내로 끼워 맞추어진다. 그리하여 캡 구조물은 충분하게 얇은 간극으로 절연구조물과 이격된다. 이에의해, 150mTorr를 초과하는 작동압력에서는 상기 간극내에 2차 플라즈마가 발생하지 않는다. 이러한 바람직한 실시에의 또다른 형태에 따르면, 0.051cm(0.02 inch) 이하의 간극은 절연 구조물의 테두리로부터 캡 구조물을 분리시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 음극은 플라즈마를 여기시킬 수 있는 고주파수의 전력원에 연결된다. 차폐 구조물은 음극과는 다른 전위에서 유지된다. 음극과 차폐 구조물 사이에는 절연 구조물이 배치된다. 그리하여, 절연 구조물의 테두리는 음극의 표면 또는 차폐 구조물의 테두리를 지나서 연장된다. 에칭장치는 150mTorr 또는 그이상의 작동압력에서 음극화 차폐구조물 사이에서 플라즈마의 전도를 제한하는 수단을 더 포함한다.
본 발명은 일반적으로 반응 이온 에칭 장치 또는 자기 강화 반응 이온 에칭 장치에 관한것이다. 이러한 장치들은 용이한 설명을 위해서 반응 이온 에칭 장치로서 언급될 것이다. 종래 기술에 따른 RIE 장치는 향상된 작동안 정성, 개선된 에칭율, 감소된 잔류물을 얻기에 바람직한 놓은 작동압력을 유지하는데 사용된다. 본 발명의 발명자는 종래기술에 따른 RIE 장치의 차폐된 음극에 있어서의 전기 절연 파괴(breakdown)에 대한 주요 메카니즘을 밝혀내었다. 명백하게도, 기계 부속품은 장치 내의 접지된 차폐 구조물과 장치의 음극 사이에서 이온화 가스가 유동 할 수 있도록 하기 위하여 정상적인 작동과정 동안에 충분하게 느슨해진다. 전기를 전도하도록 이온화가스, 즉 플라즈마가 이동하여야 하는 경로를 느슨하게 하거나 또는 제한함으로써, 이러한 메카니즘에 의해서 발생하게될 절연 파괴가 크게 줄어들게 되고, 차폐된 음극 RIE 장치내에서의 고압력 작동이 가능하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 플라즈마 전도경로는 음극과 차폐 구조물 사이에서 플라즈마의 유동을 정상적인 전도 경로로 부터 전환시키기 위하여 절연 플랜지를 연장함으로써 중단될 수 있다. 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에서, 플라즈마 전도경로는 각기판을 제위치에 고정시키는데 사용된 절연구조물과 클램프 링구조물 사이의 간극의 크기를 감소시킴으로써 제한된다. 이러한 기계적인 이음매에 대한 가공허용 오차를 실질적으로 개선시킴으로써, 아아크의 발생을 크게 줄일수 있는 플라즈마 전도경로를 만들어낼수 있다.
제 1도는 종래 기술에 따른 RIE 장치의 단면도이다. 도면부호 '12'는 지지 구조물을 나타내며, 그 기능은 음극 역할을 한다. 에칭장치는 지지 구조물(12)상에 배치된 에칭기판(10)으로 구성된다. 대부분, 에칭 기판(10)은 공정의 중간 단계에서 반도체 웨이퍼가 된다. 에칭 기판은 지지 구조물(12)에 대하여 일시적으로 단단하게 장착된다. 예를 들어,지지 구조물은 정전기 척내에 조성된 전하와 절연 에칭기판 사이에 큰 정전 인력을 유도함으로써 에칭 기판을 제위치에 고정시키는 정전기 척이다. 이와는 달리, 에칭 기판은 제 1도에 도시된 바와같이 클램프 링(14)에 의해서 제위치에 고정된다.
에칭 과정중에, 지지 구조물(12)은 에칭 장치용 음극으로서 바람직하게 작용한다. 일반적으로, 에칭장치에 대한 양극은 에칭챔버의 상부면, 즉 덮개(16)이다. 그러나, 에칭 챔버의 벽(17)도 에칭장치 양극의 일부로서 작용한다. 에칭 챔버의 덮개(16)와 벽(17) 모두는 바람직하게 접지된다. 또한, BCl3,Cl2,HBr ,SF6,C2F6또는 CF4와 같은 분자 가스가 에칭챔버의 음극과 덮개(16)사이의 지역으로 도입된다. RF 전력이 음극으로 인가된다. 그리하여, RF 전력은 분자가스에 용량성으로 연결되어 분자가스를 여기시키고, 플라즈마를 만들어 내도록 가스를 부분적으로 또는 완전하게 이온화 시킨다. 분자가스는 선택되고나서 에칭종들을 산출하도록 이온화한다. 에칭종들은 에칭 기판(10)의 표면으로 부터 원하는 재료를 에칭시키기에 적합하다. 에칭 챔버의 벽(17) 및 덮개(16)의 표면적과 음극의 표면적 사이의 차이는 에칭 장치의 RF 회로가 비대칭임을 의미한다. 결과적으로, RF 전력이 음극에 인가되는 경우, 음극상에 직류 바이어스가 유도된다 유도된 직류 바이어스는 통상적으로 네가티브이고, 에칭기판 쪽으로 양이온들을 가속시키는 경향이 있다. 이온화된 에칭가스들을 에칭 기판쪽으로 더욱 가속화 시키기위하여 추가의 직류장이 인가될 것이다. 유도되어 인가된 직류장은 에칭 기판(10) 표면으로의 에칭제의 전달을 증가시키고 에칭기판의 표면에 도달하는 에칭 분자들의 운동에너지를 증가시킴으로써, 에칭율을 개선시킨다.
에칭율을 개선시키기 위해서는 고 플라즈마 밀도와 고 이온화 수치가 바람직하다. 고 플라즈마 밀도 또는 고 이온화 수치를 얻기위해서는 매우 높은 수치의 입력 전력이 요구된다. 실제적으로, 에칭을 위한 플라즈마는 처리챔버의 잘 한정된 지역내에 포함되어야 한다. 만약, 플라즈마가 적당하게 포함되어 있지않으면, 플라즈마를 여기시키는데 RF 발생기가 사용될 지라도 플라즈마를 유지시키기에는 불충분한 전력밀도가 얻어지게 된다. 안정한 플라즈마의 형성을 용이하게 하기위하여,플라즈마 그 자체 뿐만아니라 플라즈마를 만들어내는데 사용된 전기장을 포함하도록 공정 환경내에서 다수의 측정값들을 취한다. 에칭 챔버의 덮개(16)와 지지 구조물(12)은 서로 근접하게 이격되고, 플라즈마 가스는 다른 방식으로 물리적으로 한정된다. 예를들면, 링(8)은 에칭 기판(10)에 인접한 지역내에서 플라즈마 가스를 부분적으로 한정하도록 클램프 링(14)으로부터 연장된다.
차폐된 음극 RIE 장치에 있어서, 플라즈마를 만들어내는데 사용된 RF 전기장은 에칭 플라즈마의 형성에 기여하지 않는 방식으로 전력의 분산을 방지하도록 포함된다. 그와같은 예가 제 1도에 도시되어 있다. 차폐 구조물(18)은 RF 구동장을 포함하도록 음극 지지구조물(12) 주위로 배치된다. 차폐 구조물(18)은 가능한한 음극 지지 구조물(12) 근처로 배치되고, 바닥전위에서 유지된다. 따라서, 차폐 구조물(18)은 어느 정도는 반응 이온 에칭장치에 대한 양극으로서 작용한다. 플라즈마로 부터 나오는 이온화된 가스와 연결된 음극 지지 구조물(12)에 대하여 차폐 구조물(18)이 근접하게 위치함으로써, 적절한 조처를 취하는 한 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에 전기 전도가 이루어진다. 그와같은 전기전도는 입력전력을 회수하여 플라즈마의 절연 파괴를 유발시키는 단 회로이다.
차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이의 전도를 방지하기 위하여, 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에 절연체(20)가 배치된다. 절연체(20)는 석영으로 형성된다. 왜냐하면, 석영은 내구성, 인성 및 절연특성이 우수하기 때문이다. 알루미나와 같은 절연 세라믹을 포함하여 다른 절연재료가 사용될수도 있다. 제 1도에 도시된 바와 같이, 절연체(20)는 원통형상 또는 파이프 형상을 갖는다. 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에 절연체(20)를 제공하고, 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)을 전기적으로 격리시키기 위하여 절연체(20)위로 폐새 끼움의 캡을 제공한다. 예를 들어, 클램프 링 구조물이 사용되는 경우, 클램프 링(14)은 홈을 갖추게 되는데, 이 홈은 절연체(20)의 테두리와 부합되는 직각형의 단면을 갖는다. 제 1도에 도시된 절연체(20)와 클램프 링(14)사이의 이음매는 제 2도에 도시된것보다 크다. 본 명세서 및 도면에 있어서 본 발명에 따른 장치의 동일하거나 유사한 부품에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였다.
제 2도에는 차폐 구조물(18), 절연체(20), 음극 지지 구조물(12) 및 클램프 링(14) 사이의 기계적인 이음매가 도시되어 있다. 절연체(20)의 테두리위로 맞추어 지도록 직사각형 단면을 갖는 채널(22)이 클램프 링(14)에 형성된다. 채널(22)은 절연체(20)의 테두리 주위로 끼워맞춤되도록 고안된다. 절연체(20)에 대한 단부캡으로써 클램프 링(14)을 이용하는데, 이에 의해, 차폐 구조물(18)이 지지 구조물(12)로부터 보다 전기적으로 단절되는 효과를 갖게 된다. 그러나, 절연체(20)에 대하여 클램프 링(14)의 조립시, 채널(22)과 절연체(20)의 테두리 사이에 제공된 간극(24)은 제 1도에 도시된 실시예에서 잘 조절되지 않는다. 결과적으로, 통상적인 간극(24)은 약 0.102cm 내지 0.152cm(0.04 inch 내지 0.06 inch)의 범위를 갖는다.
음극 지지 구조물(12)을 차폐 구조물(18)로부터 전기적으로 절연시키고 에칭 작업이 수행되는 영역내에 플라즈마 필드를 포함시키기 위한 조처에도 불구하고, 종래 반응 이온 에칭 장치는 고압하에서 신뢰성 있게 작동될 수 없다. 예를 들면,약 150 mTorr 이상의 압력이 사용되면, 플라즈마의 불안정성이 야기되며, 반응 이온 에칭 장치의 차폐된 음극에서 아아크가 발생된다. 표 1에는 제 1도에 도시된 일반적인 형태의 RIE 장치의 아아크 발생문제를 나타낸 것이다. 이 표는 다수의 각기 다른 작동 압력에 대한 각기 다른 RF 전력 입력량에 대하여 음극상에 유도된 직류 바이어스(볼트)의 수치를 나타내고 있다. 입력 RF 전력과 작동압력의 각각의 조합에 대하여 두번 또는 세번의 시도가 이루어졌다. 아아크가 발생하지 않는 조건에 대한 통상적인 직류 바이어스는 -300내지 -500V사이에서 유지된다. 다음의 표에서 음영으로 표시한 부분은 50초의 시행 시간 중에 아아크가 발생됨을 나타내고 있다.
예전의 노력들은 표 1에 나타낸 작업을 개선시키지 못한다. 본 발명자는 종래의 차폐된 음극 반응 이온 에칭 장치에서 가장 일반적인 절연파괴경로(breakdownpath)를 밝혀내었다. 이러한 경로를 따라서 전기 절연 파괴의 가능성을 감소시킴으로써, 본 발명은 종래의 반응 이온 에칭 장치의 몇가지 결점들을 해소하였다. 즉, 본 발명에 따른 장치는 상당히 높은 작동압력하에서도 안정하게 작동할 수 있고, 종래의 반응 이온 에칭 장치에 의해서 얻을 수 있는 것보다 더 놓은 안정성을 달성할 수가 있다.
본 발명자는 종래의 차폐된 음극 에칭 장치에 있어서, 차폐 구조물(18)이 음극 지지 구조물(12)로부터 충분하게 절연되고 있지 못함으로써 아아크 및 표 1에 나타낸 플라즈마 절연 파괴를 유발시킨다는 것을 발견하였다. 본 발명자는 절연 구조물(20) 및 격리된 클램프 링(14) 구조물이 존재함에도 불구하고 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에 플라즈마를 전도함으로써, 차폐된 음극 에칭 장치 내에서 절연 파괴가 발생하는 것으로 판명하였다. 이러한 전도는 제2도에 도시한 바와 같이 클램프 링 채널(22)과 절연체(20)사이에 제공된 간극(24)내의 이온화된 가스에 의해서 완화된다. 종래의 RIE 장치에 있어서, 채널(22)은 간극(24)이 0.010cm 내지 0.015cm(0.04 inch 내지 0.06 inch)가 되도록 기계가공된다. 간극(24)은 반응 이온 에칭 장치의 정상적인 작동과정 동안에 에칭 장치의 부품들의 각기 다른 열팽창으로 인하여 보다 더 개방된다. 반응 이온 에칭 장치의 정상 작동중에 에칭 장치의 모든 부품들은 어느 정도까지는 가열된다. 가열과 열의 흡수는 에칭 장치의 여러 부품들 사이에서 균등하게 유지될 필요는 없다. 그러므로, 장치의 각기 다른 부품들은 각기 다른 온도로 가열된다. 각기 다른 장치 부품들의 각기 다른 온도 뿐만 아니라, 이러한 각기 다른 장치 부품들의 각기 다른 열팽창 계수는 밀착되게 끼워맞춤된 기계식 이음매들이 정상적인 작동과정중에 분리되게 한다. 그러므로, 실온에서 채널(22)이 절연체(20)의 테두리 주위로 어떻게 밀착하여 끼워맞춤되는 것과 관계없이, 정상적인 작동 과정중에 채널(22)과 절연체(20)의 테두리 사이에 간극이 발생될 수 있다.
미미한 기계 가공 허용오차 또는 각기 다른 열팽창으로 인해 간극이 발생하든 간에, 이러한 간극은 고 작동압력과 고 입력 전력하에서 2차 플라즈마를 발생시키는데 필요한 임계폭 보다 크다. 달리 말하면, 작동 압력과 전력이 증가함에 따라, 간극 내로 플라즈마가 끼워맞춤되도록 플라즈마 시스의 두께가 충분하게 감소된다. 만약, 간극(24)이 에칭 장치의 작동 과정중에 임계폭 보다 커지면, 차폐 구조물(18)로부터 음극 지지 구조물(12)까지 연장된 간극(24)은 차폐 구조물과 음극지지 구조물 사이에서의 전도를 유지하기에 충분한 이온화된 가스를 포함하게 된다. 2차 플라즈마가 간극(24)내에서 발생될 때, 음극지지 구조물과 차폐 구조물 사이에서 아아크가 발생되고 전류가 유동하며, 주 플라즈마로부터 입력 RF 전력이 소모되어서 초기 플라즈마의 절연 파괴가 야기된다.
본 발명은 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에서 이루어질 수 있는 전기 전도의 가능성을 감소시키려는 것이다 제 3도에는 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 이 도면에서는 차폐 구조물(18), 음극 지지 구조물(12), 클램프 링(14) 및 절연체(26)사이의 연결을 확대하여 도시하였다. 통상적으로, 클램프 링(14)과 절연체(26)사이의 이음매는 종래의 장치 보다 높은 허용오차로서 기계가공 되어야 한다. 간극(24)은 0.025cm 내지 0.051cm(0.01 inch 내지 0.02inch) 범위로 조절된다. 에칭장치의 부품들 사이에서 높은 허용 오차를 유지시킴으로써, 비록 놓은 작동압력과 놓은 RF 전력 입력하에서도 간극(24)은 2차 플라즈마의 발생을 지지하는데 필요한 임계폭 보다 작아질 것이다.
본 발명의 몇몇 바람직한 실시예에서, 클램프 링(14)과 차폐 구조물(18)사이에서 플랜지(28)가 절연체(26)로부터 연장된다. 플랜지(28)는 차폐구조물로부터 음극 지지 구조물까지의 가스 전도경로를 중단시키는 효과를 갖는다. 이와 같은 중단은 저 밀도의 이온화된 가스와 감소된 수치의 RF 전력이 제공된 지역을 통과하도록 플랜지(28)가 가스 진도 경로를 전환시키 거나 가스 전도 경로를 차단시키는 것에 의해서 이루어진다. 플라즈마 여기 지역으로부터 떨어져 배치된 클램프 링(14)의 외부 테두리에 인접한 지역(30)에 작은 플라즈마 여기장이 존재하기 때문에, 지역(30)에서는 2차 플라즈마가 발생하지 않는다. 따라서, 만약 플랜지(28)가 가스 전도 경로를 지역(30)내로 전환시키면, 채널(22)을 통해서 유동하는 이온화된 가스는 지역(30)에서 묽어지게 된다. 이때, 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12) 사이의 전기 전도의 가능성이 크게 줄어들게 된다. 이와는 달리, 플랜지(28)는 차폐구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이의 전도 경로의 길이를 효과적으로 증가시킨다. 이때, 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이의 전기전도에 대한 임피던스가 증가된다.
제 3도를 참조하면, 클램프 링(14)의 테두리와 동일한 높이에 놓이도록 플랜지(28)를 도시하고 있으나, 실제로 플랜지(28)는 클램프 링(14)이나 차폐 구조물(18)의 범위를 너머 연장된다. 플랜지(28)의 넓이는 반응 이온에칭 챔버내의유용한 공간에 의해서 한정된다. 가스 전도 경로가 충분하게 차단되거나 전환되는 몇몇 상황하에서, 플랜지는 클램프 링(14) 또는 차폐구조물(18)과 동일한 높이가 되도록 연장될 필요가 없다. 제 3도에는 직사각형 단면을 갖는 플랜지(28)가 도시되어 있지만, 다른 단면 형상들도 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있다. 플랜지(28)로 이용되는 특정 형상은 차폐구조물(18)과 클램프 링(14) 테두리의 기하학적인 형태에 따라 달라진다. 플랜지의 형상은 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에서 가스 전도경로를 전환시키거나 차단하도록 선택되는 것이 바람직하다.
제 4도에는 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 절연체(26)는 플랜지(28)를 갖춘 석영 실린더로 이루어져있다. 플랜지(28)는 석영실린더의 표면으로부터 외부로 연장되어 있다. 플랜지(28)는 석영 실린더를 기계가공함으로써 제조되거나, 또는 석영을 가공하는 공지된 방법들에 의해서 석영의 표면에 플랜지 구조물을 용접시킴으로써 형성될 수 있다. 플랜지이외의 구조물들도 차폐 구조물(18)과 음극 지지 구조물(12)사이에서 가스 전도로를 중단시키는 기능을 수행한다면, 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 클램프 링 이외의 구조물이 절연체에 대한 캡으로써 이용되는 반응 이온 에칭 장치에서 수행될 수 있다.
다음의 표 2는 본 발명에 따라서 RIE 장치에 의해서 달성되는 개선된 성능을 보여준다. 표 1에서와 같이, 표 2는 다수의 각기 다른 작동 압력에 대한 각기 다른 입력 RF 전력수치에 대해 음극상에 유도된 직류바이어스(볼트)의 수치를 나타내고 있다. 표 2에 기재된 숫자들은 입력 RF 전력과 작동압력의 각각의 조합에서 이루어진 3번의 시도의 평균이다. 모든 시도에 있어서 작동압력과 입력 RF전력의 모든 조합에 대하여 아아크의 발생이 관찰되지 않았다.
본 발명에 따른 반응 이온 에칭장치를 변경시킴으로써, 처리 챔버내에서 높은 가스압력이 유지될수 있다. 제 4도에 도시된 바와 같은 반응 이온 에칭 장치에 수행된 테스트는 광범위한 입력 전력에 대한 300mTorr의 가스 압력하에서 안정한 작동을 나타낸다. 이것은 단지 150 mTorr 또는 그이하의 압력하에서 안정한 작동을 나타내는 제 1도에 도시된 장치에 있어서 상당한 개선이 이루어졌음을 나타낸다. 마찬가지로, 본 발명은 반응 이온에칭장치가 높은 플라즈마 전력 입력하에서 작동할 수 있게 한다. 그 결과, 이온화된 가스의 밀도가 증가하게 된다. 예를 들면, 제 4도에 도시된 장치는 300mTorr 만큼 높은 압력 및 950와트까지의 입력 전력하에서 안정한 작동을 나타낸다. 이에 비해서, 제 1도에 도시된 장치는 단지 150mTorr의가스압력 및 약 600와트의 입력 전력하에서 안정한 작동을 나타낸다. 이와 같은 높은 압력 또는 높은 전력작동을 얻음으로써, 본 발명에 따른 반응 이온에칭 장치는 고 에칭율, 감소된 에칭 잔류물, 양호한 포토레지스트 선택도 및 보다 안정한 에칭 공정을 달성할 수 있다.
상기에서 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 사상 및 영역으로 부터 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
제 1도는 종래기술에 따른 반응 이온 에칭장치의 단면도.
제 2도는 제 1도에 도시된 반응 이온 에칭장치의 일부분의 상세도.
제 3도는 본 발명에 따른 반응 이온 에칭장치의 일부분의 상세도.
제 4도는 본 발명에 따른 반응 이온 에칭장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 에칭 기판 12 :지지 구조물 또는 음극
14 : 클램프 링 16 : 덮개
17 : 벽 18 : 차폐 구조물
20,26 : 절연체 22 : 채널
24 : 간극 28 : 플랜지

Claims (30)

  1. 이온화 가능한 가스를 함유한 제어된 부대기압 환경을 한정하고 고주파의 전력원을 이용하는 에칭 장치에 있어서,
    상기 고주파의 전력원에 연결되어 플라즈마를 여기시킬수 있으며, 상기 부대기압 환경내에 위치하고 있는 음극과,
    상기 음극의 적어도 일부분 주위로 인접하게 배치되고, 상기 음극과는 다른 전위로 유지되는 차폐 구조물과, 그리고
    상기 음극과 상기 차체구조물 사이에 배치된 절연 구조물을 포함하며,
    상기 절연 구조물 내의 임의의 간극, 또는 상기 절연 구조물과 상기 음극 또는 상기 차폐 구조물 사이의 간극은 상기 음극과 상기 차폐 구조물사이에 가스 전도 통로를 형성할 수 있으며 상기 경로 내에서 2차 플라즈마가 발생되도록 임의의 경로의 적어도 일부분을 임계 두께보다 작게 한정하는 에칭장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이의 상기 절연 구조물을 상기 차폐 구조물의 외주부로 적어도 일부가 외부로 연장되는 에칭장치.
  3. 제 1항에 있어서, 임의의 상기 간극의 두께는 상기 경로의 적어도 일부분에서 0.051 cm(0.02 icnh)이하로 제한되는 에칭장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 부대기압 환경이 250mTorr이하의 압력에서 유지되는 에칭장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 부대기압 환경이 150mTorr 내지 300 mTorr 이상의 범위 내의 압력에서 유지되는 에칭 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 고주파의 전력원에 의해서 상기 음극에 제공되는 전력 입력량이 600와트를 초과하는 에칭장치.
  7. 에칭장치에 있어서,
    고주파의 전력원과,
    상기 고주파의 전력원에 연결된 음극으로서, 상기 음극에 인접한 지역에서 플라즈마를 여기시킬수 있는 음극과,
    상기 음극의 적어도 일부분에 인접하게 배치되어 상기 음극의 적어도 일부분을 에워싸고 상기 음극과는 다른 전위에서 유지되는 차폐 구조물과, 그리고
    상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이에 배치되어 있으며 상기 차폐 구조물의 외주부로 적어도 일부가 외부로 연장되는 돌출부를 갖추고 있는 절연 구조물을 포함하고 있으며,
    상기 절연 구조물은 상기 절연 구조물 내의 하나 이상의 간극, 또는 상기 절연 구조물과 상기 음극 또는 상기 차폐 구조물 사이에 하나 이상의 간극을 형성하며, 상기 하나 이상의 간극은 상기 차폐 구조물과 상기 음극사이에 적어도 일부분의 가스 전도 경로를 갖추고 있으며,
    상기 절연 구조물의 상기 동출부는 상기 가스 전도경로를 가로막는 에칭장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 가스 전도경로의 적어도 일부분의 두께는 상기 가스 전도 경로의 적어도 일부분내에서 2차 플라즈마를 발생시키는데 필요한 임계 두께보다 작은 에칭장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 가스 전도경로의 적어도 일부분의 두께는 0.051cm(0.02 inch) 이하인 에칭장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 절연 구조물은 상기 차폐 구조물과 상기 음극 사이에 상기 가스 전도 경로를 가로막는 에칭장치.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 절연 구조물은 저밀도의 이온화된 가스를 갖는 영역을 통과하는 상기 가스 전도 경로를 전환시키도록 작용하는 에칭장치.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 절연 구조물은 원통형 몸체의 절연재로 구성되며, 상기 절연 구조물의 상기 돌출부는 장방형 단면을 갖는 에칭장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 절연 구조물의 상기 돌출부는 상기 음극의 주변부와 상기 차폐 구조물의 주변부 너머로 연장되는 에칭장치.
  14. 에칭 장치에 있어서,
    고주파의 전력원과,
    상기 고주파의 전력원에 연결된 음극으로서, 상기 음극에 인접한 영역에서 플라즈마를 여기시킬수 있는 음극과,
    상기 음극의 적어도 일부분에 인접하게 배치되어 상기 음극의 적어도 일부분을 에워싸고 상기 음극과는 다른 전위에서 유지되는 차폐 구조물과,
    상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이에 배치되어 있으며 상기 음극의 테두리 또는 상기 차폐 구조물의 테두리 너머로 연장하는 테두리를 갖추고 있는 절연 구조물과, 그리고
    상기 음극의 테두리에 인접하에 위치된 캡 구조물을 포함하고 있으며,
    상기 캡 구조물은 상기 절연 구조물의 테두리에 끼워맞춤 되어져 150 mTorr를 초과하는 작동압력에서 상기 간극 내에 2차 플라즈마가 발생하지 않도록 상기 절연 구조물의 상기 테두리로부터 충분한 얇은 간극만큼 분리되는 에칭장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 캡 구조물은 상기 절연 구조물의 상기 테두리 주위로 배치된 채널을 포함하는 에칭 장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 간극이 0.051 cm(0.02 inch)보다 작은 에칭장치.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 차폐 구조물의 상기 테두리와 상기 캡 구조물 사이의 상기 절연 구조물로부터 연장된 플랜지를 더 포함하는 에칭장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 절연 구조물은 원통형 몸체의 절연 재료로 구성되고, 상기 절연 구조물의 상기 테두리는 장방형 단면을 갖는 에칭장치.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 절연 구조물의 상기 테두리는 상기 차폐 구조물의 상기 테두리와 상기 음극의 상기 테두리 너머로 연장되는 에칭장치.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 캡 구조물은 에칭 작동중에 상기 음극의 표면 상에 반도체 웨이퍼를 고정시키기 위한 클램프 링을 포함하는 에칭 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 절연 구조물과 상기 플랜지는 석영으로 구성되는 에칭장치.
  22. 제 17항에 있어서, 상기 캡 구조물은 상기 절연 구조물의 상기 테두리와 정합하는 장방형 단면을 갖는 채널을 포함하는 에칭장치.
  23. 제 17항에 있어서, 상기 플랜지의 표면은 상기 캡구조물에 인접하게 배치되고, 상기 플랜지의 또 다른 표면은 상기 차폐 구조물에 인접하게 배치되는 에칭장치.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 플랜지는 장방형 단면을 가지며, 상기 플랜지의 표면은 상기 차폐 구조물의 표면과 동일한 높이를 갖는 에칭장치.
  25. 차폐된 음극 에칭장치에 있어서,
    플라즈마를 여기시킬수 있는 고주파의 전력원에 연결된 음극과,
    상기 음극의 적어도 일부분에 인접하게 배치되고 상기 음극과는 다른 전위에서 유지되는 차폐 구조물과,
    상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이에 배치되고, 상기 차폐 구조물의 테두리 또는 상기 음극의 테두리 너머로 연장된 테두리를 갖추고 있는 절연구조물과,
    에칭 작동중에 기판을 제위치에 일시적으로 고정시키기 위한 수단과, 그리고
    상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이의 플라즈마 전도를 150mTorr 또는 그 이상의 작동 압력에서 제한하기 위한 수단을 포함하는 차폐된 음극에칭장치.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 플라즈마의 전도를 제한하기 위한 수단은 500와트를초과하는 입력 RF 전력 수치에서 플라즈마의 전도를 제한하기 위한 수단을 포함하는 차폐된 음극 에칭장치.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 플라즈마의 전도를 제한하기 위한 수단은 상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이의 플라즈마 전도를 차단하도록 배치된 절연 구조물을 포함하는 차폐된 음극 에칭장치.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 플라즈마의 전도를 제한하기 위한 수단은 상기 음극과 상기 차폐 구조물 사이에서 가스 전도경로를 제한하는 절연 구조물을 포함하는 차폐된 음극 에칭장치.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 가스 전도경로의 적어도 일부분은 임계폭 보다 작은 폭을 갖는 차폐된 음극 에칭장치.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 가스 전도경로의 적어도 일부분은 0.051cm(0.02 inch) 보다 작은 폭을 갖는 차폐된 음극 에칭장치.
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